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液压挖掘机节能系统与控制策略综述 赵 文 昌刘强何 经旺 华侨 大学机 电及 自动化学院厦 门3 6 1 0 2 1 摘要简述了国内外液压挖掘机的研究现状 ，分析了目前国外几种较典型的节能控制系统和国内 目前所 采用的节能控制策略，为液压挖掘机节能技术的深入发展提供了参考和借鉴。 关键词液压挖掘机；节能 ；控制策略 中图分类号 T U 6 2 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 70 0 0 1 0 3 Ab s t r a c t T h e p a p e r b r i e fl y i n t r o d u c e s t h e r e s e a r c h s i t u a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r a t h o me a n d a b r o a d，a n d a n a l y z e s s e v e r a l t y p i c a l e n e r g y s a v i n g c o n t r o l s y s t e m a b r o a d a n d t h e e n e r g y s a v i n g c o n t r o l s t r a t e gy c u r r e n t l y u s e d a t h o me ， w h i c h p r o v i d e s r e f e r e n c e a n d g u i d a n c e f o r d e e p d e v e l o p me n t o f e n e r gy s a v i n g t e c h n o l o g i e s o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e x c a v a t o r ；e n e r g y s a v i n g ； c o n t r o l s t r a t e gy 0 前言 液压挖掘机是一 种大功率 、高能耗 的工程机 械 ，由于其液压系统 中存在各 种形式 的功率损失 ， 会不同程度 地 降低挖 掘机 液压 系统 的使用 效率 。 挖掘机工作 时 ，在不计 沿程 阻力 的条件 下，液压 系统的最高效 率可达 9 5 ％ 以上 。但 由于挖掘机 工况复杂 ，负 载变化较 大 ，因此 ，液 压 系统 的效 率变化也非 常大。液压挖 掘机采用节能 技术不仅 可有效降低燃 油消耗率 ，还 可减少液压 系统功率 损失 ，提高发动机功率 的利用率 ，使动力 系统与 负载所需功率更好地匹配，从而降低发动机和液 压元件 的工作 强度 ，减少 系统发热 ，提 高设 备可 靠性 。因此 ，国内外挖 掘机行业都 十分重视研 发 和应用挖掘机节能技术。 1 国外挖 掘机节能控 制系统 分析 为了在挖掘机 市场竞 争中 占据一席 之地 ，国 外很多知名挖 掘机厂纷纷提 出了具有 自主知识产 权的节能控制系统。这些公 司中比较 有代表性 的 节能控制产品主要有德国奥加凯公司的 P MS系统 、 L i n k B e l t 的 C A P S系统 ，美 国卡特皮勒 的 E P C系 统 ，13 本 13立 的 O H S系统 、小 松 的 O L S S系统 、 加藤的 A P C系统 、神钢的 I T C S系统 ，韩 国大宇的 E P O S系统等 j 。下面对几个 典型的控制系统进行 简要分析 。 1 小松公司的闭式负荷感应 系统负载传感 阀依据液压泵 的出 口压力 与操作 阀的出 口压力之 差来控制液压泵 的输出流量。液压泵控 制 阀可 以 根据设定 的功 率级别 ，使液压泵 的驱 动功率不超 过发动机的功率 ，实现恒功率控制 。 2 加藤公司的自动输 出功率控制系统所控 制 的双泵能根据 负荷 的大小 自动调节液压泵 的压 力和 流 量 ，使 柴 油 机 输 出 功 率 的 利 用 率 达 到 1 0 0 ％ ，以适应各种作业工况。根据作业 内容与现 场状况 ，始终使柴油机输 出转矩与液压泵供 油量 处于最佳匹配状态。 3 13立建机公司的转速感应系统驾驶员可 以根据不同的负载选择不 同的工作模 式 ，系统根 据所选工作模式 自动调节柴油机油门开度 和液压 泵的排量 ，通过柴油机 一液压泵 的联 合调节 ，使 液压泵的吸入功率等于柴油机 的输 出功率 ，同时 使柴油机工作在最佳工作点。 4 日本神钢公司 的 I T C S电子控制 系统采 用模糊推理原理 ，可识别不 同的挖掘工况如装载 、 平整、撒土等作业，并 自动对其进行辅助作业， 使柴油机输 出功率 达到最佳 ，发挥最 大的工作效 率 ，最大限度地节约燃油。 5 林德公司的负荷传感同步控制系统 主泵 只向各执行元件 提供所需 流量 ，无多余 的流量输 福建省高校产学合作 重大项 目挖 掘机双 D S P双 时标节能挖掘器研制及产业化 2 0 1 0 H 6 0 1 5 起重运输机械 2 0 1 3 7 出，因而没有溢流损失 ；当所有执 行元件不动作 时，主泵排量基本回到零位，有效地降低了损耗。 2 国内挖掘机节能技术分析 我国在挖掘机 电气控制 和节能研究方 面仍然 处在较低的水平。因此 ，国 内多数生产厂 为了提 高液压挖掘机的性能， 采取以下两个策略1 与 国外合资，较著名的有烟台大宇、合肥 日立、常 州现代 、成都神钢、徐州卡特等 ；2 引进国外先 进的液压元件 、液压系统及 电控节能控 制系统来 提高国产挖掘机 品质 ，如三一重工公 司生产 的挖 掘机采用了林德公 司的负荷传感同步控制系统。 与此同时 ，我 国大力 提倡 校企合作 ，开展挖 掘机 自主研发工作 ，并 取得 了一些成果 上海铁 道大学的宋又廉 、张谦 等提出了一种 负载敏感功 率控制节能液压 系统 ，该 系统能时刻根据负载情 况调整泵 的压力和流量 ，使 液压泵 流量恰好满足 负载变化的要求，而油压仅比负载压力略高，达 到降低液压系统能量损失的目的；浙江大学与长 江挖掘机厂合作 开发 了集 远程无线遥 控、故 障监 控、节能控制于一体 的实用 型液压 挖掘机 ，并 已 从原理上进行 了实验 ；吉林大学机械学 院赵 丁选 教授等将发 动机、变量泵 、阀和负载作为一个整 体进行 了研究 ，采用模糊控制技术实现 了发动机 与变量泵 的全 功率匹配，克服 了国内外挖掘机节 能控制中普遍应用 的单纯转速控制或压 力控制的 不足，并且成功地实现 了二 级溢流控制 ，通 过台 架实验取得 了 良好的节能效果 ；湖南 山河智 能机 械股份有限公司与中南大学协作 ，在国家 8 6 3项 目 的支持下 ，投人大量资金 ，研发 了具有 自主知识 产权 的机 电一体化挖掘机 ，已通过台架实验验证 ， 实现了发动机 、变量泵 、负载之 间的 自动功率匹 配控制 ，取得 了较好的功率匹配节能效果。 3 国内外 的控 制策 略分析 目前 ，许多 国外 知名 品牌 的挖掘机 生产厂 以 合资或者独资的方式大举进入中国市场，但其核 心控制技术却一直处于封锁状态，其具体控制技 术说明文献基本无处可寻。下面就 目前 所查 阅的 国内文献期 刊 中较有代表性 的控制方法进行分析 总结。 1 运用全制式调速器和调速 曲线共 同进行作 一 2 一 用的控制方法_6 j ，是一种较传统的控制方式，当 外负荷增加使转速略有下降时，调速器可使供油 量调节拉杆 向加油方 向移动 ，阻止转 速下降。当 负荷增加到使调速器不起作用 ，即使供油量 已增 加到最大值，转速已明显下降时，柴油机沿着外 特性曲线工作。 2 根据工况 的变化 ，引起负载压力 、起调压 力以及泵 出 口压力 的变 化，来调节泵 的排量或者 控制发动机 的调速拉杆使泵 的吸收功率和柴油机 的输出功率尽可能匹配 卜“ J 。 3 利用 阀门和油 门的联合控制来控制转速 ， 使其一直工作在最佳工作点是一种较流行的控制 策略 - 1 6 ] 。在外 负载较小时，系统通过调节发动 油门来适应负载 的需求。而当外负载很 大时，一 方面增加 发动机的功率输 出，另一方 面则应适 当 调节变量 泵的排量来降低其功率吸收 ，从 而避免 出现发动机过载熄火现象 ，使发动机 在整个转速 范围内都能适应负荷变化，保持最佳的功率利用 率及 良好的动力性和经济性。同时使 液压系统具 有较高 的传动效率及整个 负荷驱动系统具备较好 的 自适应能力和综合性能指标。 4 将柴油机 、变 量泵 、负载作为一个 系统 ， 分析该系统各环节 的匹配原理 和方法 ，实现柴油 机、变量泵 、负载三者 的一致 匹配 卜 J 。以泵 出 油 口压力为依据 ，实现 动力系统与工况 的 自适应 控制 ；以转速传感控制 方式实现发动机与泵 的功 率匹配；以变量泵 出口流量为依据 ，由微机控制 调节多路 阀阀 口开度 ，实现负 载、变量泵 的功率 匹配 。 4 挖掘机节能技术的发展趋势 基于国内现有 节能控 制本质 的分 析 ，提 高节 能效果的根本途径有两个 一是彻底推 翻现有 的 能源利用技 术 ，开发新能 源；二是在现有 能源利 用基础上找到漏洞进行弥补 。同时 ，由于液压挖 掘机的基本 工作 原理已经成熟 ，目前不会 有大的 突破 ，今后挖掘机 的研究与发展方 向是对 动力装 置 、液压系统及其元件在节能 和功能上 的进一步 完善以及微机控制技术的深层次应用。 5 总结 本文首先介 绍了液压挖掘机对人们 生活 中各 起重运输机械 2 0 1 3 【 7 个领域 的重要 性 ，阐述 了其节 能控 制 的必要 性。 其次 ，叙述 了挖掘机 的发展历程 以及 国 内外 的研 究现状。最后 ，总结 了所查 阅文献 中提 到的各种 节能控制策略 ，并指出其今后的发展趋势。 参考文献 [ 1 ]王爽，李志远 ．液压挖掘机负流量控制系统的节能分 析与实 现 [ J ] ． 合肥 工业 大 学学 报 自然科 学 版， 2 0 0 6 ，2 9 2 ． [ 2 ]徐绳武 ．柱塞式液压泵 [ M] ． 北京机械工业 出版 社 ，1 9 8 5 ． [ 3 ]张栋 ．基 于功率匹配的挖掘机节能控制技术的研究 [ D] ． 长春吉林大学，2 0 0 5 ． [ 4 ]程度旺．多功能液压挖掘机负载功率匹配研究[ D] ． 长 沙 中南大 学 ，2 0 0 7 ． [ 5 ]R u s s H e n k e P E ． H y d r a u l i c S y s t e m T r e n d s H y d r a uli c E x c a v a t o r T e c h n o l o g y[J] ．D i e s e l P r o g r e s s E n g i n e D ri v e s ，1 9 8 8 ，5 9 ． [ 6 ]王晨，应富强 ．液压挖掘机的智能化节能控制策略 [ J ] ． 浙江工业大学学报 ，2 0 0 0 6 ． [ 7 ]孙延伟 ．液压挖掘机节能控制系统研究[ D ] ． 长春 吉 林大学 ，2 0 0 4 ． [ 8 ]张栋 ．基于功率匹配的挖掘机节能控制技术的研究 [ D] ． 长春吉林大学 ，2 0 0 5 ． [ 9 ]高峰，冯培恩 ．液压挖掘机节能控制[ J ] ． 工程机械与 维修 ，2 0 0 1 1 2 ． [ 1 0 ]苏秀平，李威，王禹桥，等 ．挖掘机电子节能控制 技术及其控制新方法[ J ] ． 工程机械，2 0 0 9 8 ． [ 1 1 ]苏秀平，李威，王禹桥，等 ．液压挖掘机柴油机 一 泵环节功率损失分析及对策[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9， 3 7 1 2 ． [ 1 2 ]郝鹏 ．液压挖掘机动力系统匹配及节能控制研究 [ D] ． 长沙中南大学，2 0 0 8 ． [ 1 3 ]吴晓健 ．液压挖掘机功率控制节能技术研究[ D] ． 长 沙 中南大学 ，2 0 0 5 ． [ 1 4 ]何清华 ，常毅华 ，郝鹏 ．液压挖掘机恒功率与变功 率协调控制节能系统研究[ J ] ． 建筑机械 ，2 0 0 6 5 ． [ 1 5 ]汤振周 ．液压挖掘机发动机与液压泵的合理匹配的 研究[ J ] ． 长春工程学院学报自然科学版，2 0 0 8 ，9 4 ． [ 1 6 ]黄新磊，胡军科 ．匹配发动机的液压泵复合式控制 特性研究[ J ] ． 计算机仿真，2 0 1 1 9 ． [ 1 7 ]纪云峰 ． 液压挖掘机动力系统的节能控制研究 [ D] ． 长沙中南大学，2 0 0 4 ． [ 1 8 ]尚涛，赵丁选 ．液压挖掘机功率匹配节能控制系统 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ，2 0 0 4 4 ． [ 1 9 ]王冬云，管成 ，潘双夏，等 ．液压挖掘机功率匹配 与动力源优化综 合控制策略 [ J ] ． 农业机 械学报， 2 0 0 9 4 ． [ 2 0 ]H a r r i s H D ． P r e d i c t i o n o f t h e T o r q u e a n d O p t i m u m O p e r - a t i n g P o i n t o f D i e s e l E n gi n e s u s i n g E n g i n e S p e e d a n d F u e l C o n s u m p t i o n[ J ] ． J ． A g r i e ． E n g n g R e s ． ，1 9 9 2 ，5 3 931 01 ． 『 2 1 ]H a r r i s H D，P e a r c e t E A U n i v e r s a l Ma t } l e ma t i c a l Mo d e l o f D i e s e l e n g i n e P e rf o r m a n c e [ J ] ． J ． A g fi c ． E n g n g R e s ． ， 1 9 9 0．4 7 1 6 51 7 6 ． 作 者赵文昌 地 址厦门华侨大学机电及 自动化学院 邮 编 3 6 1 0 2 1 收稿 E t 期 2 0 1 30 41 1 芬 兰 电梯商 Ko n e研 发 “ 超 级钢 丝绳” 最大提 升高度 达 1 0 0 0 m 随着建筑物的不断升高，电梯问题刻不容缓。如果使用传统的钢丝绳，电梯能达到的最大高度只有 5 0 0多米。如 果建筑物高于5 0 0 m， 设计者不得不考虑将电梯分节使用。不过，现在出现了一种被称为 “ 超级钢丝绳” U h r a R o p e 的轻质材料可将电梯上升的最大高度提升到 1 0 0 0 m。据悉，这种钢丝绳由芬兰电梯制造商 K o n e研发。相较于传统的 圆柱状，K o n e 这次推出的产品更偏向于带状。K o n e 指出，“ 超级钢丝绳”可以让电梯在5 0 0 m的大楼内将其载重量提 升6 0 ％，节省 1 5 ％的能量。如果将高度提升到 8 0 0 m，那么其可节省 4 5 ％的能量。另外 K o n e表示 ，“ 超级钢丝绳” 的强度为传统钢丝绳的 2倍之多，而且它不需要添加任何 的润滑剂就能运行 自如。本文来源于中国起重机械网 [ w w w ． c h i n a e r a n e ． n e t ] 。 起重运输机械 2 0 1 3 7 一3 一