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摘要：液压挖机已经成了现代工程施工当中不可或缺的土石方挖掘工具，大大促进了全球经济建设发展，然而正是其应用广泛，液压挖掘机消耗的能量不可忽视，尤其在当前能源危机，全球倡导节能减排的大环境下，对液压挖掘机的节能技术的研究显得尤为重要。
关键词：液压；挖掘机；节能控制
一、引言
液压挖掘机是土石方挖掘的主要机械设备，具有整机结构紧凑、传动平稳、能实现无级变速和自动控制以及功能强大，作业效率高等一系列的优点，广泛应用于建筑、交通运输、水利电力工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工中，它大大提高了施工者的施工效率，根据研究显示，工程施工中约占65%-70%左右的土石方量是靠挖掘机完成的。液压挖掘机在我国经济的发展中也起着重要的作用。随着我国经济建设的迅速发展，政府加大对基础公共设施如水利、铁路和公路等建设投资，另外我国正处于推进城镇化建设的高速时期，房屋建筑及其相应的配套公共设施，离不开液压挖掘机的施工作业，挖掘机适应性强、作业效率高等的优点愈发凸现出来。
我国已成为世界上最大的挖掘机市场与产地，液压挖掘机在国民经济建设生活当中占有相当重要的地位。然而，挖掘机的能量有效利用率却非常低，能量损失相当大，据有关统计与估计，其功率有效利用率只能达到30%左右。其能量消耗巨大，且能量利用率低与挖掘机的工作原理与工作环境分不开。其作业地理环境恶劣及工作方式改变频繁，大大降低了其能量利用率。液压挖掘机在施工作业时，作业对象并不是一成不变的，由于地理环境各异，土质变化较大，挖掘力与土石方的位置、组成、粘度等因素都有着紧密的关系，每一个因素的改变都会造成土石方挖掘所需的挖掘力的变化，而其作业方式（挖掘，平整，推动等）也可能时刻发生变化，作业环境大多恶劣，挖掘机所承受的负载变化较大，以至于柴油机在负载波动过程中的耗油比较大，大大降低了燃油利用率，造成发动机功率严重损失。
二、液压挖掘机节能技术概述
1.液压挖掘机简介
液压挖掘机是一种多功能机械，其通过管路传递能量，传动平稳，具有无级变速的性能，并能实现多种运动复杂动作，很好的满足了环境多变且作业要求多变的工程施工需求，被广泛应用于基建工程、水利工程，交通运输，房屋建筑和采矿工程等机械施工中，不但能高效的完成各类工程施工，明显的提高工程进度，而且能确保施工质量，在国民建设中发挥着非常重要的作用。
2.液压挖掘机能量损失分析
液压挖掘机因其功能齐全，效率高，广泛应用于各种路况下的土方挖掘与开发的大型机械，但其作业环境一般恶劣，需要消耗非常多的能量才能完成作业任务，作业中负载变化剧烈，且人为操作并不能完全达到最优状态，油液传递过程与液压控制过程都会造成能量利用率低，导致能量损失非常大。液压挖掘机的能量损失主要包括机械摩擦损失、节流损失、溢流损失、压力损失、功率匹配损失和变量泵的效率损失等，但是损失最大还是功率不匹配造成的能量损失中。液压挖掘机各种零部件装配与传动连接之间的摩擦造成了机械摩擦损失；挖掘机液压系统中主控阀的中位控制引起了节流损失；目前，液压挖掘机一般使用的是开中心系统，其常用的换向及流量控制元器件是六通多路阀，此阀口会产生功率损失，主要分为旁路空流和节流损失。挖掘机处于正常工作状态时，若运动机构停止动作，此时多路阀处于中位，系统只需要变量泵输出的压力满足背压，多余的液压油经过旁路油道进入油箱，以致于带来空流耗损；当系统设备开始运行，系统经流入节流口控制流量后，从而引起产生一个压差来控制变量泵的工作状况，此过程会带来很多的液压能浪费。
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溢流损失是由于挖掘机工作过程中，泵的出口压力随负载压力的增大而增大，如果负载过大会导致执行机构停止动作，为防止过载损坏机器，液压系统中设有溢流安全阀，当负载压力大于溢流阀的设定压力时，溢流阀打开，油液溢流回油箱，此时，发动机的输出能量全部转化成热能损失掉，并造成系统温度升高。由于挖掘机作业工况复杂，尤其在重载挖掘工况下，系统由于过载造成的溢流损失非常大。挖掘机工作过程中，除过载造成溢流损失外，回转等过程中也会造成溢流损失。由于上车机构具有很大的转动惯量，为防止系统压力过大不平稳，常设计回转平衡阀，一方面限制回转启动压力过大而溢流，另一方面在回转制动中将多余的流量溢流，从而造成大量的能量损失。
压力损失产生于油液的流动中，挖掘机液压系统中油液在油管中流动，将变量泵的输出功率传递给执行机构。油液在管道、管接口、阀口等中流动过程中，液压系统的压力损失不可避免。压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失。其中，为减少沿程压力损失，应合理的加大液压管道的直径。而局部压力损失是液压系统中主要的压力损失，应合理布置液压管道的走向，尽可能的减少弯道、管
接头及管道截面突变，减少局部压力损失。
3.柴油机特性分析
柴油机因其热效率高，经济性好，功率范围广和机动性好被选为液压挖掘机的发动机，柴油机的性能在液压挖掘机动力总成功率匹配中起着至关重要的作用，柴油机的静态参数与特性很大程度上决定了液压挖掘机动力系统的设计，比如平均有效压力、有效功率、有效扭矩、有效热效率和有效油耗率等。
柴油机的结构参数决定了发动机的工作特性，其工作特性可以通过几条曲线来描述，包括负荷特性曲线、速度特性曲线、万有特性曲线及调速特性曲线。而第一条与第二条性能曲线一般只能显示发动机选取的两个参数间的关系，无法获得详细的发动机工作状况。这些曲线中，等油耗曲线最里面的意为燃油最少的工作工况，在这些曲线中，越靠外其消耗的燃油越多。发动机在各个功率值工作时，会有一条燃油曲线与之相切，切点表示发动机在此功率值工作时消耗的燃油最少，即为发动机工作的燃油经济点，连接成一条燃油经济曲线。
三、液压挖掘机节能控制方案
我国挖掘机技术由最初的阀控定量系统过度到了阀控变量泵系统，这些技术对降低液压挖掘机的油耗有着很好的效果，但由于挖掘机本身工作负载的特点，决定了目前已广泛应用的液压控制方式如正负流量控制，负荷传感控制等控制方式难以进一步提高节能效果。针对挖掘机各方面巨大的能量损失，挖掘机动力系统中发动机与变量泵的调控特性分析，拟建一种节能控制方案，来提高挖掘机功率匹配程度，从而提高挖掘机的能量利用率。
实现功率动态匹配关键是完成挖掘机的实时的动态负荷估计，让发动机时刻工作于最佳燃油经济性区域，发动机的输出功率恰好等于电液系统的负载是理想的整车集成控制策略。然而由于作业工况有所不同，而且受到许多不确定的因素的影响，电液系统的负荷难以正确估计，导致液压挖掘机不能工作于理想的整车集成控制策略下，造成油耗急剧上升。通过支持向量机预测模型，实现电液系统的实时载荷估计，通过实时监测当前负载和发动机当前转速等信号，同时考虑载荷的变化率和发动机转速变化率等因素，结合已有的实验数据，基于支持向量机智能数值分析实验建模技术，实现对动态负荷的实时估计，并结合单神经元PID 控制算法对变量泵排量进行实时控制，来更好的完成挖掘机功率匹配从而稳定发动机转速，来提高燃油经济性，从而减小挖掘机的能量损失。
结束语：
随着我国经济建设的快速发展，液压挖掘机已经广泛应用于各类工程施工中，大大提高了施工效率，但其能量利用率较低。在能源危机与大力倡导节能减排的背景下，对液压挖掘机的节能技术研究具有重要的时代意义。
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论文作者:董守环
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第20期
论文发表时间:2018/10/10
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