液壓挖掘機油耗測試與綠色性能評價探討

吳學松/WU Xue-song（中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

液壓挖掘機油耗測試與綠色性能評價探討

吳學松/WU Xue-song
（中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

[摘 要]在闡述工程機械節(jié)能減排的重要性基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)標準《液壓挖掘機燃油消耗試驗方法》的制定，介紹了液壓挖掘機油耗測試作業(yè)對象選擇、測試工況確定、油耗測量方法、評價指標及計算，確定了以挖掘機能效作為評價挖掘機油耗水平的主要指標，并指出液壓挖掘機綠色性能評價應該從能效、廢氣排放、噪聲等方面綜合考慮。

[關(guān)鍵詞]綠色性能評價；液壓挖掘機；油耗測試；能效；節(jié)能減排；綠色施工

1 時代背景

節(jié)能減排、綠色環(huán)保是工程機械行業(yè)未來發(fā)展方向。隨著工程機械行業(yè)的發(fā)展與市場保有量的迅速增長，工程機械節(jié)能降耗的重要性愈發(fā)明顯。以挖掘機為例，近年來挖掘機產(chǎn)量均在十幾萬臺，在用挖掘機約120萬臺以上，每年燃油消耗量巨大，造成了嚴重的有害氣體排放污染。

節(jié)能環(huán)保不僅是工程機械自身發(fā)展的要求，更是建筑施工行業(yè)的要求。當前我國建設(shè)行業(yè)正在大力推進綠色建筑、綠色施工，建筑施工中使用綠色施工機械是綠色施工的重要方面，工程機械能耗指標已經(jīng)成為影響客戶設(shè)備采購的重要因素。綠色施工機械是指建筑工程施工中，在保證質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，最大限度地降低能耗與減少對環(huán)境負面影響，滿足節(jié)能、減排、降噪、環(huán)保性能的施工機械。

施工機械綠色評價應該從能耗或能效、廢氣排放、噪聲等方面綜合考慮。當前發(fā)動機廢氣排放和工程機械噪聲測量已有相關(guān)標準要求，而對于工程機械的能耗或能效一直缺乏各方一致認同的試驗方法，已經(jīng)形成標準的只有日本建設(shè)機械化協(xié)會(JCMAS)制訂的挖掘機、裝載機、推土機油耗測試標準，ISO/TC127國際標準化組織2010年開始著手起草土方機械能耗試驗方法的標準，但尚未發(fā)布。國內(nèi)一些制造商（包括國產(chǎn)品牌和外資品牌）各自按照自己的方法進行研究性測試，不同制造商公布的油耗、節(jié)油率都是根據(jù)自定的測試方法得來的數(shù)據(jù)，缺乏可比性。

為了統(tǒng)一油耗測試方法，2013年開始，結(jié)合課題研究，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)編寫了《液壓挖掘機燃油消耗試驗方法》GXB/TY0026-2014協(xié)會標準，2014年12月由中國工程機械工業(yè)協(xié)會發(fā)布實施，同時發(fā)布的還有《輪胎式裝載機燃油消耗試驗方法》GXB/TY0025-2014，彌補了工程機械油耗試驗方法的空白，為工程機械標準體系增添了新的成員。

2 制定原則

液壓挖掘機油耗測試和評價方法應以實際作業(yè)為基礎(chǔ)，剔除對測試結(jié)果影響較大的干擾因素，盡量選擇性能參數(shù)、狀態(tài)比較穩(wěn)定的作業(yè)對象，以便能較真實地反映燃油消耗情況，又能保證試驗過程的可重復性，提高試驗方法的可操作性。重點要研究測試工況的合理性、可操作性與評價指標的科學性。

在規(guī)定實驗條件下，在規(guī)定工作循環(huán)內(nèi)測試燃油消耗量、作業(yè)時間和作業(yè)量，以單位耗油量所完成的作業(yè)量，即能效值作為最終評價指標。

3 測試作業(yè)對象選擇

挖掘機耗油量與作業(yè)工況是息息相關(guān)的。為了盡量體現(xiàn)挖掘機作業(yè)真實性，應負載測試，選取狀態(tài)穩(wěn)定的作業(yè)對象和一致的作業(yè)工況并保證可重復性是至關(guān)重要的，同時應便于實現(xiàn)。

土方挖掘是挖掘機的主要作業(yè)內(nèi)容之一。但土壤的物理性質(zhì)在各地很不一致，密度、含水率、粘結(jié)性、粘著性等差別比較大，并且受季節(jié)、天氣影響較大。土壤密度按組成土壤物質(zhì)的種類和含量不同，通常有2.60～2.70t/m3、1.2～1.8t/m3、1.3～1.4t/m3等多種，一般含礦物質(zhì)多的土壤密度較大，含腐殖質(zhì)多的土壤密度較小，選取物理性質(zhì)一致的土壤非常困難。如選用土壤為挖掘機測試作業(yè)對象，因土壤阻力不同將造成測試結(jié)果差異比較大。

經(jīng)過反復比較，決定測試作業(yè)對象使用生產(chǎn)混凝土用的建筑碎石，具有良好級配的粒徑10～40mm的建筑用碎石是各地常用的建筑材料，其堆積密度一般為1 500～1 800kg/m3。可以保證作業(yè)對象的一致性和可重復性。

建筑碎石較其他物料一致性要好，在各地廣泛使用，且建筑碎石具有一定的挖掘阻力，便于發(fā)揮挖掘機作業(yè)性能，更接近挖掘機真實作業(yè)工況。使用建筑碎石比空載模擬實驗更能反映挖掘機真實性能，較使用其他物料更容易保證測試的可比性。測試場地不一定是專用試驗場，可以是符合測試條件的料場等。

日本建設(shè)機械化協(xié)會(JCMAS)制訂的《土工機械-挖掘機油耗測試標準》（JCMAS H 020：2007）,設(shè)定了挖掘模擬、平地模擬、行走和發(fā)動機怠速4種工況分別測試，然后將這4種工況的測試數(shù)據(jù)按一定的加權(quán)比例計算出挖掘機油耗。但挖掘、平地作業(yè)都是空載模擬動作，沒有實際負載作業(yè)，雖然便于測試操作，剔除了試驗條件的不穩(wěn)定因素，但無法發(fā)揮挖掘機真實作業(yè)性能，挖掘機的控制方式、液壓系統(tǒng)的匹配等良莠得不到體現(xiàn)，不能反映挖掘機實際油耗。

4 油耗測量方法

挖掘機耗油量測量可以使用附加油箱或油耗儀計量。用附加油箱稱量測試前后燃油質(zhì)量之差，應盡量減少油管拆卸過程的燃油損失及稱量過程的外界影響；油耗儀需要保證油耗儀計量精度達到規(guī)定要求，同時需按實測的燃油密度將測得的燃油流量換算為質(zhì)量。

5 測試工況確定

測試采取挖掘機向下挖掘作業(yè)、回轉(zhuǎn)180°、將物料卸載到一定高度處工況。挖掘機停放于物料堆正前方，試驗初始時物料頂面與挖掘機停機面在同一高度平面，物料頂面與挖掘機停機面平齊。測試時，挖掘機挖取物料后，抬起動臂過程中回轉(zhuǎn)180°，將物料卸載到規(guī)定高度的自卸運輸車上，挖掘機工作裝置返回，此為一個作業(yè)循環(huán)。根據(jù)挖掘機大小，規(guī)定了挖掘機最低卸載高度、連續(xù)作業(yè)循環(huán)次數(shù)，參見表1。試驗應在同一地點一天內(nèi)完成。

表1 挖掘機最低卸載高度與作業(yè)循環(huán)次數(shù)

為了規(guī)范、統(tǒng)一，規(guī)定使用節(jié)能模式（經(jīng)濟模式）測試，發(fā)動機以該模式下的額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。沒有設(shè)置節(jié)能模式的單一模式挖掘機，實驗時發(fā)動機應使用額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。挖掘機由制造商選派熟練的司機駕駛。

挖掘機鏟斗大小對測試結(jié)果具有一定影響，為了盡量回避這種影響，規(guī)定使用標準鏟斗進行測試，同時規(guī)定了不同挖掘機所對應的推薦標準鏟斗容量，所用鏟斗不得超過推薦標準鏟斗容量的±7%。如6t挖掘機應使用0.22m3（0.205～0.235m3）的鏟斗測試，20t挖掘機應使用0.88m3（0.82～0.94m3）的鏟斗測試。否則測試出來的數(shù)據(jù)缺乏可比性。可以另外選擇加大鏟斗測試，但只作為參考比較數(shù)據(jù)。

6 評價指標及計算

挖掘機在規(guī)定工況下單位燃油消耗量完成的作業(yè)量即挖掘機能效，以此作為評價挖掘機油耗水平的主要指標。因此需要在測試挖掘機油耗的同時測量裝載的物料質(zhì)量和作業(yè)時間。

為盡量避免測試結(jié)果的偶然性因素影響，需要連續(xù)進行做3個試驗周期測試，每2個試驗周期的挖掘機燃油消耗量之差不大于5%為有效，否則須增加試驗次數(shù)，直至3個試驗周期中每2個試驗周期的燃油消耗量之差小于5%。

6.1 計算公式

挖掘機燃油消耗量G、作業(yè)效率Q、能效E可分別按下列公式計算。取3次有效試驗結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終試驗結(jié)果。

式中 G──挖掘機燃油消耗量，kg/h；

f──規(guī)定作業(yè)循環(huán)次數(shù)的燃油消耗，g；

w── 規(guī)定作業(yè)循環(huán)次下數(shù)挖掘物料的總質(zhì)量，kg；

T──試驗作業(yè)時間，s；

Q──挖掘機作業(yè)效率，t/h；

E──挖掘機能效，t/kg。

6.2 測試舉例

按照本實驗方法，選取6t、6.5t、8t、22t四款挖掘機換用不同斗容的鏟斗進行測試，測試結(jié)果如表2。計算表明，這幾款挖掘機能效值為15～21t/kg之間，較大噸位挖掘機能效值比小型挖掘機能效值高。使用較大斗容的鏟斗雖然燃油消耗量有所增加，但因為裝載的物料質(zhì)量更多，使得能效值表現(xiàn)較好。

7 進一步的研究

通過測試數(shù)據(jù)可計算出挖掘機作業(yè)效率Q、燃油消耗量G及能效E。但仔細分析會發(fā)現(xiàn)，挖掘機能效E只是挖掘機消耗每公斤燃油所完成的物料裝載量，并沒有體現(xiàn)挖掘機作業(yè)效率（生產(chǎn)能力）與油耗的關(guān)系，為比較挖掘機能耗性能的優(yōu)劣常需要比較作業(yè)效率、燃油消耗量、能效等多個參數(shù)，有時也難以衡量其優(yōu)劣。比如2臺同樣是20噸的挖掘機：一臺挖掘機能效值為20.5t/kg，每小時作業(yè)量395t/h；另一臺挖掘機能效值為19.8t/kg，每小時作業(yè)量412t/h。性能優(yōu)異的挖掘機應該是在較高作業(yè)效率前提下油耗較低。不與作業(yè)效率相聯(lián)系的油耗值是沒有意義的（圖1）。很多客戶選擇挖掘機時只考慮油耗高低，而忽略了挖掘機的生產(chǎn)效率問題，是一個誤區(qū)。

表2 四款挖掘機油耗測試及計算示例

表3 挖掘機能效值E與能效評價值K的比較計算

圖1 挖掘機油耗與作業(yè)效率的關(guān)系

為了科學反映挖掘機能耗與作業(yè)能力，使用結(jié)合作業(yè)效率的挖掘機能效評價值K（挖掘機能效E與完成與該機整機質(zhì)量相等的物料作業(yè)量所需時間倒數(shù)的乘積）作為挖掘機油耗評價參數(shù)似乎更為合理。其計算方法見式4，公式中同時修正了不同斗容、不同物料密度對生產(chǎn)效率的影響。

式中 M—挖掘機整機工作質(zhì)量，kg；

V—測試使用的鏟斗容量，m3；

Va—推薦的標準鏟斗容量，m3；

ρ—實測的碎石堆積密度，kg/m3；

ρa—基準碎石堆積密度，ρa=1 650kg/m3;

從表3可以看出，上述舉例中的2臺20噸挖掘機如果只從其能效值E看發(fā)現(xiàn)挖掘機A較好，但比較其K值則發(fā)現(xiàn)挖掘機B更優(yōu)一些，因為挖掘機B作業(yè)效率更高一些。

8 結(jié) 語

《液壓挖掘機燃油消耗試驗方法》的制定遵循了科學性、合理性、實用性、可操作性的原則。本測試方法標準具有測量和計算相結(jié)合、操作性強的特點，相關(guān)工程技術(shù)人員、檢測人員熟悉后能很快上手。

《液壓挖掘機燃油消耗試驗方法》的制定，為液壓挖掘機綠色性能評價工作的開展打下了基礎(chǔ)。液壓挖掘機綠色性能評價應該從能效（E或K）、廢氣排放、噪聲等方面綜合考慮。其中能效（E或K）的優(yōu)劣可作為主要評價指標；噪聲水平的評價應同時考慮機外輻射噪聲與司機位置處的噪聲；廢氣排放應根據(jù)《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法柴油機排氣污染物排放限值》各階段所應該達到的指標進行評判。將以上三方面按其重要程度分配合理的加權(quán)值，即可計算出一款挖掘機的綠色指數(shù)，確定相應的綠色等級。

[參考文獻]

[1] GXB/TY0026-2014，液壓挖掘機燃油消耗試驗方法[S].

[2] JCMAS H 020:2007.土方機械-液壓挖掘機燃油消耗量試驗方法[S].

[3] GB12523-2011，建筑施工場界噪聲限值[S].

（編輯 張海霞）

［基金項目］國家“十二五”科技支撐計劃項目綠色建造與施工協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(2012BAJ03B01)

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)04-0032-04

［收稿日期］2015-03-02

Fuel consumption test and environmental performance evaluation of hydraulic excavator