分工況節能控制在單斗液壓挖掘機系統中的應用

嚴希清

摘 要：為更有效控制單斗液壓挖掘機設備在運作過程中能量損失，同時減少系統發熱，使工作性能得到一定的改善，采用分工況節能控制系統設計。本方法通過傳感器將挖掘機負荷傳到微機，微機對挖掘機的工作狀態進行判斷，在此基礎上對發動機進行控制，最終實現節能的目的。

關鍵詞：單斗液壓挖掘機；分工況節能；控制系統

0 引言

作為一種重要的工程機械，單斗液壓挖掘機具有應用范圍廣，作業靈活等特點。其能量損失主要是由于作業環境較為復雜，負荷變化頻率快，變化范圍較大。挖掘機發展的方向之一就是對能量損失的控制。隨著電子及單片機技術在控制領域的廣泛應用，液壓挖掘機與電子、信息處理、預警技術等有機結合在一起。從而實現了對設備自動控制，故障診斷，在達到節能目的的同時也能夠降低工作人員勞動強度，工作效率也會相應提升。

1 單斗液壓挖掘機工況分析

單斗液壓挖掘機作為一種多功能機械，涉及到的作業內容較多，如挖溝、裝修、填埋、裝土、破碎、搬運、平地等。作業對象的土質變化范圍也比較大，如松砂土，軟性土，砂礫原石，軟巖等。在不同的作業環境下，其使用要求與方式也不一樣，在強調經濟性時，對工作效率的要求就不會突出，通常是進行一般性的裝土和挖掘作業。在作業環節中也會存在精細化作業。分工況控制的目的就在于適應不同的作業環境。

在重負荷狀態下，為了保證完成作業量，發動機處于最大的轉速狀態。適用情況一般是調整強力挖削，行走。在進行一般作業時，只需要將發動機功率控制在一定范圍內，通常情況是發揮88%的最大功率。此種情況下對工作效率沒有太大要求，工作速度也較緩慢，該工況主要是為了減少噪音及油耗，系統也處在經濟匹配工作狀態，是常用的工作檔，同時也是經濟動力檔。

在輕作業情況下，發動機的功率要比一般作業時功率低，大約保持在50%～70%范圍內。在該種工況下，主要用于提升工作的精度，進行微調與精細化作業，并且在狹窄區域內安全性也有一定保證，噪音也會相應的降低。

最低怠速工況。該種工況下主要應用于暫停作業。

2 單斗液壓挖掘機在作業過程中的能量損失分析及解決方案

設備在工作過程中存在的能量損失主要發生在液壓油傳遞環節。該環節損失主要由兩個部分組成。其一是油通過管道，在輸送過程中產生的沿程損失。其二則是在進行某些精細化作業過程中，液壓油流經節流閥時存在的能量損失。前者是工作中難以避免的。后者則是因為在精細作業時，為了控制作業速度，工作人員往往會打開部分控制閥，控制閥在部分開啟狀態下，油在通過節流閥時會產生節流損失；油泵的供給量大于需要的進行油量時，控制閥與油泵之間的壓力會持續升高，升高到一定程度時，溢流閥就會開啟，多余的高壓油就會從溢流閥流走，會產生溢流損失。對于該問題的解決，可以采用計算機對液壓系統壓力進行檢測，將檢測結果送入計算機分析處理后，計算機對發動機發出轉速控制信號，當系統壓力值接近或者達到溢流閥開啟壓力值時，控制系統將會降低發動機轉速。而當轉速降低到了系統設定范圍內并且依然存在溢流時，系統就會發出警報。當壓力恢復到設定的最大壓力值范圍內，發動機在控制系統的作用下又會恢復到最初轉速。這樣處理后可以將溢流損失降到最低，從而實現節能目的。

3 節能控制系統硬件設計實現

為了便于在原有的設備上實現節能控制，控制系統是在不改變液壓系統及發動機內部結構基礎上進行的。硬件的結構如圖2所示。

從圖中可以看出，在控制系統中，硬件系統主要包括了單片機處理器，采樣電路，放大電路，拓展電路及其它相關的組成部分。控制系統以液壓系統壓力為判斷信號，對設備的工作狀態進行判斷，從而對步進電機進行控制。液壓系統的壓力經過采樣輸入到單片機，經過分析判斷發出相應的指令。

在系統可靠性與安全性方面，電機與主板電路都采用的是同一型號的光電耦合器，共有三路對電機的繞組進行驅動。

4 系統軟件設計

為了實現電機變化隨負載變化，軟件組成主要主程序、測速、測壓、濾波、步進電機控制程序組成。

設備電源接通后，首先進行初始化工作，如清零等。之后對液壓系統的壓力進行判斷，依據判斷結果，控制系統進行與之相應的操作。在工作過程中也可以進行手動操作。

5 節能實現與原理

依據實際工作情況，設置相由應的工作模式，通過計算機對發動機進行控制，使其保持在一定轉速內，由于全功率變量泵的吸收扭矩沒有發生變化，發動機的功率與設定轉速成正比，從而達到節能的目的。

空載時自動怠速控制。操縱閥在中位時，控制系統將油門關小，從而使發動機進入到怠速狀態。而控制系統則對設備載荷進行監控，在超過了預定值時，系統就會控制發動機將其恢復到設定值。

溢流控制。溢流閥開啟的壓力小于液壓系統的壓力時，就會出現溢流損失。在損失控制方面，當系統檢測到溢流閥壓力小于出油壓時，就會控制發動機將轉速恢復到一定范圍內，從而減小損失。而當系統的壓力小于設定的壓力值時，系統控制發動機恢復到預定值。

節能原理主要是在不同轉速條件下，與之對應的最低油耗點扭矩是不同的，每一個扭矩都有與之相對應的轉速，并且在該扭矩下，油耗最低。而在空載的時候，發動機處于怠速工作狀態，節能效果也比較明顯。在超載的時候，通過減小溢流損失也能夠達到節能的目標。

6 結束語

控制系統采用了單片機技術，該技術具有體積小，控制準確，操作靈活方便等特點。而在抗干擾性方面，由于采用了濾波，光電隔離等措施，其抗干擾的能力有了相當大的提升，具有一定的經濟與社會效益。

參考文獻

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