液壓挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)內(nèi)油耗量化方法研究

韋俊茂 蘇永志 肖青松

摘要：為了識(shí)別液壓挖掘機(jī)作業(yè)過程的能量消耗分布情況，根據(jù)挖掘機(jī)的作業(yè)過程將挖掘機(jī)的作業(yè)循環(huán)分為4個(gè)階段，提出可以量化每個(gè)階段油耗的方法。通過分析挖掘機(jī)的作業(yè)狀態(tài)和各個(gè)階段的耗油比例，可為油耗優(yōu)化提供方向，縮短能耗調(diào)試周期。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī);油耗;作業(yè)循環(huán)

0 ?引言

挖掘機(jī)使用成本中，燃油消耗費(fèi)用約占30～40%，挖掘機(jī)燃油消耗量是衡量挖掘機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)在用機(jī)器技術(shù)狀況的性能參數(shù)，越來越受用戶的關(guān)注[1]。隨著市場競爭的加劇，對(duì)液壓挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究越來越迫切。

人們通常以單位小時(shí)消耗的燃油體積及單位時(shí)間內(nèi)的裝載重量，即油耗及作業(yè)效率來評(píng)價(jià)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能性，但油耗及作業(yè)效率僅是一個(gè)測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果很難直接找出造成產(chǎn)品節(jié)能性差異的原因，使得調(diào)試優(yōu)化工作不易找到準(zhǔn)確方向，非常耗時(shí)耗力[2]。本文基于一種高精度油耗儀，實(shí)時(shí)采集挖掘機(jī)的油耗曲線，并使用傳感器對(duì)挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)的各個(gè)階段進(jìn)行識(shí)別，從而將挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)各個(gè)階段的油耗情況進(jìn)行分離，得出不同階段的油耗占比情況，為油耗優(yōu)化提供方向。

1 ?油耗測量原理

常用的油耗測量方法有附加燃油箱法和油耗儀測試法，要對(duì)挖掘機(jī)作業(yè)過程各個(gè)階段的油耗情況進(jìn)行測試，附加燃油箱法顯然不能滿足試驗(yàn)要求，所以需采用油耗儀測試法，其連接示意圖如圖1。

本文中使用的油耗測量設(shè)備為GREGORY FCS-D油耗儀，該油耗儀將挖掘機(jī)油油路分為油箱回路和發(fā)動(dòng)機(jī)回路。油箱回路在油耗儀內(nèi)置燃油泵的帶動(dòng)下在建立壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，消耗發(fā)動(dòng)機(jī)回路內(nèi)燃油，油箱回路燃油流經(jīng)傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)回路進(jìn)行補(bǔ)充，流經(jīng)傳感器的燃油量即為發(fā)動(dòng)的燃油消耗量。油耗儀燃油流動(dòng)原理圖見圖2。

油耗儀內(nèi)置傳感器由4個(gè)柱塞和1個(gè)曲軸組成，4個(gè)柱塞通過連桿偏心安裝在曲軸上面，其結(jié)構(gòu)見圖3。已知柱塞的截面積及行程，由此可以計(jì)算柱塞單工作循環(huán)的注油量，通過測量所有柱塞的工作循環(huán)數(shù)即可計(jì)算出通過傳感器的燃油體積。由于各柱塞工作過程完全相同，以柱塞3為例說明傳感器的工作過程：曲軸從位置4向位置1轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞4向左移動(dòng)，柱塞3進(jìn)油口打開，燃油進(jìn)入柱塞3缸體內(nèi);曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞3繼續(xù)上行并持續(xù)注油，直至到達(dá)位置2，柱塞3進(jìn)油口完全關(guān)閉，注油完成;曲軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于柱塞4向右移動(dòng)使柱塞3的進(jìn)油口與出油口聯(lián)通且柱塞3向下移動(dòng)，燃油從出油口排出，直至達(dá)到位置4進(jìn)油口重新關(guān)閉，完成一個(gè)工作循環(huán)。由此可見，曲軸每旋轉(zhuǎn)360°，每個(gè)柱塞都會(huì)完成一個(gè)工作循環(huán)。為了統(tǒng)計(jì)燃油消耗量，需要將曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成電子脈沖，因此在曲軸安裝一個(gè)磁鐵，使用若干個(gè)霍爾傳感器監(jiān)測這旋轉(zhuǎn)的磁場，曲軸每一次完整的旋轉(zhuǎn)都生成固定脈沖數(shù)。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)脈沖，脈沖的總數(shù)乘以體積因子，計(jì)算出的結(jié)果就是傳感器的測量值，試驗(yàn)過程的油耗統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法如下：

式中：Q為燃油消耗量，單位：mL;

t1、t2分別為測試開始和結(jié)束時(shí)間;

f為所采集到的傳感器輸出信號(hào)，單位：Hz;

k為油耗儀參數(shù)，單位：Hz/mL。

2 ?挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)分析及數(shù)據(jù)采集方法

液壓挖掘機(jī)的一個(gè)作業(yè)循環(huán)可分為4個(gè)階段：挖掘、提升回轉(zhuǎn)、卸載、空斗返回挖掘位置。

①挖掘階段，斗桿、鏟斗回收且伴有動(dòng)臂提升，直至挖掘完成。該階段以斗桿開始挖掘?yàn)槠瘘c(diǎn)，開始回轉(zhuǎn)為終點(diǎn);②提升回轉(zhuǎn)階段，挖掘機(jī)完成挖掘開始回轉(zhuǎn)并提升動(dòng)臂，同時(shí)為避免物料灑出，斗桿及鏟斗繼續(xù)回收，直至到達(dá)預(yù)定位置。該階段以回轉(zhuǎn)開始為起點(diǎn)，動(dòng)臂停止提升為終點(diǎn);③卸載階段，鏟斗打開，斗桿外擺，直至卸料完成。操作手提高效率，期間可能伴隨回轉(zhuǎn)。該階段以動(dòng)臂停止提升為起點(diǎn)，鏟斗打開完成為終點(diǎn);④空斗返回階段，挖掘機(jī)向反方向回轉(zhuǎn)，動(dòng)臂下降，調(diào)整斗桿及鏟斗油缸使鏟斗到達(dá)下一挖掘位置。該階段以鏟斗打開完成為起點(diǎn)，反向回轉(zhuǎn)停止且下一循環(huán)斗桿開始挖掘?yàn)榻K點(diǎn)。

根據(jù)挖掘機(jī)的作業(yè)循環(huán)，要對(duì)挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)的階段狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，我們必須實(shí)時(shí)采集動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及回轉(zhuǎn)的動(dòng)作狀態(tài)。本文使用拉線式位移傳感器對(duì)動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的位置進(jìn)行監(jiān)控，采用陀螺儀對(duì)整機(jī)的回轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

3 ?作業(yè)過程油耗篩分方法

實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)過程各階段的油耗的篩分，需要所有信號(hào)隨挖掘機(jī)作業(yè)同步完成，本文使用數(shù)據(jù)采集儀的上述信號(hào)進(jìn)行采集，采集過程對(duì)油耗儀的脈沖信號(hào)按公式（1）進(jìn)行積分計(jì)算，數(shù)據(jù)示例見圖4。

圖4為若干個(gè)作業(yè)循環(huán)的測試數(shù)據(jù)，通過識(shí)別動(dòng)臂、斗桿、鏟斗及回轉(zhuǎn)的位移動(dòng)作狀態(tài)，讀取循環(huán)開始、結(jié)束時(shí)的累積油耗，兩者的差值即為單個(gè)循環(huán)的油耗量。按照同樣的方法，也可以根據(jù)挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)內(nèi)動(dòng)作的劃分，識(shí)別單個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)各個(gè)階段的油耗量，階段劃分示例見圖5。

4 ?測試實(shí)例

以某型液壓挖掘機(jī)為例，按照上述方法進(jìn)行油耗測試。為確保作業(yè)對(duì)象的一致性及重復(fù)性，根據(jù)吳學(xué)松[3]的研究，選擇建筑碎石作業(yè)對(duì)象。挖掘深度、挖掘高度按日本建設(shè)機(jī)械化協(xié)會(huì)（JCMAS）制訂的JCMAS H020：2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，提升回轉(zhuǎn)的角度為90°，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，某型液壓挖掘機(jī)在本工況下的平均循環(huán)時(shí)間為10.65s;單個(gè)作業(yè)循環(huán)的平均油耗為53.5mL;各階段用時(shí)比例分別為：20.99%、42.49%、13.98%、22.54%，耗油比例分別為：19.16%、52.88%、12.61%、15.35%。根據(jù)工況分析可知：由于試驗(yàn)使用的物料為建筑用碎石，挖掘機(jī)阻力較小，挖掘階段耗油比例為19.16%;提升回轉(zhuǎn)階段整機(jī)需要克服慣性回轉(zhuǎn)并提升物料，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大，耗油比例高達(dá)52.88%;卸載及空斗返回階段發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷均較低，耗油比例也較低，各個(gè)階段的耗油比例合理。可見，測試結(jié)果與實(shí)際情況相符，本方法能有效識(shí)別工作循環(huán)內(nèi)各個(gè)階段的燃油消耗情況。

5 ?結(jié)語

本文研究一種液壓挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)內(nèi)油耗量化方法，能準(zhǔn)確測量挖掘機(jī)不同作業(yè)階段的油耗情況，方法經(jīng)驗(yàn)證切實(shí)可行。方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)不同階段作業(yè)階段用時(shí)比例的測量、單循環(huán)時(shí)間和油耗的測量。能為挖掘機(jī)作業(yè)效率優(yōu)化、油耗調(diào)試提供方向，也可以用于挖掘機(jī)鏟斗節(jié)能性評(píng)價(jià)等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王飛，楊曉磊，張會(huì)明.噴油脈寬法測量液壓挖掘機(jī)燃油耗量研究[J].建筑機(jī)械化，2017（2）.

[2]陳健，高聚瓊，毛明秀.液壓挖掘機(jī)作業(yè)效率量化方法研究[J].工程機(jī)械，2017（10）.

[3]吳學(xué)松.液壓挖掘機(jī)油耗測試與綠色性能評(píng)價(jià)探討[J].建筑機(jī)械化，2015（4）.

作者簡介：韋俊茂（1985-），男，廣西都安人，工程師，從事挖掘機(jī)試驗(yàn)研究。