挖掘機節能液壓控制系統的應用研究

張佳楠

（濟寧邁斯伯爾機械股份有限公司，山東 濟寧 272000）

液壓挖掘機系統主要包括電源系統、液壓系統、傳動系統以及行走系統，這些系統之間能夠相互作用，操作人員就能夠通過改變挖掘機的位置及狀態，對各項工程作業進行調整優化，但液壓挖掘機控制系統在實際應用過程中，還存在能源消耗以及無功功率損失等一系列問題，這就需要操作人員明確挖掘機節能液壓控制系統的應用，明確節能液壓系統的發展趨勢，最大程度降低液壓挖掘機的能源浪費，真正實現液壓挖掘機應用的節約能源和降低排放，進而提升挖掘機節能液壓控制系統的可靠性以及液壓元件的使用壽命。

1 挖掘機能耗分析

我國現階段，很多工程項目中都開始廣泛應用挖掘機，然而，挖掘機前期設備質量可移動的能量臂在實際工作過程中，容易產生極大的能量損失及損耗，挖掘機液壓機構也會被轉換成油溫升高，面對這樣的情況，挖掘機的運作效率和質量也會降低，甚至會影響挖掘機的使用壽命和期限，再加上挖掘機的大范圍使用，各行業中大部分土渣都需要借助挖掘機進行處理，這就會造成挖掘機的燃料消費比較高，尾氣排除更加劣質，直接引起了挖掘機行業對該問題的重點關注。某機械制造企業在實際發展中對能源利用液壓挖掘機能量利用數據進行了公布，可以看出大型挖掘機在其中僅占據20%的可利用能源，這就說明挖掘機在實際運用過程中，能耗不能被完全利用，挖掘機運用時，大部分能量主要損失在液壓系統中，液壓系統的能源利用率大約在30%，這就表示，液壓系統能源利用是導致挖掘機運用效率和質量比較低的主要原因。

1.1 溢出損耗

挖掘機液壓系統中出現溢出現象的根本原因就在于過載，如果挖掘機泵的壓力超過設計壓力的安全閥值，就會在挖掘機液壓系統的薄弱環節出現溢出現象，進而引發挖掘機的能量損耗。

1.2 沿程損失

沿程損失指的是沿油路受阻力產生的損耗。挖掘機液壓系統在實際應用過程中，由于黏滯摩擦對壓力的產生的損失，就會產生一定損耗，雖然這種損耗不可避免，但這種損耗能夠通過挖掘機設計管道壓力損失和優化工作減少。

1.3 匹配損失

由于挖掘機出現的負載損耗，挖掘機在進行操作作業的過程中迅速頻繁變壓，尤其是對小裝載的挖掘機來說，如果在其高速運作下，帶來的損耗更大，這就需要相關工作人員能夠通過可行性的快速反應模型，對損害進行有效控制，例如，負載敏感系統的控制。

1.4 動能和潛在勢能損耗

動能和潛在勢能產生的能源損耗，主要表現在操作人員在操作挖掘機臂以及鏟斗桿的反應，尤其是對于一些大型挖掘機的運作來說，由于挖掘機臂的質量過大且比較笨重，這就使得其動能和潛在勢能主要出現在操作過多的情況下，這就使得做好動能和潛在勢能節能改造措施具有十分重要的現實意義。

2 挖掘機節能液壓控制系統工作原理

2.1 液壓挖掘機負流量控制

液壓挖掘機負流量控制指的是液壓泵的實際排量隨著壓力信號的增加而減少，這就表示排量輸出與壓力控制成反比狀態。液壓挖掘機負流量控制操作能夠有效降低主控制閥門在中位時出現的液壓泵流量損失現象，確保液壓泵的實際輸出流量能夠嚴格按照相關工作人員的操作提供，有效避免傳統的液壓挖掘機在實際運用過程中，出現系統發熱現象與溢流損失的問題。負流量控制的不足就在于六通多路閥死區比較大且調整速度的范圍受到局限，直接造成挖掘機在實際運用過程中受到負載影響比較大。其主要工作原理就是在多路換向閥中位回油的通道上，設置一個節流口，確保油液在經過節流口的過程中能夠產生壓差，進而將節流口前的壓力轉移大液壓泵變量機構，從而有效控制液壓泵的實際排量。一般來說，節流口前后壓差由節流閥的特性方程式：

式中，△p 表示多路轉向閥中位回油節流口的前后壓差（Pa）；P1表示多路轉向閥中位回油節流口的前壓力（Pa）；q 則表示通過回油節流口的流量（m3/s）。

在液壓挖掘機負流量控制過程中，如果工作人員從回路中多路轉向閥各聯閥芯均處于中位期間，液壓泵的全部流量出現了卸荷的現象，那就表示通過節流口的流量q 已經達到了最大數值。并且，根據列式中的△p=△p__（該數值主要由與節流孔并聯的溢流閥進行調定），p 主要表示控制油路的壓力，如果將其能夠提高至最大值△pm，就能夠有效減少主泵的實際排量。同時，如果多路換向閥的任意一聯處于最大開度，液壓泵輸出的流量基本就會全部流入相應的執行元件中，而通過節流口的回油量也會逐漸變小，甚至趨近于0。面對這樣的情況，△p=△p__≈0，油路壓力就會控制在p ≈△pmm，面對這樣的情況，挖掘機主泵的排量就能夠自動增大，直至滿足當前條件下挖掘機的實際作業速度和作業需要。需要注意的是，如果多路換向閥的開度在中位以及最大開度之間微動，變量泵的控制壓力p 就會在△pm △～△pm，挖掘機液壓泵的排量也會在最小數值排量以及最大數值排量之間變化。需要注意的是，p 越大，挖掘機液壓泵的排量越小，p 越小，挖掘機液壓泵的排量越大，也就是說，挖掘機液壓泵的控制壓力與液壓泵的排量成反比表示。

2.2 液壓挖掘機正流量控制

隨著時代的進步和發展，液壓挖掘機在實際發展過程中出現了正流量控制。液壓挖掘機正流量控制主要指的是用先導壓力直接控制液壓泵的排量，液壓機中的先導壓力越大，液壓泵的排量就越大。為液壓挖掘機正流量控制的原理圖，在液壓挖掘機正流量控制系統中，操作人員可以充分利用梭閥組對a1、b1、a2、b2等數值實施檢測，并將各先導控制壓力中的最高壓力作為控制壓力，使其能夠送入液壓泵變量機構，從而達到有效控制液壓泵排量的目的。

一般來說，液壓挖掘機正流量控制系統操作手柄的先導壓力，不僅具備調節液壓泵排量的特點，還需要控制換向閥的特點。所以，在液壓挖掘機執行元件不工作的過程中，由于液壓泵上缺乏先導壓力，使其斜盤擺角呈現最小數值，液壓泵在實際運行中就會輸出較少的備用流量，這種方式能夠有效消除挖掘機實際運行中的空流損失。并且，相關工作人員要想更好地液壓挖掘機正流量控制系統的操縱先導手柄，就需要在液壓先導回路中，建立一個與操作手柄偏轉量成比例的壓力，有效控制換向閥閥芯位移與液壓泵排量，如果液壓泵流量與執行元件的工作速度、控制壓力等因素能夠正比現實，就可以最大程度降低旁路節流產生的損失。液壓挖掘機正流量控制系統相對負流量控制系統而言，具備更好的節能作用和效果，響應時間和速度也更短，能量波動更小、操作性更好，能夠有效實現對液壓泵的控制。然而，液壓挖掘機正流量控制系統在實際運用過程中還具有結構復雜且成本比較高等劣勢。

2.3 液壓挖掘機負載敏感系統

液壓挖掘機負載敏感系統的運用起源于20 世紀歐洲，因為其顯著的節能效果，被廣泛應用于中小型挖掘機中。液壓挖掘機負載敏感系統在執行機構同時工作時，其流量的供給只與操縱手柄的開度相關，與負荷大小無關，這就使得液壓挖掘機負載敏感系統的作業可控性非常強。從液壓挖掘機負載敏感系統實際運用過程中，節流孔的流量特性方程0=KA √△p 可見，通過節流孔的流量Q，可以作為開口面積A 以及壓差△p 的函數，如果Ap 能夠保持在不變的狀態，流量Q 就不會受到負荷變化的影響，主要與開口面積相關，就是負載敏感控制的基本原理。

圖1 中壓力補償閥的工作原理如式所示：PDP1=A=4p=const

圖1 負載敏感控制原理圖

式中，Po 指的是液壓泵出口壓力（Pa），P1指的是負荷壓力（Pa），F 指的是彈簧力（N），A 指的是壓力補償閥的開口面積（m2），△p 指的是節流孔前后壓差（Pa）。彈簧力直接決定了在節流孔A 處的壓差△p能夠保持恒定不變。如果操作人員將進入執行元件的流量Q 正比于節流孔面積A1，那多余的流量就會通過壓力補償閥，直接返回到油箱中，進而保持了△p 的恒定不變特性。一般來說，完全負荷傳感系統主要由負荷傳感控制閥以及負荷傳感控制變量液壓泵兩個部分組成。

對于LS 系統來說，負載壓力會與液壓泵出口壓力比較，能夠有效帶動液壓泵的變量機構，且如果有多個執行元件，相關工作人員就可以借助梭閥工具，將最大負載壓力與液壓泵出口壓力比較，帶動泵的變量機構動作，最大程度改變液壓泵的排量。LS 系統在實際運用過程中，不僅能夠達到節能的目的，還能夠有效解決滑閥的微調性能以及復合操作性能。而在整個滑閥行程中，液壓泵的流量基本與執行元件的流量相等，基本不過產生過多的流量損失。然而，普通LS 系統有一個非常明顯的缺點，如果LS 系統發生飽和，執行元件的流量需求大于液壓泵供油時，就不會再進行流量的分配，這種流量飽和的現象會直接影響高負載聯，甚至造成高負載聯的速度持續性降低，嚴重影響了LS 系統的工作。

3 液壓挖掘機節能控制方法

3.1 液壓系統的節能控制

從挖掘機節能液壓控制系統的應用來說，液壓系統節能控制工作主要體現在對液壓泵的節能控制上，這種有效的控制不僅能夠提升泵自身的質量，還能夠有效調整泵的流量。一般來說，液壓泵自身質量問題屬于一種硬件性問題，這就需要相關工作人員立足科技發展，積極探索液壓泵運用過程，全面提升液壓泵的運用質量和效果。需要注意的是，控制泵流量的方式有很多，例如，正流量控制回路、負流量控制回路以及負荷控制等方式，在這些控制方式中最有效的是極限負荷控制，這種極限負荷控制能夠確保發動機的功率得到充分的利用，避免發動機處于一種超負荷的狀態，極限負荷控制在液壓挖掘機運行過程中非常重要。此外，工作人員還需要在應用極限負荷控制方式的過程中，充分協調液壓系統中多泵消耗的功率，確保發動機能夠在接近額定功率的范圍內運行。

3.2 發動機與液壓系統聯合節能控制

為了更好地實現挖掘機的液壓節能控制目標，相關工作人員需要基于理論角度，確保發動機輸出功率與液壓泵吸收功率相符，使發動機內的燃料能夠得到充分的燃燒，在降低挖掘機運行成本的同時，減少發動機與液壓泵的實際工作強度，降低能源的損耗，從而達到延長發動機使用壽命的目的，最終改善挖掘機的整個動力系統，加強挖掘機工作的安全性、可靠性以及抗干擾性。此外，我國現階段很多液壓挖掘機在實際運行過程中，需要根據挖掘機的實際運行情況確定其工作負荷，這就導致液壓挖掘機的實際工作負荷變化比較大，相關工作人員就需要采用大功率發動機滿足其負荷需求。

3.3 發動機與變量泵的匹配控制

一般來說，液壓挖掘機工作環境與工作目標具有較大差異，且這種不同的工作環境決定了挖掘機對發動機功率的實際需求。所以，在液壓挖掘機實際工作過程中，還需要設定好發動機功率，避免因為設定的功率過大導致能源浪費，而如果功率設定過小，也會而影響液壓挖掘機的正常作業。因此，在液壓挖掘機在實際運行過程中，操作人員需要根據使用場地和實際需求的不同，選擇合適功率及模式，確保發動機的輸出功率與實際需求功率相符，最大程度避免發動機功率的浪費及消耗，全面提高能量的利用效率，降低降低燃料損耗，節約成本，減少對環境的污染。

4 結語

綜上所述，提高液態挖掘機的能量利用率對各行業發展及節能控制系統研究非常重要，通過分析液壓挖掘機能量損耗，明確液壓挖掘機的工作原理，相關工作人員提出了液壓系統的節能控制、發動機與液壓系統聯合節能控制、發動機與變量泵的匹配控制等多種液壓挖掘機節能控制的方法，以期能夠提升挖掘機能量的利用率并減少挖掘機的燃油成本，從而加強挖掘機發動機的性能，這對于我國研究挖掘機節能液壓控制系統具有重要的意義。