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摘要：为使液压挖掘机在负载多变条件下节能降耗，需使发动机与变量泵系统实现功率匹配。因此，文章通过对液压挖掘机动力系统功率匹配及其节能控制进行综合的分析。
关键词：液压挖掘机；功率匹配；节能控制
中图分类号： S222 文献标识码： A
引言
液压挖掘机在建筑施工、矿山采掘、交通运输等各类工程实践中有着广泛的应用，但是挖掘机的作业环境比较恶劣，负载变化大，发动机经常在偏离额定经济油耗区作业，在作业过程中经常会出现发动机输出功率不能完全被变量泵吸收或者发动机输出功率不能满足变量泵所需求功率的现象，并且经常还存在超载失速和过热等故障现象，造成操作员设定的工作模式与实际作业工况功率不匹配，使燃油消耗率升高，影响整机的工作效率。
一、动力总成功率匹配控制策略
（一）动力总成功率匹配原理
液压挖掘机的工况模式一般有重载、中载和轻载模式等，而其在作业过程中发动机的工作点经常会偏离节能经济油耗区域，使发动机转速不断波动，造成了燃油损失，影响了整机的工作效率。根据液压挖掘机的结构组成原理，可知动力总成和液压系统各部分的组成及能量传递的途径，如图1所示。
图1动力总成与液压系统组成部分的简化模型
由图1可知，发动机与变量泵是通过联轴器直接连接的，则发动机转速与变量泵的转速相等。当不考虑联轴器传递时造成的能量损失时，发动机的输出功率与变量泵的吸收功率相等，此时整个动力系统无能量损失。而动力总成中变量泵输出压力与负载压力大小有关，通常情况下压力和排量乘积的变化影响了功率的变化，使得发动机的输出功率不能被充分吸收，造成发动机的工作点偏离发动机节能经济油耗区域，油耗损失会增加。当不考虑机械传动时的能量损失时，得到了动力总成的功率匹配方程如式（1）、（2）和（3）所示。
发动机的输出功率为N1=M1n1（1）
变量泵的吸收功率为N2=P2Q2=P2qn2=M2n2（2）
功率匹配方程为N1=M1n1=N2=P2qn2=M2n2（3）
N1——发动机输出功率；
n1——发动机转速；
N2——变量泵入功率；
P2——变量泵出口压力；
Q2——变量泵输出流量；
q——变量泵排量；
M1——发动机输出转矩；
M2——变量泵的输入转矩。
n2——变量泵转速；
由式(3)可知，当负载压力不断变化时，也就是变量泵的输出压力P2发生改变，可以实时调节变量泵的排量q，使变量泵的吸收扭矩M2保持固定，使其和发动机的输出扭矩M1大小相等，因而使发动机转速控制在设定转速附近，也就实现了发动机和变量泵的功率匹配。
二、液压马达驱动与回转电机辅助驱动两种工作模式下的切换策略
在回转电机和回转马达共同驱动回转系统过程中，超级电容所提供的电压并不是时刻都能时回转电机处于对外输出转矩的状态，在电压低于某一个值时，回转电机甚至会从回转机构吸收转矩，此时系统不仅不会节能，反而还会增加能耗，为了避免此现象的发生，就需要找出这个临界电压UL，当超级电容电压低于UL时，断开离合器15，断开回转电机与回转机构的联接。
若要让回转电机向回转机构输出转矩，则就要保证回转电机空载时启动的角加速度大于回转机构要求的启动角加速度。
即，当满载回转时
当空载回转时
Tst——回转电机启动转矩
bm——回转系统粘性摩擦系数
w——回转机构回转转速
Tf——回转机构摩擦转矩
J满——回转机构满载转动惯量
J空——回转机构空载转动惯量
i——回转减速比
三、回转部分的动力分配控制策略
在液压挖掘机工作装置节能系统中，回转机构是此系统中的能量再利用部分，其动力源除了液压马达之外，还增加了回转电机，其具体的工作原理是：当动臂回收系统回收回来一定能量后，该能量以电能形式预先储存在超级电容中，待回转机构工作时释放给回转电机用于辅助驱动回转机构。
由于挖掘机在实际工作中不一定按标准工作循环进行工作，动臂回收系统回收的能量很难保证在每个工作循环中都相等，回转机构每个工作循环的回转角度、回转次数也不一定相同，所以也就不能保证该系统超级电容在每个工作循环始末电压都相同，同时也就不能保证回转电机的输出转矩在每周期内都相同，若要保证回转机构的回转动作稳定，就存在着回转马达和回转电机之间的动力分配问题。为了解决此问题，本小结制定了回转马达和回转电机之间动力分配策略。
此系统中，回转部分由回转电机和液压回转马达共同驱动，回转电机的输出转矩取决于超级电容当前电压，而回转马达的输出转矩则取决于回转比例溢流阀当前的调定压力。为了保证回转机构以设定的最佳转速和最佳角加速度进行工作，所以以超级电容电压信号U为控制信号，控制回转比例溢流阀的溢流压力P1，从而控制回转电机与液压回转马达之间的转矩分配。
四、节能软件设计
控制器软件是基于CoDeSys(controlleddevelop-mentsystem)软件编程的。CoDeSys是可编程逻辑控制器PLC的完整开发环境它支持IEC61131标准所描述的所有语言编程，包括:指令表、结构文本、顺序功能流程图、功能模块图、梯形图等，编程简便。
（一）主程序软件设计
主程序流程图如图2所示：
图2控制软件主程序流程图
软件采用模块化编程。参数初始化模块主要实现EZPROM中参数的读取、参数掉电存储功能。CAN通信模块主要用来实现控制器和显示器之间的数据通信，包括控制器向顯示器发送整车状态信息的CAN发送模块和显示器向控制器发送包括改变动力模式命令等在内的CAN接收模块。当控制器接收到显示器发送动力模式改变的命令时，则对当前模式进行改变。油门控制模块主要实现根据油门旋钮设定的空载转速来控制发动机转速的功能。功率匹配模块用来实现发动机一泵功率匹配控制功能。
（二）油门控制模块软件设计
油门控制模块首先根据动力模式和油门旋钮的挡位位置，确定当前挡位的空载设定转速。其次根据发动机空载设定转速与油门拉杆位移(实际上也就是直线电机的反馈位移)的对应关系，确定空载设定转速与对应的直线电机目标位移值。控制器根据当前的直线电机实际位移值与目标位移值的差值，利用PID控制算法驱动直线电机转动，进而控制发动机转速。软件流程图如图3所示。
图3油门控制模块软件流程图
图3中，X1为怠速转速；X2，X3，X4分别为3种模式对应的空载设定最高转速。油门旋钮位移确定以后，将油门旋钮位移的变化范围和空载设定转速范围进行线性化处理，并以当前油门旋钮位移作为输入，计算对应的空载设定转速set_speed。然后根据油门标定产生的发动机转速与油门拉杆位移的数组关系，以空载设定转速set_speed作为输人，计算对应的油门位移目标值dianji_mubiao_wj。以油门实际位移与目标位移的差值进行PID控制，控制油门位移，进而控制发动机转速。
五、液压挖掘机节能控制器
（一）系统采用的关键技术
1.CAN通讯
CAN协议中每一帧的数据量都不超过8个字节，以短帧多发的方式实现数据的高实时性，CAN总线的纠错能力非常强，从而提高了数据的准确性；同时CAN总线的速率可达到1Mbit/s，是一个真正的高速网络。
（二）发动机输出功率控制
1.油门电机控制
挖掘机上一般采用自动油门马达，其结构由直流电机和电位器组成。下文中油门电机里的电位器统称为油门电位器。本设计通过操作电位器来识别油门电机的目标开度，由单片机通过SPI与TLE6209通讯来控制油门电机转到预定位置。为了使油门电机能尽快响应和精确定位，程序中加入了加速和减速的控制算法，再通过油门电位器的反馈和发动机实际输出功率对比来实现精确调节。
2.防熄火功能
当发动机在转速低于自动待机转速时，动臂时极有可能使发动机熄火。为了防止发动机熄火，检测到此情况，控制器会自动将发动机转速提升到待机转速。如果还不能达到相应的功率需求，控制器就会减小比例阀电流输出，使发动机不至于熄火。
结束语
对于液压挖掘机自身可靠性和寿命而言，持续低的能量利用率会导致大多数能量转换成热能而耗散到液压挖掘机的传动系统中，使系统升温。而温度对液压系统的影响尤为敏感，高温会使液压油的粘度下降，增加液压系统的泄漏量，从而近一步影响液压系统的效率。高温还会使某些液压元件加速老化，从而降低系统的可靠性和整体寿命。因此，液压挖掘机的节能研究具有非常深远的意义。
参考文献：
[1]滕达,岳萍,贾军池,贾洪云.重型工程装备液压驱动系统的匹配控制[J].专用汽车,2013,01:87-89.
[2]李少波,陈伟兴,陈应强.液压挖掘机电子监控节能系统的研究设计[J].贵州大学学报(自然科学版),2013,04:58-61.
[3]陈步童.叉车液压系统能耗分析及节能控制技术研究[J].中国农机化学报,2013,05:178-181.
关键词：液压挖掘机；功率匹配；节能控制
中图分类号： S222 文献标识码： A
引言
液压挖掘机在建筑施工、矿山采掘、交通运输等各类工程实践中有着广泛的应用，但是挖掘机的作业环境比较恶劣，负载变化大，发动机经常在偏离额定经济油耗区作业，在作业过程中经常会出现发动机输出功率不能完全被变量泵吸收或者发动机输出功率不能满足变量泵所需求功率的现象，并且经常还存在超载失速和过热等故障现象，造成操作员设定的工作模式与实际作业工况功率不匹配，使燃油消耗率升高，影响整机的工作效率。
一、动力总成功率匹配控制策略
（一）动力总成功率匹配原理
液压挖掘机的工况模式一般有重载、中载和轻载模式等，而其在作业过程中发动机的工作点经常会偏离节能经济油耗区域，使发动机转速不断波动，造成了燃油损失，影响了整机的工作效率。根据液压挖掘机的结构组成原理，可知动力总成和液压系统各部分的组成及能量传递的途径，如图1所示。
图1动力总成与液压系统组成部分的简化模型
由图1可知，发动机与变量泵是通过联轴器直接连接的，则发动机转速与变量泵的转速相等。当不考虑联轴器传递时造成的能量损失时，发动机的输出功率与变量泵的吸收功率相等，此时整个动力系统无能量损失。而动力总成中变量泵输出压力与负载压力大小有关，通常情况下压力和排量乘积的变化影响了功率的变化，使得发动机的输出功率不能被充分吸收，造成发动机的工作点偏离发动机节能经济油耗区域，油耗损失会增加。当不考虑机械传动时的能量损失时，得到了动力总成的功率匹配方程如式（1）、（2）和（3）所示。
发动机的输出功率为N1=M1n1（1）
变量泵的吸收功率为N2=P2Q2=P2qn2=M2n2（2）
功率匹配方程为N1=M1n1=N2=P2qn2=M2n2（3）
N1——发动机输出功率；
n1——发动机转速；
N2——变量泵入功率；
P2——变量泵出口压力；
Q2——变量泵输出流量；
q——变量泵排量；
M1——发动机输出转矩；
M2——变量泵的输入转矩。
n2——变量泵转速；
由式(3)可知，当负载压力不断变化时，也就是变量泵的输出压力P2发生改变，可以实时调节变量泵的排量q，使变量泵的吸收扭矩M2保持固定，使其和发动机的输出扭矩M1大小相等，因而使发动机转速控制在设定转速附近，也就实现了发动机和变量泵的功率匹配。
二、液压马达驱动与回转电机辅助驱动两种工作模式下的切换策略
在回转电机和回转马达共同驱动回转系统过程中，超级电容所提供的电压并不是时刻都能时回转电机处于对外输出转矩的状态，在电压低于某一个值时，回转电机甚至会从回转机构吸收转矩，此时系统不仅不会节能，反而还会增加能耗，为了避免此现象的发生，就需要找出这个临界电压UL，当超级电容电压低于UL时，断开离合器15，断开回转电机与回转机构的联接。
若要让回转电机向回转机构输出转矩，则就要保证回转电机空载时启动的角加速度大于回转机构要求的启动角加速度。
即，当满载回转时
当空载回转时
Tst——回转电机启动转矩
bm——回转系统粘性摩擦系数
w——回转机构回转转速
Tf——回转机构摩擦转矩
J满——回转机构满载转动惯量
J空——回转机构空载转动惯量
i——回转减速比
三、回转部分的动力分配控制策略
在液压挖掘机工作装置节能系统中，回转机构是此系统中的能量再利用部分，其动力源除了液压马达之外，还增加了回转电机，其具体的工作原理是：当动臂回收系统回收回来一定能量后，该能量以电能形式预先储存在超级电容中，待回转机构工作时释放给回转电机用于辅助驱动回转机构。
由于挖掘机在实际工作中不一定按标准工作循环进行工作，动臂回收系统回收的能量很难保证在每个工作循环中都相等，回转机构每个工作循环的回转角度、回转次数也不一定相同，所以也就不能保证该系统超级电容在每个工作循环始末电压都相同，同时也就不能保证回转电机的输出转矩在每周期内都相同，若要保证回转机构的回转动作稳定，就存在着回转马达和回转电机之间的动力分配问题。为了解决此问题，本小结制定了回转马达和回转电机之间动力分配策略。
此系统中，回转部分由回转电机和液压回转马达共同驱动，回转电机的输出转矩取决于超级电容当前电压，而回转马达的输出转矩则取决于回转比例溢流阀当前的调定压力。为了保证回转机构以设定的最佳转速和最佳角加速度进行工作，所以以超级电容电压信号U为控制信号，控制回转比例溢流阀的溢流压力P1，从而控制回转电机与液压回转马达之间的转矩分配。
四、节能软件设计
控制器软件是基于CoDeSys(controlleddevelop-mentsystem)软件编程的。CoDeSys是可编程逻辑控制器PLC的完整开发环境它支持IEC61131标准所描述的所有语言编程，包括:指令表、结构文本、顺序功能流程图、功能模块图、梯形图等，编程简便。
（一）主程序软件设计
主程序流程图如图2所示：
图2控制软件主程序流程图
软件采用模块化编程。参数初始化模块主要实现EZPROM中参数的读取、参数掉电存储功能。CAN通信模块主要用来实现控制器和显示器之间的数据通信，包括控制器向顯示器发送整车状态信息的CAN发送模块和显示器向控制器发送包括改变动力模式命令等在内的CAN接收模块。当控制器接收到显示器发送动力模式改变的命令时，则对当前模式进行改变。油门控制模块主要实现根据油门旋钮设定的空载转速来控制发动机转速的功能。功率匹配模块用来实现发动机一泵功率匹配控制功能。
（二）油门控制模块软件设计
油门控制模块首先根据动力模式和油门旋钮的挡位位置，确定当前挡位的空载设定转速。其次根据发动机空载设定转速与油门拉杆位移(实际上也就是直线电机的反馈位移)的对应关系，确定空载设定转速与对应的直线电机目标位移值。控制器根据当前的直线电机实际位移值与目标位移值的差值，利用PID控制算法驱动直线电机转动，进而控制发动机转速。软件流程图如图3所示。
图3油门控制模块软件流程图
图3中，X1为怠速转速；X2，X3，X4分别为3种模式对应的空载设定最高转速。油门旋钮位移确定以后，将油门旋钮位移的变化范围和空载设定转速范围进行线性化处理，并以当前油门旋钮位移作为输入，计算对应的空载设定转速set_speed。然后根据油门标定产生的发动机转速与油门拉杆位移的数组关系，以空载设定转速set_speed作为输人，计算对应的油门位移目标值dianji_mubiao_wj。以油门实际位移与目标位移的差值进行PID控制，控制油门位移，进而控制发动机转速。
五、液压挖掘机节能控制器
（一）系统采用的关键技术
1.CAN通讯
CAN协议中每一帧的数据量都不超过8个字节，以短帧多发的方式实现数据的高实时性，CAN总线的纠错能力非常强，从而提高了数据的准确性；同时CAN总线的速率可达到1Mbit/s，是一个真正的高速网络。
（二）发动机输出功率控制
1.油门电机控制
挖掘机上一般采用自动油门马达，其结构由直流电机和电位器组成。下文中油门电机里的电位器统称为油门电位器。本设计通过操作电位器来识别油门电机的目标开度，由单片机通过SPI与TLE6209通讯来控制油门电机转到预定位置。为了使油门电机能尽快响应和精确定位，程序中加入了加速和减速的控制算法，再通过油门电位器的反馈和发动机实际输出功率对比来实现精确调节。
2.防熄火功能
当发动机在转速低于自动待机转速时，动臂时极有可能使发动机熄火。为了防止发动机熄火，检测到此情况，控制器会自动将发动机转速提升到待机转速。如果还不能达到相应的功率需求，控制器就会减小比例阀电流输出，使发动机不至于熄火。
结束语
对于液压挖掘机自身可靠性和寿命而言，持续低的能量利用率会导致大多数能量转换成热能而耗散到液压挖掘机的传动系统中，使系统升温。而温度对液压系统的影响尤为敏感，高温会使液压油的粘度下降，增加液压系统的泄漏量，从而近一步影响液压系统的效率。高温还会使某些液压元件加速老化，从而降低系统的可靠性和整体寿命。因此，液压挖掘机的节能研究具有非常深远的意义。
参考文献：
[1]滕达,岳萍,贾军池,贾洪云.重型工程装备液压驱动系统的匹配控制[J].专用汽车,2013,01:87-89.
[2]李少波,陈伟兴,陈应强.液压挖掘机电子监控节能系统的研究设计[J].贵州大学学报(自然科学版),2013,04:58-61.
[3]陈步童.叉车液压系统能耗分析及节能控制技术研究[J].中国农机化学报,2013,05:178-181.