1、液壓挖掘機(jī)節(jié)能措施 挖掘機(jī)是工程機(jī)械主力機(jī)種，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，一般采用柴油機(jī)，工作時(shí)間長，作業(yè)負(fù)荷重，消耗大量燃料，排放大量廢氣，因此節(jié)能降低燃耗，同時(shí)降低排放對保護(hù)環(huán)境有很重要意義。 燃料能量首先通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換損失了不少能量。 發(fā)動機(jī)輸出功率大致只有20左右變?yōu)橥诰驒C(jī)的有效功。其中約40損失于液壓元件約20%損失于車體和作業(yè)裝置的運(yùn)動，約20左右損失于節(jié)流調(diào)速控制。 為了降低能耗，挖掘節(jié)能潛力，研究節(jié)能措施，需對挖掘機(jī)作業(yè)能耗全面情況和挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)有所了解。一、液壓元件能量利用情況和效率的提高1.泵和馬達(dá) 目前泵和馬達(dá)的效率已達(dá)到了一定的水平，各著名廠家產(chǎn)品的效率差別不大，要進(jìn)一步提

2、高效率已較困難，要從材料和結(jié)構(gòu)上作更深入細(xì)致地研究。2.控制閥 從閥的設(shè)計(jì)來看，通過閥內(nèi)油道、通路形狀等改善來降低能量損失的余地已不大，閥體尺寸和閥桿通徑確定后，各廠家閥的能耗也已無明顯差別。 有人提出采用純插裝閥或插裝閥和滑閥的組合閥，利用大開口流通面積，來降低壓力損失，但插裝閥操縱控制困難，與滑閥相比設(shè)計(jì)自由度和靈活性差，很難實(shí)現(xiàn)所需功能，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作為挖掘機(jī)主控制閥很難采用。 從解決問題簡單，不提高成本出發(fā)，提高效率的最好方法是增加滑閥直徑，但多路閥組有很多聯(lián)、閥桿尺寸增加將使閥組寬度增大較多，整個(gè)閥體重量大大增加。3.管路 管路的損失取決于液壓回路設(shè)計(jì)和管路的布置。盡管簡化管路，減

3、少油管長度和管接頭，接口位置和管接頭也很有關(guān)系，有些管接頭（特別是軟管接頭）接頭內(nèi)口徑縮小，會產(chǎn)生節(jié)流壓力損失，需加以改進(jìn)。 有時(shí)人們提到油路系統(tǒng)的功率損失是指不包括泵和馬達(dá)，從泵出口到馬達(dá)入口之間的液壓功率損失，對挖掘機(jī)來說，這個(gè)功率損失，作業(yè)裝置約為2030，行走裝置功率損失較大超過50（需經(jīng)回轉(zhuǎn)接頭）。對行走系統(tǒng)油路各處進(jìn)行測定得知：行走時(shí)，控制閥功率損失為15，平衡閥功率損失為15，回轉(zhuǎn)接頭功率損失為10，管路和接頭等功率損失為15，輸給馬達(dá)的有效功率僅為45左右，損失較大，需提高效率。目前正在考慮取消平衡閥，但平衡閥的作用（防止下坡時(shí)馬達(dá)超速吸空）仍需保留，考慮使行走操縱閥本身具有平

4、衡閥功能，現(xiàn)油壓件廠正在研制開發(fā)中，認(rèn)為技術(shù)上是可實(shí)現(xiàn)的。 挖掘機(jī)在裝載作業(yè)時(shí)，CAT公司通過模擬仿真得各部分的能量損失分布情況如圖一所示。泵和操縱閥的能量損失占2/3左右，其中操縱閥能量損失較大，因?yàn)椴倏v閥許多功能都集成在其內(nèi)，油道復(fù)雜，要降低壓力損失較困難，需要三維立體造型分析，在確保強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡可能地?cái)U(kuò)大通路，努力減少其狹窄部分。另外主安全閥過載特性需改善，在接近溢流壓力時(shí)要減少其泄漏量。二、液壓系統(tǒng)節(jié)能措施（一）一般液壓系統(tǒng)具有的節(jié)能措施1.采用變量泵 采用壓力感應(yīng)恒功率控制，可采用小功率發(fā)動機(jī)，有效地利用發(fā)動機(jī)功率，將節(jié)流調(diào)速改為容積調(diào)速減少能量損失。2.減少中位卸載損失和微操作時(shí)

5、調(diào)速損失 開中心油路采用負(fù)流量控制或正流量控制，閉中心采用負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償控制，使中位時(shí)油泵在低壓小流量工作，只供應(yīng)系統(tǒng)冷卻潤滑和沖洗少量的油。使系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，一旦工作時(shí)能快速響應(yīng)。微操作調(diào)速操縱時(shí)，油泵能自動改變排量，按所需流量供油。3.高壓過載切斷 過載溢流時(shí)，油泵能自動將流量減至很小，實(shí)際作業(yè)時(shí)，溢流操作情況很少，節(jié)能效果不大。（二）液壓系統(tǒng)高壓化 提高油壓，各執(zhí)行器和附屬裝置尺寸減小，所需流量降低，因壓力損失與流量平方成正比，因此可大大降低能量損失。但近年來壓力已提高到35MPa左右，進(jìn)一步提高遇到了困難，油缸的強(qiáng)度已接近界限，進(jìn)一步減小油缸直徑會造成剛度不夠；高壓化后為了減少閥的

6、泄漏和提高軟管耐壓強(qiáng)度等都將使液壓系統(tǒng)成本提高，因?yàn)檫@將涉及材料、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造技術(shù)的提高。從目前的技術(shù)水平來看，液壓挖掘機(jī)油壓已到達(dá)經(jīng)濟(jì)使用壓力，要在短期內(nèi)超越35MPa已較困難。 目前已提出高壓化的新目標(biāo)為45MPa，從液壓元件來看，油泵和油馬達(dá)較易實(shí)現(xiàn)高壓化，在液壓挖掘機(jī)中行走比挖掘使用頻率低，而且壓力損失大，因此行走易高壓化，且節(jié)能意義較大，目前行走油壓超過40MPa問題不大。（三）再生和能量回收1.工作裝置再生油路 挖掘機(jī)工作裝置和機(jī)體重量重，慣性大，在作業(yè)過程中，位能和動能損失大，應(yīng)考慮再生利用和能量回收。工作裝置動臂、斗桿和鏟斗都應(yīng)考慮采用再生油路，并要注意提高其再生率，工作裝置

7、再生概念如圖二所示。例如：日立建機(jī)1990年在EX-2系列采用了斗桿再生回路。1996年EX-5系列采用了動臂再生回路，斗桿采用了可變再生系統(tǒng)，2000年在ZAXIS系列鏟斗也采用了再生回路。目前多數(shù)挖掘機(jī)上動臂和斗桿都采用了再生回路，提高了工作裝置的作業(yè)速度，改善了復(fù)合操縱性能和使液壓系統(tǒng)的能耗降低，效率提高。 再生時(shí)油路模型如圖三所示，對中位開式油路存在4個(gè)節(jié)流開口面積，M/I進(jìn)油節(jié)流，M/D旁通回油節(jié)流，M/R再生節(jié)流和M/O油缸回油出口節(jié)流。M/I和M/D對復(fù)合操作影響比較大，希望再生操作時(shí)不要變化，要改變再生時(shí)油缸速度，最好是調(diào)節(jié)M/R和M/O的開口面積，對再生來說，合理地設(shè)計(jì)節(jié)流開

8、口面積，能減少泵的負(fù)荷，降低油耗，但是節(jié)流開口特性，不能僅考慮再生節(jié)能，還需考慮操縱性，微動控制性能，因此需綜合考慮進(jìn)行模擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)質(zhì)量大，工作頻繁，用于回轉(zhuǎn)的能量，最后幾乎全部變成熱能，使油壓系統(tǒng)平衡溫度升高，為了降低油溫進(jìn)行散熱，又將引起附加能量的消耗。 目前先進(jìn)挖掘機(jī)廠家正在開發(fā)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收系統(tǒng)，例如：小松KHER系統(tǒng)（Komatsu Hydraulic Energy Recycling System），用于小松大型挖掘機(jī)上。 目前世界上正在研究開發(fā)閉回路制動時(shí)回轉(zhuǎn)動能的各種回收方法。 采用蓄能器、飛輪和蓄電池等，從實(shí)際實(shí)現(xiàn)的可能性來說，采用電方

9、法較好，因此電動挖掘機(jī)和混合動力挖掘機(jī)（電和內(nèi)燃機(jī)組合）較易實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)該說再生利用和能量回收是挖掘機(jī)節(jié)能的重要措施。（四）通過合理流量分配來實(shí)現(xiàn)節(jié)能 CAT挖掘機(jī)舊液壓系統(tǒng)設(shè)立作業(yè)模式，根據(jù)作業(yè)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)最佳流量分配，提高作業(yè)效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能。采用模式開關(guān)（在電子監(jiān)視器上）和電磁閥操縱，來實(shí)現(xiàn)動臂優(yōu)先模式（裝載作業(yè)時(shí)）或回轉(zhuǎn)優(yōu)先模式（回轉(zhuǎn)加力緊貼側(cè)溝挖掘作業(yè)）等，但需操縱模式電開關(guān)較麻煩，現(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)，僅需操縱動臂手柄和回轉(zhuǎn)手柄就能自動實(shí)現(xiàn)動臂優(yōu)先或回轉(zhuǎn)優(yōu)先。三、發(fā)動機(jī)節(jié)能措施（一）采用直接噴射式和增壓發(fā)動機(jī) 目前柴油機(jī)已直接噴射化和增壓化，大大降低了油耗，增壓發(fā)動機(jī)廣泛采用中冷式。有水冷式和氣冷式

10、兩種，水冷式利用發(fā)動機(jī)冷卻水來冷卻經(jīng)增壓后高溫的吸入空氣，但發(fā)動機(jī)冷卻水溫度高（90左右）、冷卻150以上的增壓空氣效果不好，只能冷卻到100左右，采用大氣冷卻可冷卻到50左右，由于空冷效果好，現(xiàn)廣泛采用。（二）采用電子控制式調(diào)速器 過去柴油機(jī)采用機(jī)械離心式調(diào)速器，無負(fù)荷時(shí)最高轉(zhuǎn)速比額定功率轉(zhuǎn)速高100200rpm，如圖五中虛線所示，離心式調(diào)速器負(fù)荷變化必然引起發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化，機(jī)械調(diào)速器存在調(diào)速率問題，采用電子調(diào)速器，因燃油噴射量采用電子控制，噴油量與轉(zhuǎn)速沒有關(guān)系，無調(diào)速率問題，如圖五中實(shí)線所示。燃料噴射不受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響，噴射始終保持高壓細(xì)化，能按發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況調(diào)整噴油規(guī)律和噴油狀態(tài)，能適應(yīng)

11、急劇的負(fù)荷變動，迅速進(jìn)行調(diào)整，提高燃燒效率。（三）電子控制燃料噴射系統(tǒng) 通過電子控制燃料噴射能根據(jù)機(jī)械狀態(tài)、負(fù)荷情況和司機(jī)操縱要求全面正確地控制燃料噴射（噴油壓力和噴油狀態(tài)，噴射開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，噴射量和噴油規(guī)律），獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，并大大改善排放。（四）自動怠速控制 挖掘機(jī)作業(yè)過程中，短暫停止操作，發(fā)動機(jī)自動處于怠速狀態(tài)。根據(jù)日立建機(jī)ZX200（20噸級挖掘機(jī)）P模式挖掘作業(yè)試驗(yàn)得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分布規(guī)律如圖六所示。狀態(tài)燃耗占時(shí)間比例P模式掘削10062P模式空載（高怠速）37自動怠速空載2130低怠速空載128 轉(zhuǎn)速18002000rpm，為發(fā)動機(jī)額定功率點(diǎn)附近，在16002000rpm

12、范圍是P模式領(lǐng)域，是作業(yè)狀態(tài)，占60%以上時(shí)間。1200rpm附近是自動怠速領(lǐng)域，占30時(shí)間。800rpm附近是低怠速狀態(tài)，用于暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等，約占8。 以P模式油耗為100，則高怠速、自動怠速、低怠速分別為37、12、12。 采用自動怠速后，替代了高怠速工況，通過簡單計(jì)算可知，油耗可下降6.8，由于操縱響應(yīng)和冒煙等原因，自動怠速轉(zhuǎn)速約為1200rpm，不能進(jìn)一步降低。 如較長時(shí)間不作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)速能進(jìn)一步降低到低怠速狀態(tài)，可進(jìn)一步降低油耗62。 自動怠速是由操縱閥操縱連動控制的，過去操縱閥一操縱發(fā)動機(jī)就一下子恢復(fù)高速，現(xiàn)已采用操縱閥手柄操縱量與發(fā)動機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)速連動，這樣在微動操縱時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，

13、防止不必要使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一下子升得過高，可進(jìn)一步節(jié)能。四、發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)聯(lián)合控制節(jié)能措施（一）轉(zhuǎn)速感應(yīng)全功率控制 過去挖掘機(jī)只有壓力感應(yīng)恒功率控制，考慮到外界氣壓、溫度、濕度等影響，以及燃料質(zhì)量和發(fā)動機(jī)本身性能下降等因素，因此液壓系統(tǒng)吸收功率只能按發(fā)動機(jī)90左右額定功率設(shè)定，不能充分利用發(fā)動機(jī)全功率。 只有采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，液壓系統(tǒng)才能和發(fā)動機(jī)全功率匹配，發(fā)揮發(fā)動機(jī)全力，在提高生產(chǎn)率的同時(shí)，也節(jié)約了能耗。（二）不同作業(yè)情況下的工況控制 在不同作業(yè)工況下，對發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)有不同的功率要求，需要有作業(yè)工況相匹配的功率特性和設(shè)定（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、泵吸收功率和流量特性等）。日本油谷重工試驗(yàn)證明對某一作業(yè)

14、情況有最佳平衡點(diǎn)，過份增加吸收功率，單位油耗作業(yè)量不會提高，反而費(fèi)油，因此工況控制是有效的節(jié)能措施。但是過去工況控制采用開關(guān)操縱，要選擇工況模式，操縱很不方便，因此司機(jī)往往為了省事，常放在最大功率模式不動，使工況控制往往不起作用，因此有些挖掘機(jī)廠家開發(fā)了自動智能識別系統(tǒng)，根據(jù)司機(jī)的手柄操作情況（操縱量和操縱速度），系統(tǒng)的油壓和流量來自動選擇最佳作業(yè)模式，設(shè)定功率，這將成為今后節(jié)能的一項(xiàng)有效技術(shù)。（三）控制發(fā)動機(jī)和油泵在聯(lián)合工作最高效率點(diǎn)上工作 工作裝置的速度由泵轉(zhuǎn)速n和排量所確定，雖nq乘積相同，但和值不同，總效率會不同，因此盡量改變，使發(fā)動機(jī)向高效率點(diǎn)（也需適當(dāng)考慮油泵效率）轉(zhuǎn)移，使整個(gè)動力裝置效率提高。五、從人類工程學(xué)角度來考慮節(jié)能 目前挖掘機(jī)是人機(jī)系統(tǒng)，都是人和機(jī)械的結(jié)合，應(yīng)該從兩者共同工作是否發(fā)揮最高效率出發(fā)。 開中心直通回油系統(tǒng)調(diào)速性能差，存在負(fù)載飄移；復(fù)合操作困難，有負(fù)載干涉；速度設(shè)定自由度差和流量分配不理想等缺點(diǎn)，因此操縱性很差，必然有較多無謂的浪費(fèi)動作，造成能量損失，對司機(jī)操作要求高，作業(yè)效率低。閉中心負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償系統(tǒng)無負(fù)載飄移、負(fù)載干涉等現(xiàn)象，能適合挖掘機(jī)配各種各樣附屬裝置的流量要求。而且可以調(diào)整壓力補(bǔ)償程度來適合作業(yè)需要。日本小松公司