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1、摘 要挖掘机的节能技术的研究对提高企业产品竞争力和开展节能减排意义重大。分析了国内外挖掘机 节能砰究的热点和挖掘机功率损失的主及源因，结合应用经统，指出了一些节能技木在挖掘机上 的应用二关键词】挖掘机；节能技术；控制系统；性能优化摘 要沱掘机的节能技术的研究对提高企业产品竞争力和开展节能减排意义重大:分析了国内外挖掘机节能技术在挖掘机液压系统上应用分析Energy savings technology on excavator hydraulic system王玉林1,黄鸣辉1,张军2WANG Yu-lin, HUANG Ming-hui, ZHANG Jun （1.常林股份有限公司， 江苏常
2、州213002；2.长安大学道路施工技术及装备教育部重点实验室，陕西西安 710054）液压挖掘机属于高能耗工程机械，大部分功率损失于液压元件节流和溢 流调节，因此节能研究成为挖掘机研究热点。电子节能及控制技术成为液压 挖掘机技术发展主要方向，一方面围绕挖掘机各重要环节，采用混合动力、 电喷发动机、正流量控制、负流量控制等技术提高动力源、传动系统和执行 机构三个环节效率；另一方面围绕液压挖掘机整机性能匹配进行展开，根据 工作装置和用途不同采用分工况、分功率控制方法，提高整机动力性、经济 性和操作性。挖掘机主要由发动机、液压系统、控制系统和工作装置构成，其中工作 装置国产化已基本完成，而发动机和
3、液压系统均采用进口产品，因此各主机 厂节能研究主要是采用相关技术提高发动机以及发动机及液压系统匹配利用 率。目前市场上主流中型挖掘机仍然以机械调速发动机和负流量液压系统为 主，探讨在此基础上节能研究具有较大现实意义。本文以福马公司近年新开发21t挖掘机ZG3210-9C为对象分析其节能技术应用。该机采用康明斯 6BTAA5. 9-C150发动机和川崎公司KMX型多路阀和K3V液压泵组成液压系 统，通过降低发动机能耗、改进控制系统性能、改善发动机及液压系统功率匹配等方法，积极开展节能减排研究，经整机试验发现比普 通机型节省燃油消耗15%左右，取得了良好效果。1控制系统功能改进1.1设定经济挡位，
4、充分利用发动机低油耗区发动机工作在高转速时，由于曲轴高速旋转，活塞及气缸磨损加剧，将 有更多能量消耗在摩擦上，导致能量利用率较低。而低速大扭矩情况下，由 于转速低、负荷大，进气系统、涡轮增压器等性能在不同程度上都会下降， 导致进气冲量系数低，燃烧恶化，燃油利用率极低。发动机在中间转速时， 油耗值最低。各参数变化详细情况可参见发动机万有特性曲线。挖掘机在使用过程中，由于工况不同，负载变化较大，对发动机所需提 供转速和扭矩瞬态变化较大。为响应不同工况作业要求，电控系统设定重载 （H）、正常（S）、轻载（L）、破碎（B）四种模式，发动机油门旋钮设定 十挡电流。根据泵功率曲线分别计算出在不同转速下，泵
5、所需吸收最大扭矩，在发 动机万有特性曲线上标注出H、S、L三种模式下扭矩区间，我们可以发现： 在H模式下，转速设定区间为17501950rpm,发动机油耗曲线为最建筑机械化2011（0531低油耗105%；在S模式下，转速设定区间为15501750rpm,发动机油 耗曲线为最低油耗101%102%； L模式下，在转速13501550rpm区间 内，发动机油耗曲线为最低油耗102%105机 在S和L模式下，整机运行 在发动机万有特性曲线最低油耗区域，使系统不仅能获得较高工作效率，而 且能降低燃油消耗和发动机噪声。根据作业要求，由驾驶员先选定工作模式，并设定挡位电流，系统将自 动调节柴油机油门开度
6、。通过柴油机一液压泵联合调节，使液压泵吸入功率 等于柴油机输出功率，同时可以使柴油机工作在最佳工作点。1.2根据作 业工况，优化发动机控制当挖掘机由于等待运输车辆等原因而短暂停止操作时，控制柴油机油门 开度，使其处于自动怠速状态1350rpm。重新操纵挖掘机作业时，柴油机转 速自动恢复到正常工作时转速状态。采用自动怠速替代柴油机高怠速工况， 不仅降低了空载时能量消耗，同时也降低了噪声，有利于柴油机寿命延长。当负载超过限值时，控制系统进入瞬时增力模式。通过驾驶室内侧先导 手柄上增力按钮，在挖掘作业过程中，按一下瞬时增力按钮，则瞬时增力电 磁阀接通9s。连续按下超过9s时，瞬时增力电磁阀要断开9s
7、,然后再接通 （即连续增力默认为9s,超过9s要断开，9s后才能继续增力）。此时系统 压力将由330bar升至350bar,挖掘力可增加6%o在动臂下降回路增加压力检测，由于重力作用原因，对工作压力和流量 要求不高，系统功率需求较小；通过电控系统自动调节油门开度，由于载荷 较轻，发动机转速提高，泵排量增加，在不影响工作效率情况下，降低了发 动机能量消耗。1.3优化加载特性，提高响应速度充分利用发动机调速率，康明斯发动机调速率为12虬 调速率越小，发 动机突加载时瞬态供应量越大，总油耗也就越高。控制系统通过监测发动机 实际转速，调节泵电磁比例阀电流，改变泵排量，从而使泵吸收功率及发动机输出功率相
8、同，使发动机 转速稳定在设定值附近，减小油耗。选用高灵敏度油门执行机构，调高控制器采集转速处理速度，提高泵排 量改变响应速度，提高整机工作效率，降低油耗。1.4自研控制系统，扩 展系统功能在发动机和液压系统不能改变前提下，为进一步达到节能研究，公司采 用德国Hersmor G16控制器，上海派恩科技真彩SPN 5300显示器，南京吉 美思GMS101-4DGPS模块构建了一套挖掘机控制系统，以转速感应PID调节 恒功率控制方法，保证作业状态下发动机功率充分利用；同时采用基于泵出 口压力反馈控制方式，当泵压力超过设定上限2s时间，关闭泵排量，降低 溢流造成损失。2液压系统优化2.1能量再生和回收
9、利用在挖掘机作业过程中，位能和动能损失较大。工作装置回路和回转系统 都可考虑能量再生利用。目前:大多数挖掘机上动臂或斗杆都采用了再生回 路，提高了工作装置作业速度，改善了复合操纵性能，使液压系统能耗降 低，效率提高。选用川崎公司KMX15RA多路阀，该阀斗杆控制回路中，有杆腔液压油通 过一个内置单向阀进入无杆腔，从而实现回油再利用，如图1所示。Q Q maxmax图1压力切断阀节能效果2.2降低液压系统沿程损失液压油通过管道和接头等沿程损失，这种2011(05斗杆缸去油箱来门液住泵E声去即新IUFI南间中 R损失是不可避免。液压系统沿程压力损失所造成功率损失也是不可小 视。在泵出口处测得空流压
10、力（大约有23MPa）中有很大一部分是沿程压 力损失。调整液压系统胶管走向，将回转马达泄油、行走马达泄油、主阀泄 油口由原来随系统回油经回油滤清器回油箱，现调整为直接回油箱，降低泄 油口背压；增大主泵出口处胶管通径，调整高压胶管、回油管路中低压胶管 材料等；通过一系列改进，改善了液压系统沿程损失，降低油耗，降低液压 系统热平衡温度。2.3增加系统压力切断功能压力切断是为了消除系统过载时溢流损失而代替溢流阀一种压力调节控 制，在液压泵高压出口下游设置了压力切断阀，如果液压泵出口压力超过压 力切断阀设定压力（公司配套主泵压力设定值为350bar）,压力切断阀输 出一个及压力增加成比例控制信号给液压
11、泵，将液压泵流量降到接近零流 量，而输出仍保持在系统压力附近。当液压泵进入压力切断控制时，虽然系 统压力很高，但由于此时液压泵输出流量接近零，功率损耗很小。见图2。设计和布置，降低风道压力损失，避免热风回流，提高系统散热能力， 控制液压系统油温在80c左右，从而提高液压元件效率，延长使用寿命； 选用低功耗风扇，降低发动机功率损耗。3.2液压泵和发动机功率匹配转速波动是导致发动机燃油利用率下降主要原因之一，因此作业时降低 转速波动可有效提高发动机燃油利用率。一方面控制系统采用分工况功率控 制方式，设置3种功率模式和10挡油门，以满足不同作业工况，提供系统 利用率；另一方面增加辅助控制功能，如自动
12、怠速，自动减速和机械怠速等 功能，进一步降低能耗。（编辑吴学松）中图分类号TH621 文献标识码B文章编号1001-1366（201105-0031-03收稿口期2011-03-293整机性能优化1 .1发动机布局改进选用优质进口散热器产品，优化冷却系统建筑机械化2011（053321 When EU stage 山 face the cognitive limitation and poor quality dieselIn April this year, the national construction machinery equipment users committee recei
13、ved a quality complaint that from Tangshan individual user on account of some Japanese brand excavator.The problems refl ected that construction machinery users have cognitive limitations of environment-friendly products and the reality that part diesel have a poor quality, are becoming the major ob
14、stacles of our national construction machinery energy saving and emission reduction.24 Product upgrading access to more effi cient and greenerAt the CONEXPO-CON/AGG 2011, one of the best attraction was environmental protection and energy saving”, European and American main construction machinery ent
15、erprises introduced series of products with a Tier 4 emissions solution, almost all of the engine manufacturers brought their overall upgrade products with Tier 4 emissions solution, construction machinery industry tend to cleaner, more environmentally friendly and more ef fi cient, driving the whol
16、e products upgrading.31 Energy saving technology on excavator hydraulic systemEnergy saving technology on excavator is advantage to product competitiveness, energy conservation and emission reduction. Analysis of the hot energy saving research on excavator in domestic and international and the main
17、reason for the power loss. Combining application experience, put forward some energy saving technologies application to excavator.52 IBM technology applied to the fi rst phase of Chongqing metro line 6The fi rst phase of Chongqing metro line 6 is the fi rst urban subway project applied the IBM techn
18、ology. According to the construction of the first phase of Chongqing metro line 6, this paper analyzed the IBM construction adaptability, introduced in detail the TBM equipment selection and key construction technology60 The application of intelligent compaction system on the subgrade construction o
19、fLanzhou-Xinjiang second lineAt the present stage, subgrade construction account for a large proportion of passenger train and bullet train construction. To ensure the quality of subgrade, strengthen the process control, continuous compaction test control technology (intelligent compaction system was applied to Lanzhou-Xinjiang second line, this was the fi rst time to extensively apply to rail construction project, controlled the roadbed construction quality effectively, improved the construction ef fi ciency and achieved good economic benefi t.4 2011(05 CONSTRUCTION MECHANIZATION