挖机市场电器系统在挖掘机节能控制中应用发展

二手挖掘机同汽车电器一样，挖掘机电器系统中技术含量最高的部分在于其动力系统的控制——节能控制。

众所周知，挖掘机工作过程中存在各种功率损失，其中占主导地位的是液压系统内部损失和功率匹配损失。针对液压系统功率损失，国内外工程机械生产商开发了多种节能控制技术，较好地解决了这一问题。功率匹配损失是由于挖掘机工况复杂，负载变化剧烈，导致柴油机严重偏离经济工作区，造成燃油利用率不高，尤其是在高转速、小负载的情况下。为解决这一问题，国外很早就展开了研究，对发动机和液压泵采取功率匹配控制，目的是控制柴油机在各种负载功率条件下都工作在经济工作区。到目前为止，几乎所有的国外公司生产的中型挖掘机都配备了这一控制系统，如小松公司的PC系列挖掘机，日立建机的EX系列挖掘机，卡特彼勒公司的挖掘机等。为进一步提高功率匹配控制效果，国内一些学者也做了大量的研究工作。这些技术曾经大幅度降低了液压挖掘机的油耗，但由于挖掘机本身工作负载的特点，决定了在传统的功率匹配技术下，难以进一步提高节能效果。目前，在这一领域，国内和国外差别已经不大，在二十吨级的液压挖掘机上，国内普遍采用了电控泵和自国内主研发的节能控制器。但在小挖上，由于成本的限制还应用不多。

二手挖掘机

在传统的功率匹配控制中，只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，使柴油机工作点位于经济工作区。由于负载的剧烈波动，最大和最小负载功率是交替变化的，加到柴油机输出轴上的扭矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时工作点严重偏离经济工作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。另外，为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中必须按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。当选不到大功率柴油机时，很容易造成发动机过载，这在一些小挖上表现得非常明显——柴油机经常过热。

为解决这些问题，国外各著名工程机械生产厂家普遍将研究开发方向转向了混合动力系统。2003年，日立建机推出了世界上第一台轮式装载机;2004年5月，小松公司则推出了世界上第一台试验型混合动力液压挖掘机。随后，神户制钢，卡特彼勒等公司也推出了自己的混合动力挖掘机。这些公司普遍采用的是油电混合的解决方案，借助蓄电池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。这样，就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用功率较小的柴油机来驱动大吨位挖掘机，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。

油电混合动力的优点是，不但能对内燃机输出扭矩进行均衡控制，使内燃机工作点始终位于经济工作区，而且可以利用电机控制技术，对每一个液压缸都采用闭式传动方案，从而取消了多路阀控制，彻底消除阀内的节流损失，同时可以对回转动能、工作装置的重力势能等进行回收。小松、神钢等公司采用的就是这种方案。这种方案的最大缺点是，由于能量转换经历了柴油机—发电机—蓄电池—电动机—液压泵—液压缸、液压马达等多个环节，每一个环节都存在能量损失，因此导致整个转换过程中的能量损失较大，从而在一定程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。

这种系统的另一个缺点是，由于能量转换环节多，导致系统趋于复杂，技术要求也相应提高，如电池寿命、电源转换效率、重量、可靠性等，都有待进一步提高。此外，油电混合动力技术使挖掘机动力系统从结构上发生了根本变化，对整个挖掘机制造体系影响巨大，从而造成生产成本的上升。这些缺点无疑严重制约了油电混合动力技术在工程机械上的应用。

因为油电混合动力系统的缺点，一些公司将研发方向转向液压解决方案，如美国环境署支持研究的液压混合动力装置。在这种解决方案中，利用蓄能器作为储能元件，采用静压传动技术，用来驱动以行走、回转等动作为主的行走设备，如汽车、装载机、推土机等。这种解决方案适合于以液压马达为驱动装置的设备，但对于以液压缸驱动为主的设备如液压挖掘机来讲则不适用。

目前，国内在液压挖掘机功率匹配节能控制方面的研究比较多，但大多数都集中在传统的匹配控制方案，也有为数不多的单位在研究混合动力在工程机械方面的应用，主要研究内容限于油电混合动力技术方面。另外也有不少单位在研究液压混合动力技术，但仅限于在汽车领域的应用，采用的仍然是静压传动方案。

针对油电混合动力技术和静压传动技术的缺点，浙江工业大学机电研究所和徐州瑞隆公司提出了一种新的液压解决方案，利用现有的成熟技术和液压元件，在不改变现有挖掘机液压系统的基础上，实现与油电混合技术相同的功能。

由于采用了液压解决方案，避免了油电混合动力系统中由于能量的多次转换所造成的效率损失，而且采用的是成熟的液压元件和技术，因此能够以低廉的成本大幅度降低挖掘机油耗。

在传统的功率匹配控制中，只有在峰值功率条件下才柴油机才能工作在经济工作区内，而在其他非峰值功率条件下，柴油机通常工作在效率较低的空载状态。采用扭矩均衡控制后，能使柴油机始终稳定地工作在经济工作区内，实现真正意义上的功率匹配控制。

在本方案中，整个装置独立于挖掘机主液压系统之外，基本上不改变当前液压挖掘机动力系统的结构，对当前国内外液压挖掘机的制造体系基本没有影响，但挖掘机的节能性却能大幅度提高。

一. 控制阀应用中存在的题目

①控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同产业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、治理不方便。

②控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带来困难。

③控制阀粗笨，给控制阀的运输、安装、.维护带来不便。通常，控制阀重量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台DN200的控制阀重达700kg，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。

④控制阀的流量特性与产业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但产业过程被控对象特性各不相同，力口上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。

⑤控制阀噪声过大。产业应用中，控制阀噪声已成为产业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。

⑥控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺确当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，进步能源的利用率。

二. 控制阀的发展方向

控制阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化和安全化。

(1)智能化和标准化.控制阀的智能化和标准化已经提到议事日程。智能化主要采用智能阀门定位器。智能化化表现在下列方面。

①控制阀的自诊断，运行状态的远程通讯等智能功能，使控制阀的治理方便，故障诊断变得轻易，也降低了对维护职员的技能要求。

②减少产品类型，简化生产流程。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变控制阀的流量特性，也可进步控制系统的控制品质。因此，对控制阀流量特性的要求可简化及标准化(例如，仅生产线性特性控制阀)o用智能化功能模块实现与被控对象特性的匹配，使控制阀产品的类型和品种大大减少，使控制阀的制造过程得到简化，并在生产和市场中经受考验和认可。

③数字通讯。数字通讯将在控制阀中获得广泛应用，以HART通讯协议为基础，一些控制阀的阀门定位器将输进信号和阀位信号在同一传输线实现;以现场总线技术为基础，控制阀与阀门定位器、PID控制功能模块结合，使控制功能在现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速。

④智能阀门定位器。智能阀门定位用具有阀门定位器的所有功能，同时能够改善控制阀的动态和静态特性，进步控制阀的控制精度，因此，智能阀门定位器将在今后一段时间内成为重要的控制阀辅助设备被广泛应用。

控制阀的标准化表现在下列方面。

①为了实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的控制阀能够互换，使用户不必为选择制造商而花费大量时间。

②为了实现互操纵性，不同制造商生产的控制阀应能够与其他制造商的产品协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。

③标准化的诊断软件和其他辅助软件，使不同制造商的控制阀可进行运行状态的诊断，运行数据的分析等。

④标准化的选型程序。控制阀选型还是自控设计职员十分关心的题目，采用标准化的计算程序，根据工艺所提供数据，能够正确计算所需控制阀的流量系数，确定配管及选用合适的阀体、阀芯及阀内件材质等，使设计过程标准化，进步设计质量。

(2)精小化.为降低控制阀的重量，便于运输、安装和维护，控制阀的精小化采用了下列措施。

①采用精小型执行机构。采用轻质材料，采用多组弹簧替换一组弹簧，降低执行机构高度，通常，精小型气动薄膜执行机构组成的控制阀比同类型气动薄膜执行机构组成的控制阀高度要降低约30%，重量降低约30%，而流通能力可进步约30%。

②改变流路结构。例如，将阀芯的移动改变为阀座的移动，将直线位移改变为角位移等，使控制阀体积缩小，重量减轻。

③采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，也可减少执行机构的重量。例如，Fisher公司的9000系列电动执行机构，其20型的高度小于330mm，使整个控制阀(带数字控制器和执行机构)质量降低到20～32kg(3)旋转化由于旋转类控制阀，例如球阀等，有相对体积较小、流路阻力较小、可调比较大、密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，因此，在控制阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶阀等类型控制阀，从国外近年的产品看，旋转阀应用的比例正逐年增长。

(4)安全化仪表控制系统的安全性已经得到各方面的重视，安全仪表系统(SIS)对控制阀的要求也越来越高，表现在以下几方面。

①对控制阀故障信息诊断和处理要求进步，不仅要对控制阀进行故障发生后的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组成控制阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。

②对用于紧急停车系统或安全联锁系统的控制阀，提出及时、可靠、安全动作的要求。确保这些控制阀能够反应灵敏、正确。

③对用于危险场所的控制阀，应简化认证程序。例如，对本安应用的现场总线仪表，可简化为采用FISCO现场总线本质安全概念，使对本安产品的认证过程简化。

④与其他现场仪表的安全性类似，对控制阀的安全性，可采用隔爆技术\防火技术、增安技术、本安技术、无火花技术等;对现场总线仪表，还可采用实体概念、本安概念、FISCO概念和非易燃(FINCO)概念等。

(5)节能降低能源消耗，进步能源利用率是控制阀的一个发展方向。主要有下列几个发展方向。

①采用低压降比的控制阀。使控制阀在整个系统压降中占的比例减少，从而降低能耗，因此，设计低压降比的控制阀是发展方向之一;另一个发展方向是采用低阻抗控制阀，例如采用蝶阀、偏心旋转阀等。

②采用自力式控制阀。例如，直接采用阀后介质的压力组成自力式控制系统，用被控介质的能量实现阀后压力控制。

③采用电动执行机构的控制阀。气动执行机构在整个控制阀运行过程中都需要有一定的气压，固然可采用消耗量小的放大器等，但日积月累，耗气量还是巨大的。采用电动执行机构，在改变控制阀开度时，需要供电，在达到所需开度时就可不再供电，因此，从节能看，电动执行机构比气动执行机构有明显节能优点。

④采用压电控制阀。在智能电气阀门定位器中采用压电控制阀，只有当输出信号增加时才耗用气源。

⑤采用带平衡结构的阀芯，降低执行机构推力或推力矩，缩小膜头气室，降低能源需要。

⑥采用变频调速技术代替控制阀。对高压降比的应用场合，假如能量消耗很大，可采用变频调速技术，采用变频器改变有关运转设备的转速，降低能源消耗。

(6)保护环境环境污染已经成为公害，控制阀对环境的污染主要有控制阀噪声和控制阀的泄漏。其中，控制阀噪声对环境的污染更是十分严重。

①降低控制阀噪声。研制各种降低控制阀噪声的方法，包括从控制阀流路设计到控制阀阀内件的设计，从噪声源的分析到降低噪声的措施等。主要有设计降噪控制阀和降噪控制阀阀内件;公道分配压降，使用外部降噪措施，例如，增加隔离、采用消声器等。

②降低控制阀的大气污染。控制阀的大气污染指控制阀的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”，这些泄漏物不仅造成物料或产品的浪费，而且对大气环境造成污染，有时，还会造成职员的伤亡或设备爆炸等事故。因此，研制控制阀填料结构和填料类型、研制控制阀的密封等将是控制阀今后一个重要的研究课题。计算机科学、控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了控制阀的发展，例如，现场总线控制阀和智能阀门定位器的研制、数字通讯在控制阀的实现等。控制阀的发展也推动了其他科学技术的发展，例如，对防腐蚀材料的研究、对削弱和降低噪声方法的研究、对流体动力学的研究等。随着现场总线技术的发展，控制阀也将开放、智能和更可靠，它将与度更高，控制的效果更明显，并为我国现代化建设发挥更重要的作用其他产业自动化仪表和计算机控制装置一起，使产业生产过程控制的功能更完善，控制的精。