摘  要： 通過對目前廣泛應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的幾種節(jié)能控制方法的深入分析，提出了一種基于轉(zhuǎn)差分頻原理的挖掘機(jī)聯(lián)合功率匹配節(jié)能控制方法，研究了負(fù)流量控制系統(tǒng)聯(lián)合功率匹配的機(jī)理，探討了轉(zhuǎn)差分頻原理在液壓挖掘機(jī)上的工程實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 液壓挖掘機(jī)；節(jié)能；轉(zhuǎn)差分頻；聯(lián)合功率匹配

    液壓挖掘機(jī)是一種大功率、高能耗的工程機(jī)械，由于其液壓系統(tǒng)中存在各種形式的功率損失，會(huì)不同程度地降低挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的使用效率。挖掘機(jī)工作時(shí)，在不計(jì)沿程阻力的條件下，液壓系統(tǒng)的最高效率可達(dá)95%以上[1]。但由于挖掘機(jī)工況復(fù)雜，負(fù)載變化較大，因此液壓系統(tǒng)的效率變化也非常大。液壓挖掘機(jī)采用節(jié)能技術(shù)不僅能有效地降低燃油消耗率，還能減少液壓系統(tǒng)功率損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率，使動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率更好地匹配，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓元件的工作強(qiáng)度，減少系統(tǒng)發(fā)熱，提高設(shè)備正常使用的可靠性。因此， 國內(nèi)外挖掘機(jī)行業(yè)對挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)都十分重視。
    我國目前節(jié)能控制的研究以產(chǎn)業(yè)需要、國內(nèi)市場為導(dǎo)向，因此基于負(fù)流量控制系統(tǒng)的挖掘機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)依然占主導(dǎo)地位。本文基于川崎的負(fù)流量控制系統(tǒng)，利用油門控制的滯后性和閥門控制的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，提出了一種新的聯(lián)合功率匹配控制策略，使轉(zhuǎn)速可以得到實(shí)時(shí)控制，達(dá)到節(jié)能目的。
1 目前國內(nèi)液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略
    當(dāng)前，很多國外知名挖掘機(jī)廠家以合資或者獨(dú)資的方式大舉進(jìn)入中國市場，但其核心控制技術(shù)卻一直處于封鎖狀態(tài)，相關(guān)說明文獻(xiàn)也少之又少。因此，下文就目前國內(nèi)挖掘機(jī)節(jié)能控制研究中所提到的控制方法進(jìn)行分析總結(jié)，其中具有代表性的有以下幾種：
    (1)運(yùn)用全制式調(diào)速器和調(diào)速曲線共同作用的控制方法是一種比較傳統(tǒng)的控制方式[2]，當(dāng)外負(fù)荷的增加使轉(zhuǎn)速略有下降時(shí)，調(diào)速器就使供油量調(diào)節(jié)拉桿向加油方向移動(dòng)，阻止轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)負(fù)荷增加到調(diào)速器不再起作用，即供油量已增加到最大值，轉(zhuǎn)速已然明顯下降，此時(shí)柴油機(jī)將沿著外特性曲線工作。
    (2)根據(jù)工況的變化，來引起負(fù)載壓力、起調(diào)壓力以及泵出口壓力的變化，然后再根據(jù)這些壓力的變化來調(diào)節(jié)變量泵的排量或者控制發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速拉桿使得泵的吸收功率與柴油機(jī)的輸出功率盡可能地匹配[3-6]。
    (3)利用閥門和油門的聯(lián)合控制方法來控制轉(zhuǎn)速，使其一直工作在最佳工作點(diǎn)是一種比較流行的控制策略[7-10]。在外負(fù)載較小時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)油門去適應(yīng)負(fù)載的需求；而當(dāng)外負(fù)載很大時(shí)，一方面增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，另一方面則適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)變量泵排量的大小降低其功率吸收，從而避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)因過載熄火現(xiàn)象。這樣可使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能適應(yīng)負(fù)荷變化，保持最佳的功率利用率及良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)使液壓系統(tǒng)具有了較高的傳動(dòng)效率，整個(gè)負(fù)荷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也具備了較好的自適應(yīng)能力和綜合性能指標(biāo)。
    (4)紀(jì)云峰等人提出的控制策略是將柴油機(jī)、變量泵、負(fù)載作為一個(gè)系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的匹配原理和方法，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)—變量泵—負(fù)載三者的一致匹配[11-13]。該策略以泵出油口壓力為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)與工況的自適應(yīng)控制;以轉(zhuǎn)速傳感控制方式實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與泵的功率匹配;以變量泵出口流量為依據(jù)，由微機(jī)控制調(diào)節(jié)多路閥閥口開度，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載-泵的功率匹配。
2 基于轉(zhuǎn)差分頻原理的功率匹配算法
    綜合上述各種控制方法了解到，目前的轉(zhuǎn)速控制策略的熱點(diǎn)在于對油門和閥門的組合控制。由于油門控制的滯后性和閥門控制的實(shí)時(shí)性，本文提出了一種新的組合控制策略，使轉(zhuǎn)速可以得到實(shí)時(shí)控制，達(dá)到節(jié)能的目的。
    經(jīng)過相關(guān)文獻(xiàn)的分析查找，圖1所示是挖掘機(jī)在一段時(shí)間上的平均液壓負(fù)載功率，圖2是在圖1的橫坐標(biāo)上取出一小段所得到的液壓挖掘機(jī)負(fù)載功率。從兩圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線具有高頻和低頻部分，并且功率的低頻部分明顯與高頻部分分離。波形與發(fā)動(dòng)機(jī)對應(yīng)功率曲線近似一致。也就說明了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以近似看作是兩種信號疊加控制所得到的。

    在挖掘機(jī)節(jié)能控制方面，可以通過控制油門來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，也可以通過改變變量泵的排量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的吸收功率。通常由發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)載荷變化比較困難，這也是目前節(jié)能控制上的一個(gè)難題。所以，根據(jù)曲線波形特征分析，提出低頻部分通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率來控制，高頻部分通過調(diào)節(jié)液壓泵吸收功率來控制的控制策略。對于轉(zhuǎn)差信號的分頻處理，可以用小波分析、濾波處理和傅里葉變換三種方式來實(shí)現(xiàn)。圖3所示為轉(zhuǎn)差分頻控制策略結(jié)構(gòu)框圖。

3 研究中所要解決的關(guān)鍵問題
3.1 轉(zhuǎn)差分頻節(jié)能控制方法的完善
    本文所研究的轉(zhuǎn)差分頻控制策略是在頻率范疇內(nèi)提出的，沒有考慮到節(jié)能控制點(diǎn)的位置。后期的研究主要是如何在節(jié)能控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)差的分頻控制，來達(dá)到節(jié)能的目的。
3.2 節(jié)能控制算法實(shí)時(shí)性問題
    對于挖掘機(jī)轉(zhuǎn)差信號的分頻處理有傅里葉變換、小波分析和濾波處理3種方法。后期的研究要綜合分析各種方法的整體性能，找出一種既能滿足信號處理的準(zhǔn)確性，又能滿足系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性的處理方案。
    本文首先說明了液壓挖掘機(jī)在工程領(lǐng)域的重要性，闡述了其節(jié)能控制的必要性。其次，總結(jié)了目前國內(nèi)挖掘機(jī)研究所提到的各種節(jié)能控制策略，并提出了基于轉(zhuǎn)差分頻原理的挖掘機(jī)節(jié)能控制算法。最后，說明了完善該控制策略，后期所需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。該控制算法在實(shí)時(shí)性方面有了很大的提高，為以后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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