摘  要： 通過對目前廣泛應(yīng)用于液壓挖掘機的幾種節(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)合功率匹配的機理，探討了轉(zhuǎn)差分頻原理在液壓挖掘機上的工程實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 液壓挖掘機,；節(jié)能,；轉(zhuǎn)差分頻；聯(lián)合功率匹配

    液壓挖掘機是一種大功率,、高能耗的工程機械,，由于其液壓系統(tǒng)中存在各種形式的功率損失，會不同程度地降低挖掘機液壓系統(tǒng)的使用效率,。挖掘機工作時,，在不計沿程阻力的條件下，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)動機功率的利用率,，使動力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率更好地匹配,，從而降低發(fā)動機和液壓元件的工作強度，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)外挖掘機行業(yè)對挖掘機節(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時性特點，提出了一種新的聯(lián)合功率匹配控制策略,，使轉(zhuǎn)速可以得到實時控制,，達(dá)到節(jié)能目的。
1 目前國內(nèi)液壓挖掘機轉(zhuǎn)速控制策略
    當(dāng)前,，很多國外知名挖掘機廠家以合資或者獨資的方式大舉進(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,，調(diào)速器就使供油量調(diào)節(jié)拉桿向加油方向移動，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，此時柴油機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)動機的調(diào)速拉桿使得泵的吸收功率與柴油機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是一種比較流行的控制策略[7-10],。在外負(fù)載較小時,，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)動油門去適應(yīng)負(fù)載的需求；而當(dāng)外負(fù)載很大時,，一方面增加發(fā)動機的功率輸出,，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)動機因過載熄火現(xiàn)象,。這樣可使發(fā)動機在整個轉(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力性和經(jīng)濟性，同時使液壓系統(tǒng)具有了較高的傳動效率,，整個負(fù)荷驅(qū)動系統(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、變量泵,、負(fù)載作為一個系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的匹配原理和方法,，實現(xiàn)柴油機—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)，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)與工況的自適應(yīng)控制;以轉(zhuǎn)速傳感控制方式實現(xiàn)了發(fā)動機與泵的功率匹配;以變量泵出口流量為依據(jù),，由微機控制調(diào)節(jié)多路閥閥口開度,，實現(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時性，本文提出了一種新的組合控制策略,，使轉(zhuǎn)速可以得到實時控制,，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所示是挖掘機在一段時間上的平均液壓負(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負(fù)載功率。從兩圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機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)動機對應(yīng)功率曲線近似一致。也就說明了發(fā)動機的功率可以近似看作是兩種信號疊加控制所得到的,。

    在挖掘機節(jié)能控制方面,，可以通過控制油門來調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出功率，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)動機實時動態(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)動機輸入功率來控制，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)能控制點的位置,。后期的研究主要是如何在節(jié)能控制點的基礎(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)能控制算法實時性問題
    對于挖掘機轉(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)控制的實時性的處理方案,。
    本文首先說明了液壓挖掘機在工程領(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關(guān)鍵問題,。該控制算法在實時性方面有了很大的提高,，為以后發(fā)動機轉(zhuǎn)速的實時控制打下了堅實的基礎(chǔ)。
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