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  随着国民经济的迅速发展,作为主要施工设备的小型挖掘机在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用,同时小型挖掘机由于其用量大、能耗高、排放差等特点受到社会高度关注.小型挖掘机作业时,往往是挖掘—回转—卸料—返回挖掘的周期性作业过程,其作业时间长,作业负荷变化大,平均外载荷只有最大外载荷的50%~60%,能量利用率只有30%左右,发动机的大部分功率损失于液压元件、节流调节和机械传动,因此节能技术成为小型挖掘机研究的热点。

  针对小型挖掘机存在的各种功率损失,国外许多著名的工程机械厂商一方面和液压件生产厂商相继开发出一系列的液压元件和控制技术,从动力系统、液压系统、自动操纵系统等方面研究节能方案;另一方面从功率链上分析,研究发动机与泵、液压系统与负载的功率匹配问题,从而达到整机功率的优化设置;这些研究都取得了一定的成效.随着全球工业化的发展,工程项目对液压小型挖掘机的性能、品质提出了更高的要求,仅靠液压和机械技术无法满足小型挖掘机的高效率、高精度、高可靠性、工作舒适、自动化操作等要求,电子控制技术将起关键作用.20世纪80年代后期,小型挖掘机主要生产厂家纷纷研制电控节能液压小型挖掘机,并不断融入新技术,使小型挖掘机的控制系统逐步朝着“智能”、“节能”、“环保”方向发展.本文在分析小型挖掘机电控节能的基础上,分析国内外小型挖掘机电控系统的特点,并结合新技术在工程机械中的应用,指出小型挖掘机电控节能控制技术的发展趋势。

电控节能技术在小型挖掘机中的应用与发展

  一、国外小型挖掘机电控系统的研究现状
  美国卡特公司最早将电子技术应用到工况检测,1978年将微处理器用于小型挖掘机的故障报警中,1987年研制出电子监控系统,实现小型挖掘机的工作状态检测和电子控制。
  20世界80年代后,随着计算机技术、控制技术、传感器技术、伺服液压技术的发展,特别是电液比例液压阀、微处理器、传感器、检测仪表在小型挖掘机上的应用,给小型挖掘机的发展带来了技术上的革命.针对小型挖掘机的巨大能量损失,国外液压小型挖掘机企业开发了众多的节能电子控制系统,其中日本日立和小松的电控系统将小型挖掘机控制达到比较完善的水平.综合国外各小型挖掘机电控系统,电子节能控制主要围绕重要部件(发动机、变量泵、马达和各种控制阀)的控制和发动机-液压系统-负载的功率匹配两方面开展研究,主要采用了分工况控制、自动怠速、发动机功率控制、变量泵功率控制、发动机-变量泵匹配控制、电子负载传感控制等多种控制方式,控制系统硬件主要采用基于CAN总线的专用控制器,以保证系统的稳定性。下面针对国外小型挖掘机电控节能系统的几个方面进行分析。
  1、分工况控制
  小型挖掘机工作过程非常复杂,既有重载挖掘也有轻载平地,挖掘时还有松土挖掘和硬土挖掘之分,为适应不同的作业和使用工况,需要进行分工况控制.如博世力士乐公司开发的液压小型挖掘机负载极限电子控制系统(GLB),对不同工况采用不同的扭矩配置形式,重载下采用负载极限控制,充分利用发动机的储备功率;在经济和轻载模式下,逐步降低泵的吸收扭矩,让发动机工作在经济区。
  小型挖掘机一般设有重载模式、经济模式和轻载模式等动力模式,功率分配为发动机功率的85%~100%,70%~85%,50%~70%,另设有10挡油门速度.有些机型配置有不同的作业模式,如挖掘、破碎、一次或二次液压钳等.国外小型挖掘机都有动力模式和作业模式的选择,美国卡特的发动机转速自动控制(AEC)系统有3种动力模式;美国林肯-贝尔特的计算机辅助功率系统(CAPS)设置了3~4种工作方式,韩国现代的机型有3种动力模式。日本日立和小松新机型只有经济和重载2种动力模式,可以看出国外小型挖掘机厂家在逐步淡化动力模式。日本神钢的自动控制操作系统(ITCS)还设有模糊控制模式、手动模式和破碎等3种作业模式,具有较高的智能化程度.其模糊控制模式优先考虑工作效率,采用模糊推理可识别挖掘、装载、平整、夯实、撒土等作业内容并自动对其进行辅助,使柴油机输出功率达到最佳化,最大限度节约燃油;其手动模式优先考虑重挖掘模式,最大限度发挥柴油机的功率和提高作业能力,控制系统逐步向智能化方向发展。
  2、怠速控制
  发动机的怠速功能根据工况使用,分为自动怠速和机械怠速,前者用于工作过程中降低油耗,后者则用于较长时间停止工作但保持发动机不熄火.当手柄操作、油门变化或动力模式发生改变时,退出怠速功能,发动机回到油门设定速度。
  自动怠速是指当手柄回到中位,发动机转速自动降至经济油耗点.小型挖掘机作业一般是周期性小型挖掘机工作,据统计,小型挖掘机有25%的工作时间处于轻载或空转状态,那么控制发动机转速降低可以减少大量油耗.小松和日立的机型统计结果,自动怠速可节约10%的油耗.日本小松的设置是当手柄回到中位3.5s后,发动机降低到自动怠速;另外它还设定了自动加速功能,重载模式下手柄回到中位即将发动机转速降到比最高转速低400r·min-1的位置,降低油耗.日本神钢的ITCS电控系统,对系统在无操作4s后进入自动怠速.美国卡特设置2个阶段对发动机自动怠速管理,第1阶段,当无负荷或轻负荷3s后,发动机降低100r·min;第2阶段,继续无负荷3s后,发动机降低至怠速;怠速功能也可通过按键选择直接进入第2阶段。
  机械怠速。当操作人员休息,此时发动机处于自动怠速状态,可通过机械怠速开关将发动机转速降低至机械怠速位置,进一步降低油耗和避免发动机的频繁启动。
  3、发动机的电子功率控制
  在不同环境和工况下,发动机的工作特性是不一样的,在最大功率点附近会出现因发动机特性的变化而使负载扭矩超载,造成转速下降直至熄火的现象。发动机的电子功率控制,主要是通过转速进行控制,最常用的控制方式是借助步进电机来控制油门开度调节输出转速.国外有代表意义的是康明斯开发的发动机电子调速器,其原理是通过检测实际转速和油门执行电机位移,对比目标转速,通过控制器的调整得到油门电机的目标位移,让发动机转速控制在一定的范围内.小型挖掘机控制系统都配有转速感应控制,如博世力士乐的GLB和大宇小型挖掘机的电子功率优化系统(EPOS)等系统,提高了发动机的有用功率。
  发动机的电子功率控制改善了发动机的功率利用率,但是在负载功率没有达到或低于发动机的最大输出功率时,其功率不会被充分利用,依然存在能量浪费,因此国外的一些小型挖掘机厂家采用电喷发动机来解决此问题.目前日立,小松,住友等开发的中型小型挖掘机都采用高压共轨的电喷式发动机作为动力源,控制柴油的喷射时间和喷油量,根据不同的工况采用不同的特性,最大限度地提高燃油利用率。
  4、发动机与泵的功率匹配
  小型挖掘机中的功率匹配主要是考虑发动机与泵的匹配,泵与负载的匹配,发动机与泵、负载等三者的功率匹配。
  发动机-泵功率匹配控制.原理是基于转速感应控制,在分工况的基础上对液压泵和发动机转速进行控制,经济模式下减小泵的吸收功率让柴油机运行在经济工况点上;在重载模式下,增大泵排量和控制发动机转速,让发动机工作在高效率区,如日立的泵发动机联合控制系统(E-P)和小松的泵发动机联合控制(PE-MUC)系统。
  发动机-泵-负载控制.在基于转速感应控制的基础上引入更多的传感器对发动机的功率分配进行控制.国外先进的小型挖掘机都是综合几种节能方法包括改进液压系统,如日立在闭式中心负荷传感器系统(CLSS)原理的基础上,对负荷传感系统进行电子化设计,采用2个控制器,泵和阀共用1个控制器,采集压力传感器、臂倾角传感器、回转角度传感器和压差传感器4个信号,通过2个高速电磁阀对主泵斜盘角调节,控制泵排量;另一个控制器控制柴油机,提高小型挖掘机作业性能,简化操作和节约能耗。

  国外小型挖掘机的性能一直处于领先优势,电控系统已经发展到比较完善的地步,现已逐渐向智能化方向发展.面对全球的能源危机,为进一步实现节能,小松、住友、凯斯等企业已推出混合动力型小型挖掘机,如小松推出的PC200-8Hybrid油电混合动力小型挖掘机,采用欧Ⅲ发动机为动力源,回转功能采用电机驱动以减少回转时的液压能耗损失,并让小型挖掘机工作在相对低的转速下工作,相比同型号的小型挖掘机可减少20%的能耗。

电控节能技术在小型挖掘机中的应用与发展

  二、国内小型挖掘机电控系统的研究现状
  我国从20世纪60年代开始研制液压小型挖掘机,在80年初通过引进德国等国家的先进技术,使小型挖掘机产品性能得到了一定的提高.尽管经过了20多年的发展,但小型挖掘机产品与国外还有很大差距,以2006—2008年小型挖掘机销售为例,国内中型小型挖掘机(主要是三一和柳工)销量之和的市场占有率分别是6.94%,6.21%和7.43%,国内市场占有率均不足10%,绝大部分市场被国外企业如斗山、小松、日立、现代等外企占领.主要原因是小型挖掘机上用的主要配件,如柴油机、液压元件都需要进口,国内这些产品的质量和可靠性难以达到作业要求;另外国外企业还对电控技术进行封锁,所以与小型挖掘机相关的核心技术都在国外,造成国内小型挖掘机在节能控制、半自动操作等性能与国外产品有一定差距.国内小型挖掘机开发主要采用了与外企合资和校企联合开发的两种方式。
  1、与外企合资
  为了提高国产小型挖掘机性能,国内厂家采用两种方法,一是与国外合资,如烟台大宇、江苏现代、合肥日立、成都神钢和徐州卡特等,但是核心技术还是在国外企业,难以国产化.另外一种方式就是引进先进液压系统和电控节能系统来提高国产小型挖掘机品质,如四川长江小型挖掘机厂生产的WY403型全液压小型挖掘机使用了力士乐的液压件,实现容积调速,提高了系统效率;三一使用了川崎的正流量系统和控制器,提高了系统性能。
  2、校企联合开发
  国内高校也参加到小型挖掘机节能控制研究,主要有浙江大学、吉林大学和中南大学等高校.在1994年浙江大学与广西玉林柴油机厂合作开发20t节能控制、故障报警的液压小型挖掘机.浙江大学的高峰对各种阀控节能技术进行了综合研究,针对负流量控制提出了负荷传感的闭环控制来实现流量分配,从理论上推导了柴油机-液压泵的功率匹配控制模型.浙江大学的张彦廷以一国外20t掘机液压系统为研究对象,开展了小型挖掘机混合动力的研究,以改善功率匹配。
  吉林大学的郭晓方等试验研究了小型挖掘机的发动机-泵的联合控制系统,指出了发动机与泵功率匹配等控制机理,对小型挖掘机各控制功能进行了分析.吉林大学的张栋开展了小型挖掘机功率匹配的研究,指出了3挡动力模式发动机与泵的匹配关系,小型挖掘机在总负荷挖掘模式时,柴油机在额定功率转速附近工作;在标准作业模式时,柴油机在最大比油耗范围内工作,同时兼顾经济性;在轻载作业时,柴油机在最大转矩工况附近工作,同时兼顾燃油经济性,采用PID及其改进控制算法对发动机油门和泵进行了研究.吉林大学与徐州工程机械集团合作开发了液压小型挖掘机分工况转速感应控制,并采用PID对泵进行恒功率控制,将变量泵流量的波动范围减小。
  中南大学与山河智能对小型挖掘机节能控制、小型挖掘机铲斗轨迹控制进行了研究.纪云峰采用转速感应对小型挖掘机功率分配进行研究,针对小型挖掘机工况复杂,负载变化大引起转速不断变化和发动机工作时滞后较大的问题,指出采用转速和油门位置双闭环控制的改进PID算法可提高小型挖掘机工作平稳性;吴晓健开
  展了小型挖掘机功率控制节能方面的研究,分析了发动机和液压泵的性能,采用PID研究了负载-泵-发动机的匹配控制策略;程度旺开展了多功能小型挖掘机功率匹配的研究和试验,给出了PID控制参数试验调试的方法,对开展小型挖掘机电控节能研究有借鉴意义。

  国内电控系统在故障监控方面的研究已经比较成熟,但是电控节能方面与国外还存在一定差距,因为国外节能除了开展发动机-泵的复合控制,还在液压系统内部进行改进.国内研究者针对液压系统效率低,开展了混合动力节能方面的研究,如浙江大学的张彦廷,王冬云等改进控制系统结构,进行混合动力研究,取得了一定成效.国内企业三一和詹阳动力在BISE2009展会上展出了混合动力小型挖掘机,国产挖挖机的性能得到了较大提高,逐步从模仿到自主创新,但与国外小型挖掘机在性能上相比还存在差距。

电控节能技术在小型挖掘机中的应用与发展

  三、国内外小型挖掘机电控系统的发展趋势
  目前工程机械的控制系统的电气系统逐渐被更先进的控制网络取代,并且随着计算机技术和微电子技术的发展与应用,小型挖掘机控制系统将逐渐融合电子技术、计算机技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术等新技术,小型挖掘机的电控系统也逐步从常规的电子监控系统、节能控制系统向轨迹控制、智能化机器人方向发展,今后电控系统的发展主要体现在以下几方面。
  1、电喷发动机的应用
  大多数发动机功率匹配还是采用机械调速的柴油机,通过转速和执行电机的位置反馈让发动机工作在一个经济区,但是机械调速发动机的喷油泵的供油量和喷油提前角会受转速影响,而转速在工作中总是在一定的范围调节的,使柴油机的性能难以进一步提高.采用电喷控制的柴油机,喷油泵的循环供油量和喷油提前角不受转速的影响,让小型挖掘机工作在最佳的状态,进一步提高燃油效率,并且新的道路非移动机械的道路排放标准也要求使用电喷发动机。
  2、CAN总线的应用
  随着液压小型挖掘机逐步向智能化方向发展,更多的电子设备将应用到控制系统,必然导致车身布线越来越长,愈来愈复杂,运行可靠性降低,故障维修难度增大.为提高信号的利用率,必然采用更先进的通信网络。目前CAN总线是车载通信网络的标准协议,随着支持CAN协议的控制器、显示器、传感器的大量出现,支持CAN总线的控制系统将成为主流。
  3、远程通信技术的应用
  随着工业化的进程,单机控制技术将向控制网络方向发展,实现小型挖掘机的远程监控和维护。目前,国内的三一、徐工和天工已开展远程监控系统的设计.远程通信技术主要包括GPRS网络和SMS短消息技术,GPRS在速度、价格和传送内容上都比SMS优越,其特点是实时在线,速度为56~114kbp·s,因此目前的远程监控系统将使用GPRS网络.随着3G网络的发展和覆盖,小型挖掘机的远程监控网络将逐渐使用速度更快的3G网络,监控系统的内容将由文字传送到现场照片或者视频传送。
  4、GPS技术的应用
  GPS是全球定位系统,可提供实时的、高精度的三维位置和速度信息,将逐渐用于小型挖掘机的远程监定位,解决小型挖掘机分期付款、租赁、防盗等问题.GPS技术也将逐渐结合地理信息技术(GIS)解决机群协同作业等问题,提高管理作业效率。
  5、智能传感器技术的应用
  工程项目对小型挖掘机高精度、高可靠性的要求,小型挖掘机将逐步向智能化机器人的方向发展,将有更多的传感器用于小型挖掘机控系统中,为减少环境干扰,将有新的传感器或者智能型的传感器用于控制系统中,如带CAN总线的数字化传感器的逐步应用。
  6、智能化电液比例控制技术的应用
  目前小型挖掘机控制系统中常用PID控制方法,随着计算机技术和自动控制技术的发展,电液控制将朝智能化、高精度、高性能方向发展,更先进的控制方法如自适应PID、模糊控制方法、模糊PID控制方法、人工神经网络、专家系统等方法将逐步应用于小型挖掘机的电液控制中。
  7、混合动力的应用
  小型挖掘机的工况变化复杂,目前的控制系统对动臂和斗杆的下降、回转的势能都无法利用,而采用混合动力可减少能耗.目前日立、小松、卡特等欧美和日韩企业都开展了混合动力挖机的工作,并推出了一些机型,国产的三一和詹阳动力也推出了样机。随着能源危机的加剧,随着混合动力技术的发展,混合动力的小型挖掘机将逐步应用于现场作业,提高燃油利用率。
  本文综述了小型挖掘机电控系统的国内外研究现状,指出仅从机械和液压角度来考虑很难使小型挖掘机性能有质的飞跃,必须融合具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术、智能化电液控制技术、远程通信技术、自动控制技术等新技术,才能推动小型挖掘机向“智能化”和“节能”方向发展。
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