楊哲

[摘 要]本文分析了工程機(jī)械功率運(yùn)作流程，在此基礎(chǔ)上引入了廣義節(jié)能概念，并介紹了基于廣義節(jié)能概念下的工程機(jī)械全電控節(jié)能技術(shù)以及分布式節(jié)能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的全面節(jié)能。

[關(guān)鍵詞]節(jié)能控制；工程機(jī)械；電子

[中圖分類號]TM921.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1005-6432（2014）27-0041-02

隨著技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工程機(jī)械要求更高的操作性能，更好的舒適性以及更低的能量消耗。但是當(dāng)前如何通過機(jī)械控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)局部能量最優(yōu)化技術(shù)，我國和國外先進(jìn)技術(shù)之間存在有很大的差距。

1 廣義節(jié)能的概念

1.1 廣義節(jié)能的定義

廣義節(jié)能對工程機(jī)械四個方面有要求：效率、動態(tài)匹配、作業(yè)效率和不同功率流之間的有效配合。

工程機(jī)械全部的能量傳送和轉(zhuǎn)變的首要目的是對外界做有效功，即向外輸出有效功率。工程機(jī)械之間大多是不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，輸出有效功率往往取決于兩個因素：功率的傳遞效率和不同功率支流之間的配合效率?，F(xiàn)有的節(jié)能控制大多專注于如何有效地傳遞功率和匹配供需雙方功率上，而忽略了不同功率流之間的有效配合。

作業(yè)效率的定義是工程機(jī)械在單位時間內(nèi)的作業(yè)量。提高作業(yè)效率往往會降低節(jié)能性。因此要比較節(jié)能性要在相同的作業(yè)效率下比較，這樣的結(jié)果才是可信的。

由以上分析可知，節(jié)能不只是取決于功率傳遞的效率和功率供求兩方的動態(tài)匹配，還決定于不同功率流之間的有效配合，作業(yè)效率高低也會影響節(jié)能效果。

1.2 以柴油機(jī)為例的工程機(jī)械功率流控制現(xiàn)狀

從能量轉(zhuǎn)換的定義上分析，工程機(jī)械的工作過程是不同能量形式相互轉(zhuǎn)換、傳遞和對外輸出功率的過程。想要分析工程機(jī)械的節(jié)能效果就要分析其功率流（見圖1）。

圖1是以柴油機(jī)為例的工程機(jī)械工作功率流。對于使用柴油機(jī)當(dāng)做動力源的工程機(jī)械，輸出的動力最終來自儲存在柴油中的化學(xué)能。柴油機(jī)將柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的形式表達(dá)出來。這是柴油機(jī)的基本能量轉(zhuǎn)換過程。

目前采用的柴油機(jī)節(jié)能方法是全程調(diào)速或電控噴油等控制技術(shù)，這些技術(shù)能夠有效地改善柴油機(jī)工作性能，降低油耗。采用液壓泵吸取柴油機(jī)的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽粤髁亢蛪毫Φ男问奖憩F(xiàn)出來，一般采用恒定功率控制、壓力切斷、正流量控制等控制策略改善泵的工作性能。

柴油機(jī)是能量的供方，而液壓泵是能量的需方，實(shí)際工作中對柴油機(jī)和液壓泵使用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制或功率極限載荷控制等方法，以改變二者聯(lián)合工作時的高能耗現(xiàn)狀。而液壓泵與液壓閥是流量的供求雙方，其中液壓泵供給流量而液壓閥需求流量。具體工作過程是液壓閥吸取液壓泵輸出的液壓能，然后液壓系統(tǒng)的壓力和流量等被調(diào)節(jié)至合理值進(jìn)而輸送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這個過程中大多使用變化流量控制方法以協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有些情況也會使用 LUDV 技術(shù)從而減少并聯(lián)回路中負(fù)載變化對流量分配的影響。在這個系統(tǒng)中，液壓閥直接由操作者控制。因此，液壓泵和液壓閥是流量的供方和需方的關(guān)系。

為了協(xié)調(diào)這種供需關(guān)系，大多使用負(fù)流量控制策略或負(fù)荷傳感控制策略。液壓閥輸出液壓進(jìn)而被油缸或發(fā)動機(jī)吸收，并向外輸出機(jī)械能，機(jī)械能以力和位移或轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的形式表現(xiàn)。這些機(jī)械能中的一部分或全部對外界載荷做功，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對外載荷的有效做功組成了有效功率。這就是柴油機(jī)工作過程中的功率流過程分析。由此可見，現(xiàn)在的元件效率控制技術(shù)、子系統(tǒng)功率控制技術(shù)和部件功率控制技術(shù)不能協(xié)調(diào)整機(jī)進(jìn)行節(jié)能分析，只能在自己工作范圍內(nèi)達(dá)到局部最優(yōu)值。

2 工程機(jī)械全局節(jié)能控制系統(tǒng)

2.1 全局節(jié)能控制系統(tǒng)

全局節(jié)能對于加強(qiáng)機(jī)械工作性能，降低能耗具有重要意義。為了建立廣義節(jié)能定義下的全局節(jié)能控制系統(tǒng)，要將整機(jī)和外界負(fù)載作為研究對象，并將節(jié)能目標(biāo)設(shè)定為傳統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制以及作業(yè)效率，達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。

為了方便對節(jié)能效果進(jìn)行定量分析，可以定義全局節(jié)能指標(biāo)如下：

全局節(jié)能指標(biāo)=對外有效功/（油耗×作業(yè)時間）=有效功率/油耗

從以上定義式可以看出，全局節(jié)能指標(biāo)指的是單位時間單位油耗的工況下機(jī)械對外輸出的有效功。這個定義考慮了傳統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制以及作業(yè)效率三個方面的內(nèi)容，能夠全面地評價工程機(jī)械能耗特性。

全局節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以劃分為三個小目標(biāo)，即協(xié)同作業(yè)目標(biāo)，作業(yè)效率目標(biāo)以及傳統(tǒng)節(jié)能目標(biāo)。每個小目標(biāo)還可以再往下細(xì)化為系統(tǒng)目標(biāo)，部件目標(biāo)和元件目標(biāo)，對工程機(jī)械里面每個部件的協(xié)同作業(yè)情況，作業(yè)效率情況和能耗情況進(jìn)行實(shí)時的控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)全局節(jié)能的效果。

2.2 全電控系統(tǒng)電子節(jié)能控制技術(shù)

傳統(tǒng)的節(jié)能控制已經(jīng)能夠達(dá)到局部最優(yōu)，因此要想取得更大的節(jié)能成果只能突破傳統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)，可以從以下三個方面實(shí)現(xiàn)：

①改變固定參數(shù)功率匹配方法，實(shí)現(xiàn)不同工況下的動態(tài)功率匹配；

②使用作業(yè)模式識別技術(shù)，即在不同作業(yè)模式的動態(tài)功率分配系統(tǒng)；

③以操控人員的操作意圖為出發(fā)點(diǎn)，建立不同操作模式的作業(yè)效率管理系統(tǒng)。

以上目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以通過全電控節(jié)能控制技術(shù)和分布式節(jié)能控制技術(shù)來改善傳統(tǒng)節(jié)能控制效果。

2.2.1 全電控節(jié)能控制技術(shù)

全電控節(jié)能控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使用電控噴油柴油機(jī)和電比例液壓泵、電比例控制閥、電比例液壓發(fā)動機(jī)。在全電控的能量傳遞條件下能夠達(dá)到硬件功能的最小化的效果，增加硬件的通用化程度，達(dá)到更深入的感知和更全面的智能控制效果。因?yàn)殡娍叵到y(tǒng)中的控制功能和專用功能是由系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的，所以在機(jī)械工作過程中根據(jù)實(shí)時工況和操作意圖在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)匹配柔性化，以獲取更好的、全面的、廣泛的節(jié)能效果。

2.2.2 分布式節(jié)能控制技術(shù)

全電控節(jié)能控制技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對整機(jī)節(jié)能的控制，但是控制程序需要處理液壓系統(tǒng)的實(shí)時壓力信號，要求控制系統(tǒng)有很高的響應(yīng)速度，目前技術(shù)水平仍然難以滿足對壓力信號實(shí)時處理的要求。

為加快對機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)處理速度，可以開發(fā)基于總線的液壓泵控制器、液壓閥控制器和發(fā)動機(jī)控制器，也就是說每個控制器都連接了高速總線，加快處理速度。

基于總線的分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中發(fā)動機(jī)控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)時工況數(shù)據(jù)和用戶操作意圖改變發(fā)動機(jī)噴油多少，并將處理數(shù)據(jù)輸送到總線，同時從總線上收取其他控制器的控制命令；液壓泵控制器和液壓閥控制器也執(zhí)行類似的操作?；诳偩€的分布式控制系統(tǒng)可以有效地增加控制信息的運(yùn)算和傳送速度，滿足全電控節(jié)能控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度的要求。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)節(jié)能控制只能達(dá)到局部最優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)全局的能耗控制?；谌质焦?jié)能控制系統(tǒng)的定義設(shè)計(jì)的全電控節(jié)能控制系統(tǒng)與分布式節(jié)能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于動態(tài)功率和動態(tài)工況的節(jié)能控制模式，為工程機(jī)械節(jié)能指明了發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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