液壓挖掘機作業循環內油耗量化方法研究

韋俊茂 蘇永志 肖青松

摘要：為了識別液壓挖掘機作業過程的能量消耗分布情況，根據挖掘機的作業過程將挖掘機的作業循環分為4個階段，提出可以量化每個階段油耗的方法。通過分析挖掘機的作業狀態和各個階段的耗油比例，可為油耗優化提供方向，縮短能耗調試周期。

關鍵詞：挖掘機;油耗;作業循環

0 ?引言

挖掘機使用成本中，燃油消耗費用約占30～40%，挖掘機燃油消耗量是衡量挖掘機燃油經濟性的主要指標，用以評價在用機器技術狀況的性能參數，越來越受用戶的關注[1]。隨著市場競爭的加劇，對液壓挖掘機節能技術的研究越來越迫切。

人們通常以單位小時消耗的燃油體積及單位時間內的裝載重量，即油耗及作業效率來評價液壓挖掘機的節能性，但油耗及作業效率僅是一個測試結果，根據測試結果很難直接找出造成產品節能性差異的原因，使得調試優化工作不易找到準確方向，非常耗時耗力[2]。本文基于一種高精度油耗儀，實時采集挖掘機的油耗曲線，并使用傳感器對挖掘機作業循環的各個階段進行識別，從而將挖掘機作業循環各個階段的油耗情況進行分離，得出不同階段的油耗占比情況，為油耗優化提供方向。

1 ?油耗測量原理

常用的油耗測量方法有附加燃油箱法和油耗儀測試法，要對挖掘機作業過程各個階段的油耗情況進行測試，附加燃油箱法顯然不能滿足試驗要求，所以需采用油耗儀測試法，其連接示意圖如圖1。

本文中使用的油耗測量設備為GREGORY FCS-D油耗儀，該油耗儀將挖掘機油油路分為油箱回路和發動機回路。油箱回路在油耗儀內置燃油泵的帶動下在建立壓力，發動機工作時，消耗發動機回路內燃油，油箱回路燃油流經傳感器對發動機回路進行補充，流經傳感器的燃油量即為發動的燃油消耗量。油耗儀燃油流動原理圖見圖2。

油耗儀內置傳感器由4個柱塞和1個曲軸組成，4個柱塞通過連桿偏心安裝在曲軸上面，其結構見圖3。已知柱塞的截面積及行程，由此可以計算柱塞單工作循環的注油量，通過測量所有柱塞的工作循環數即可計算出通過傳感器的燃油體積。由于各柱塞工作過程完全相同，以柱塞3為例說明傳感器的工作過程：曲軸從位置4向位置1轉動，柱塞4向左移動，柱塞3進油口打開，燃油進入柱塞3缸體內;曲軸繼續轉動，柱塞3繼續上行并持續注油，直至到達位置2，柱塞3進油口完全關閉，注油完成;曲軸繼續轉動，由于柱塞4向右移動使柱塞3的進油口與出油口聯通且柱塞3向下移動，燃油從出油口排出，直至達到位置4進油口重新關閉，完成一個工作循環。由此可見，曲軸每旋轉360°，每個柱塞都會完成一個工作循環。為了統計燃油消耗量，需要將曲軸的旋轉轉化成電子脈沖，因此在曲軸安裝一個磁鐵，使用若干個霍爾傳感器監測這旋轉的磁場，曲軸每一次完整的旋轉都生成固定脈沖數。使用數據采集系統脈沖，脈沖的總數乘以體積因子，計算出的結果就是傳感器的測量值，試驗過程的油耗統計的計算方法如下：

式中：Q為燃油消耗量，單位：mL;

t1、t2分別為測試開始和結束時間;

f為所采集到的傳感器輸出信號，單位：Hz;

k為油耗儀參數，單位：Hz/mL。

2 ?挖掘機作業循環分析及數據采集方法

液壓挖掘機的一個作業循環可分為4個階段：挖掘、提升回轉、卸載、空斗返回挖掘位置。

①挖掘階段，斗桿、鏟斗回收且伴有動臂提升，直至挖掘完成。該階段以斗桿開始挖掘為起點，開始回轉為終點;②提升回轉階段，挖掘機完成挖掘開始回轉并提升動臂，同時為避免物料灑出，斗桿及鏟斗繼續回收，直至到達預定位置。該階段以回轉開始為起點，動臂停止提升為終點;③卸載階段，鏟斗打開，斗桿外擺，直至卸料完成。操作手提高效率，期間可能伴隨回轉。該階段以動臂停止提升為起點，鏟斗打開完成為終點;④空斗返回階段，挖掘機向反方向回轉，動臂下降，調整斗桿及鏟斗油缸使鏟斗到達下一挖掘位置。該階段以鏟斗打開完成為起點，反向回轉停止且下一循環斗桿開始挖掘為終點。

根據挖掘機的作業循環，要對挖掘機作業循環的階段狀態進行區分，我們必須實時采集動臂、斗桿、鏟斗及回轉的動作狀態。本文使用拉線式位移傳感器對動臂、斗桿、鏟斗的位置進行監控，采用陀螺儀對整機的回轉狀態進行監控。

3 ?作業過程油耗篩分方法

實現挖掘機作業過程各階段的油耗的篩分，需要所有信號隨挖掘機作業同步完成，本文使用數據采集儀的上述信號進行采集，采集過程對油耗儀的脈沖信號按公式（1）進行積分計算，數據示例見圖4。

圖4為若干個作業循環的測試數據，通過識別動臂、斗桿、鏟斗及回轉的位移動作狀態，讀取循環開始、結束時的累積油耗，兩者的差值即為單個循環的油耗量。按照同樣的方法，也可以根據挖掘機作業循環內動作的劃分，識別單個循環時間內各個階段的油耗量，階段劃分示例見圖5。

4 ?測試實例

以某型液壓挖掘機為例，按照上述方法進行油耗測試。為確保作業對象的一致性及重復性，根據吳學松[3]的研究，選擇建筑碎石作業對象。挖掘深度、挖掘高度按日本建設機械化協會（JCMAS）制訂的JCMAS H020：2007標準執行，提升回轉的角度為90°，試驗結果如表1。

對表1數據進行計算，某型液壓挖掘機在本工況下的平均循環時間為10.65s;單個作業循環的平均油耗為53.5mL;各階段用時比例分別為：20.99%、42.49%、13.98%、22.54%，耗油比例分別為：19.16%、52.88%、12.61%、15.35%。根據工況分析可知：由于試驗使用的物料為建筑用碎石，挖掘機阻力較小，挖掘階段耗油比例為19.16%;提升回轉階段整機需要克服慣性回轉并提升物料，發動機負荷較大，耗油比例高達52.88%;卸載及空斗返回階段發動機負荷均較低，耗油比例也較低，各個階段的耗油比例合理?？梢?，測試結果與實際情況相符，本方法能有效識別工作循環內各個階段的燃油消耗情況。

5 ?結語

本文研究一種液壓挖掘機作業循環內油耗量化方法，能準確測量挖掘機不同作業階段的油耗情況，方法經驗證切實可行。方法同時實現挖掘機不同階段作業階段用時比例的測量、單循環時間和油耗的測量。能為挖掘機作業效率優化、油耗調試提供方向，也可以用于挖掘機鏟斗節能性評價等。

參考文獻：

[1]王飛，楊曉磊，張會明.噴油脈寬法測量液壓挖掘機燃油耗量研究[J].建筑機械化，2017（2）.

[2]陳健，高聚瓊，毛明秀.液壓挖掘機作業效率量化方法研究[J].工程機械，2017（10）.

[3]吳學松.液壓挖掘機油耗測試與綠色性能評價探討[J].建筑機械化，2015（4）.

作者簡介：韋俊茂（1985-），男，廣西都安人，工程師，從事挖掘機試驗研究。