挖掘機是工程機械主力機種，廣泛地應用於各個領域，一般採用柴油機，工作時間長，作業負荷重，消耗大量燃料，排放大量廢氣，因此節能降低燃耗，同時降低排放對保護環境有很重要意義。
燃料能量首先通過發動機轉換損失了不少能量。
發動機輸出功率大致只有20％左右變為挖掘機的有效功。其中約40％損失於液壓元件約20%損失於車體和作業裝置的運動，約20％左右損失於節流調速控制。
為了降低能耗，挖掘節能潛力，研究節能措施，需對挖掘機作業能耗全面情況和挖掘機節能技術有所了解。
一、液壓元件能量利用情況和效率的提高
1.幫浦和馬達
目前幫浦和馬達的效率已達到了一定的水平，各著名廠家產品的效率差別不大，要進一步提高效率已較困難，要從材料和結構上作更深入細緻地研究。2.控制閥
從閥的設計來看，通過閥內油道、通路形狀等改善來降低能量損失的餘地已不大，閥體尺寸和閥杆通徑確定後，各廠家閥的能耗也已無明顯差別。有人提出採用純插裝閥或插裝閥和滑閥的組合閥，利用大開口流通面積，來降低壓力損失，但插裝閥操縱控制困難，與滑閥相比設計自由度和靈活性差，很難實現所需功能，而且結構複雜，作為挖掘機主控制閥很難採用。
從解決問題簡單，不提高成本出發，提高效率的最好方法是增加滑閥直徑，但多路閥組有很多聯、閥桿尺寸增加將使閥組寬度增大較多，整個閥體重量大大增加。3.管路
管路的損失取決於液壓迴路設計和管路的布置。儘管簡化管路，減少油管長度和管接頭，介面位置和管接頭也很有關係，有些管接頭（特別是軟管接頭）接頭內口徑縮小，會產生節流壓力損失，需加以改進。
有時人們提到油路系統的功率損失是指不包括幫浦和馬達，從幫浦出口到馬達入口之間的液壓功率損失，對挖掘機來說，這個功率損失，作業裝置約為20％～30％，行走裝置功率損失較大超過50％（需經回轉接頭）。對行走系統油路各處進行測定得知：行走時，控制閥功率損失為15％，平衡閥功率損失為15％，回轉接頭功率損失為10％，管路和接頭等功率損失為15％，輸給馬達的有效功率僅為45％左右，損失較大，需提高效率。
目前正在考慮取消平衡閥，但平衡閥的作用（防止下坡時馬達超速吸空）仍需保留，考慮使行走操縱閥本身具有平衡閥功能，現油壓件廠正在研製開發中，認為技術上是可實現的。
挖掘機在裝載作業時，cat公司通過模擬**得各部分的能
油幫浦損失其它損失
量損失分布情況如圖一所示。幫浦和操縱閥的能量損失佔2/3左右，其中操縱閥能量損失較大，因為操縱閥許多功能都整合在其內，
操縱閥損失
油道複雜，要降低壓力損失較困難，需要三維立體造型分析，在確保強度的基礎上盡可能地擴大通路，努力減少其狹窄部分。另
圖一挖掘裝載作業時能量損失情況
外主安全閥過載特性需改善，在接近溢流壓力時要減少其洩漏量。
二、液壓系統節能措施
（一）一般液壓系統具有的節能措施1.採用變數幫浦
採用壓力感應恆功率控制，可採用小功率發動機，有效地利用發動機功率，將節流調速
1改為容積調速減少能量損失。
2.減少中位解除安裝損失和微操作時調速損失
開中心油路採用負流量控制或正流量控制，閉中心採用負載敏感壓力補償控制，使中位時油幫浦在低壓小流量工作，只**系統冷卻潤滑和沖洗少量的油。使系統處於待命狀態，一旦工作時能快速響應。微操作調速操縱時，油幫浦能自動改變排量，按所需流量供油。
3.高壓過載切斷
過載溢流時，油幫浦能自動將流量減至很小，實際作業時，溢流操作情況很少，節能效果不大。
（二）液壓系統高壓化
提高油壓，各執行器和附屬裝置尺寸減小，所需流量降低，因壓力損失與流量平方成正比，因此可大大降低能量損失。但近年來壓力已提高到35mpa左右，進一步提高遇到了困難，油缸的強度已接近界限，進一步減小油缸直徑會造成剛度不夠；高壓化後為了減少閥的洩漏和提高軟管耐壓強度等都將使液壓系統成本提高，因為這將涉及材料、設計、生產製造技術的提高。從目前的技術水平來看，液壓挖掘機油壓已到達經濟使用壓力，要在短期內超越35mpa已較困難。
目前已提出高壓化的新目標為45mpa，從液壓元件來看，油幫浦和油馬達較易實現高壓化，在液壓挖掘機中行走比挖掘使用頻率低，而且壓力損失大，因此行走易高壓化，且節能意義較大，目前行走油壓超過40mpa問題不大。（三）再生和能量**1.工作裝置再生油路
挖掘機工作裝置和機體重量重，慣性大，在作業過程中，位能和動能損失大，應考慮再生利用和能量**。工作裝置動臂、鬥杆和鏟斗都應考慮採用再生油路，並要注意提高其再生率，工作裝置再生概念如圖二所示。例如：
日立建機2023年在ex-2系列採用了鬥杆再生迴路。2023年ex-5系列採用了動臂再生迴路，鬥杆採用了可變再生系統，2023年在zaxis系列鏟斗也採用了再生迴路。目前多數挖掘機上動臂和鬥杆都採用了再生迴路，提高了工作裝置的作業速度，改善了復合操縱效能和使液壓系統的能耗降低，效率提高。
重量m/r
m/im/o
m/d圖三再生油路模型
再生時油路模型如圖三所示，對中位開式油路存在4個節流開口面積，m/i進油節流，m/d旁通回油節流，m/r再生節流和m/o油缸回油出口節流。m/i和m/d對復合操作影響比較大，希望再生操作時不要變化，要改變再生時油缸速度，最好是調節m/r和m/o的開口面積，對再生來說，合理地設計節流開口面積，能減少幫浦的負荷，降低油耗，但是節流開口特性，不能僅考慮再生節能，還需考慮操縱性，微動控制效能，因此需綜合考慮進行模擬
2**優化設計。2.迴轉系統能量**
挖掘機迴轉質量大，工作頻繁，用於迴轉的能量，最後幾乎全部變成熱能，使油壓系統平衡溫度公升高，為了降低油溫進行散熱，又將引起附加能量的消耗。目前先進挖掘機廠家正在開發迴轉系統能量
氮氣蓄能器
**系統，例如：小松kher系統（komatsu
操縱閥hydraulic energy recycling system），用於小松大充油閥型挖掘機上。
支援閥目前世界上正在研究開發閉迴路制動時迴轉動能的各種**方法。迴轉馬達/幫浦採用蓄能器、飛輪和蓄電池等，從實際實現操縱桿
作業油幫浦
的可能性來說，採用電方法較好，因此電動挖掘
控制閥機和混合動力挖掘機（電和內燃機組合）較易實
迴轉油幫浦
現。應該說再生利用和能量**是挖掘機節能的
圖四小松系統
重要措施。
（四）通過合理流量分配來實現節能
cat挖掘機舊液壓系統設立作業模式，根據作業內容實現最佳流量分配，提高作業效率實現節能。採用模式開關（在電子監視器上）和電磁閥操縱，來實現動臂優先模式（裝載作業時）或迴轉優先模式（迴轉加力緊貼側溝挖掘作業）等，但需操縱模式電開關較麻煩，現進行了改進，僅需操縱動臂手柄和迴轉手柄就能自動實現動臂優先或迴轉優先。
三、發動機節能措施
（一）採用直接噴射式和增壓發動機
目前柴油機已直接噴射化和增壓化，大大降低了油耗，增壓發動機廣泛採用中冷式。有水冷式和氣冷式兩種，水冷式利用發動機冷卻水來冷卻經增壓後高溫的吸入空氣，但發動機冷卻水溫度高（90℃左右）、冷卻150℃以上的增壓空氣效果不好，只能冷卻到100℃左右，採用大氣冷卻可冷卻到50℃左右，由於空冷效果好，現廣泛採用。（二）採用電子控制式調速器
轉最大力矩
過去柴油機採用機械離心式調速器，無負荷時最高轉矩
額定力矩
速比額定功率轉速高100～200rpm，如圖五中虛線所示，離心式調速器負荷變化必然引起發動機轉速變化，機械調
額定功率
速器存在調速率問題，採用電子調速器，因燃油噴射量採功
機械調速器率用電子控制，噴油量與轉速沒有關係，無調速率問題，如特性曲線
圖五中實線所示。燃料噴射不受發動機轉速影響，噴射始
電子調速器
終保持高壓細化，能按發動機執行工況調整噴油規律和噴油狀態，能適應急劇的負荷變動，迅速進行調整，提高燃燒效率。圖五（三）電子控制燃料噴射系統
通過電子控制燃料噴射能根據機械狀態、負荷情況和司機操縱要求全面正確地控制燃料噴射（噴油壓力和噴油狀態，噴射開始時間和持續時間，噴射量和噴油規律），獲得最佳的燃油經濟性，並大大改善排放。（四）自動怠速控制
挖掘機作業過程中，短暫停止操作，發動機自動處於怠速狀態。
根據日立建機zx200（20噸級挖掘機）p模式挖掘作業試驗得到發動機轉速分布規律
3如圖六所示。
狀態6050403020100
800圖六
1200
160018002000
自動怠速（不作業）
低怠速（不作業）
模式（作業）
燃耗100372112
佔時間比例
62—308
p模式掘削
p模式空載（高怠速）自動怠速空載
低怠速空載
轉速1800～2000rpm，為發動機額定功率點附近，在1600～2000rpm範圍是p模式領域，是作業狀態，佔60%以上時間。1200rpm附近是自動怠速領域，佔30％時間。800rpm附近是低怠速狀態，用於暖機運轉等，約佔8％。
以p模式油耗為100，則高怠速、自動怠速、低怠速分別為37、12、12。
採用自動怠速後，替代了高怠速工況，通過簡單計算可知，油耗可下降6.8％，由於操縱響應和冒煙等原因，自動怠速轉速約為1200rpm，不能進一步降低。
如較長時間不作業時，轉速能進一步降低到低怠速狀態，可進一步降低油耗62％。自動怠速是由操縱閥操縱連動控制的，過去操縱閥一操縱發動機就一下子恢復高速，現已採用操縱閥手柄操縱量與發動機恢復轉速連動，這樣在微動操縱時發動機轉速緩慢上公升，防止不必要使發動機轉速一下子公升得過高，可進一步節能。
四、發動機和液壓系統聯合控制節能措施
（一）轉速感應全功率控制
過去挖掘機只有壓力感應恆功率控制，考慮到外界氣壓、溫度、濕度等影響，以及燃料質量和發動機本身效能下降等因素，因此液壓系統吸收功率只能按發動機90％左右額定功率設定，不能充分利用發動機全功率。
只有採用轉速感應控制，液壓系統才能和發動機全功率匹配，發揮發動機全力，在提高生產率的同時，也節約了能耗。（二）不同作業情況下的工況控制在不同作業工況下，對發動機和液壓系統有不同的功率要求，需要有作業工況相匹配的功率特性和設定（發動機轉速、幫浦吸收功率和流量特性等）。日本油谷重工試驗證明對某一作業情況有最佳平衡點，過份增加吸收功率，單位油耗作業量不會提高，反而費油，因此工況控制是有效的節能措施。
但是過去工況控制採用開關操縱，要選擇工況模式，操縱很不方便，因此司機往往為了省事，常放在最大功率模式不動，使工況控制往往不起作用，因此有些挖掘機廠家開發了自動智慧型識別系統，根據司機的手柄操作情況（操縱量和操縱速度），系統的油壓和流量來自動選擇最佳作業模式，設定功率，這將成為今後節能的一項有效技術。（三）控制發動機和油幫浦在聯合工作最高效率點上工作
工作裝置的速度由幫浦轉速n和排量ｑ所確定，雖nq乘積相同，但ｎ和ｑ值不同，總效率會不同，因此盡量改變ｎ，使發動機向高效率點（也需適當考慮油幫浦效率）轉移，使整個動力裝置效率提高。
五、從人類工程學角度來考慮節能
目前挖掘機是人機系統，都是人和機械的結合，應該從兩者共同工作是否發揮最高效率出發。
開中心直通回油系統調速效能差，存在負載飄移；復合操作困難，有負載干涉；速度設定自由度差和流量分配不理想等缺點，因此操縱性很差，必然有較多無謂的浪費動作，造成
4能量損失，對司機操作要求高，作業效率低。閉中心負載敏感壓力補償系統無負載飄移、負載干涉等現象，能適合挖掘機配各種各樣附屬裝置的流量要求。而且可以調整壓力補償程度來適合作業需要。
日本小松公司在１０噸級和２０噸級挖掘機上作了開中心和閉中心油路具
３體的對比試驗，得出結論，無論是生產率（單位時間作業量ｍ／ｈ）還是油耗（單位油量
３作業量ｍ／ｌ）都是閉中心好。
六、其它節能措施
從提高生產率和節能角度希望機械重量盡量減輕，特別是工作裝置重量減輕很重要，為此要提高鋼板強度，減薄鋼板厚度，改進焊接工藝，形狀和結構複雜的地方採用鑄件和鍛件，使受力更合理等。
更進一步採用電子控制，實現發動機、幫浦和閥等綜合控制，根據作業內容和負荷條件，自動地最優分配流量，節省無用功，提高作業效率，進一步節能。5
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q tyg001 2009 液壓挖掘機 2012 11 01發布2012 12 1實施 愚公機械股份 發布 前言本標準由愚公機械股份 技術中心提出並起草。本標準由愚公機械股份 批准執行。本標準主要起草人 趙修林 左臣明 崔滕 本標準自發布之日起有效期三年，到期複審。液壓挖掘機 1 範圍 本標準規定了...
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