建筑机械液压系统节能控制技术创新与实践路径探究

引言

建筑机械如挖掘机、装载机、混凝土泵车和起重机等，在工程施工过程中承担着土方搬运、材料输送、桩基钻进等核心任务，其动力系统主要依赖于液压传动技术。液压系统以其结构紧凑、功率密度高和可实现大推力、大扭矩等优点，成为建筑机械的首选。近年来，随着节能减排和绿色施工理念的深入推广，针对液压系统的节能控制技术创新需求愈发迫切。本文旨在系统梳理建筑机械液压系统的节能需求与技术瓶颈，分析影响系统能效的关键因素，重点研究基于智能控制与系统优化相结合的节能控制技术，提出可行的实践路径，并通过仿真与实验验证其在实际机械平台上的应用效果，为建筑机械行业的节能降耗提供理论支撑和实践参考。

一、传统液压系统能耗现状与影响因素

传统建筑机械液压系统多采用恒压恒流供油方式，即泵端输出的流量与压力保持固定，无论执行机构所需的实际功率如何，溢流阀都会将多余的流量或压力以热能形式释放到油箱中，从而造成严重的能量浪费。据统计，在挖掘机、装载机等典型施工机械的循环工作中，空载和轻载工况占总作业时间的 60% 以上，在此工况下系统总能效往往低于 30% 。影响液压系统能效的主要因素包括：一是液压元件本身性能欠佳，如传统定量泵容积效率低、内泄漏量大，溢流阀泄漏损失明显，以及执行机构在往复运动时产生的摩擦阻力；二是系统结构参数设计不合理，长管路、大弯头和小直径管道会加剧压降，回油温升升高，又进一步降低油液粘度，损害系统效率与元件寿命；三是工况分配方式单一，恒压恒流模式无法根据各执行机构实际负载需求灵活调整输出，致使高负载时动力不足、轻载时大量能量被浪费；四是控制策略缺乏智慧化，仅依赖传统的开关式阀控或简单的 PI 闭环控制，既不能针对动态负载变化进行自适应调节，也难以兼顾节能与响应速度的平衡。除此之外，系统中蓄能器、管道热管理和油品质控等辅助环节往往被忽视，也在一定程度上加剧了能耗。由此可见，要显著提升液压系统的整体能效，必须从元件选型、管路优化、工况适配和智能控制四个维度出发，进行协同优化设计，将变量排量泵、节能型比例伺服阀及能量回收装置等新兴技术融入系统，并结合实时工况监测与模型预测控制算法，实现精准调节与能量再利用，才能有效减少热损失、提升系统效率、降低燃油消耗和排放。

二、节能控制技术的发展与研究进展

国内外学者针对传统恒压恒流液压系统能耗高的问题开展了大量研究，形成了几类典型的节能控制技术路径：首先是以变量排量泵为核心、结合双闭环流量—压力耦合控制策略的方案，通过实时检测执行机构需求，自动调节泵的排量和压力输出，使系统在不同作业工况下保持高效率；其次是将节能型溢流阀与节流式比例伺服阀相结合，构建分布式负载感知网络，在多路执行机构同时运行时，依据作业优先级和负载变化实时调整分流比例，实现流量按需分配，最大限度减少溢流能耗；第三是引入液压蓄能器或再生回路，通过回收卸载或下行等工况中执行机构释放的潜能，将多余能量暂存后再反馈给系统或辅助设备，不仅提升了瞬态响应速度，还降低了泵的平均功率需求；第四是采用先进的模型预测控制（MPC）与自适应鲁棒控制算法，通过在线辨识系统非线性特性、时变参数及工况突变，预测未来负载变化并提前优化控制量，实现多目标的智能决策。近年来，随着电液伺服技术和数字阀控产品的成熟，学者们进一步提出将电机—泵一体化伺服驱动与数字比例阀深度融合的综合方案，通过电驱泵的快速调节与阀控的精确分配协同作用，使液压系统在节能、响应和可靠性方面均获得显著提升，为建筑机械的绿色低碳运行提供了新的创新空间。

三、创新节能控制方案设计

针对建筑机械液压系统的实际工况特点，本文提出了一种基于分配式负载感知与智能阀控相结合的节能控制方案。在该方案中，首先在主油路上集成高响应、多量级的比例伺服溢流阀，通过在线监测各执行机构的流量与压力需求，实时调整阀开度，将多余流量切换至液压蓄能器进行储能回收；其次，系统采用双泵并联结构，一台变量泵负责主负载，一台定量泵为二次回路提供预压，降低变量泵低负载时的泵排量；再次，配合基于MPC 的控制器，对预测工况进行在线优化，综合考虑燃油成本、压力损失及响应时间等指标，实现多目标最优控制；最后，在控制软件层面引入故障诊断与健康管理模块（HDM），对阀门泄漏、泵磨损等故障模式进行实时监测与预警，保证系统长期稳定运行。

四、实践验证与效果分析

为验证上述节能控制方案的有效性，分别在某品牌挖掘机与装载机平台上进行了仿真与实车试验。仿真结果显示，与传统系统相比，本方案在典型土方挖掘循环中油耗平均降低 15% ，系统能效提升约 20% ；同时，蓄能回收比例达到 10% 以上。在实车试验中，通过在线油耗监测与工况记录，发现轻载与空载工况下的节油效果更为显著，最高节能率可达 18% ，而在重载工况下系统响应速度提升约 25% ，满足了高效作业需求。此外，现场巡检数据显示，新系统在长时间运行中温升降低 5^qC ，阀泄漏与泵漏损亦显著减少，系统可靠性与维护周期得到延长。

五、结论

本文系统分析了建筑机械液压系统的能耗现状及主要影响因素，综述了国内外节能控制技术研究进展，提出并实现了一种基于分配式负载感知与智能阀控相结合的创新控制方案。仿真与实车测试结果验证了该方案在节能降耗、响应性能提升与系统可靠性增强方面的优越性，为建筑机械行业的绿色低碳转型提供了可行路径。未来，随着数字化与工业互联网的深入发展，基于大数据与云平台的液压系统远程优化与自学习控制将成为技术发展趋势；同时，多源能源耦合（如电—液混合系统）与模块化阀控单元的推广应用，也将进一步推动建筑机械液压系统节能控制技术迈向更高水平。

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