1.3.2 测试样机法

液压挖掘机综合性能测试系统通过对整机节能性、动力性、操控性、稳定性等指标进行测试，给出系统的综合性能评价，为整机的设计、集成、控制和优化提供可靠依据。

1.液压挖掘机性能评价指标

目前，国内外对液压挖掘机尤其是各种新型液压挖掘机性能尚无统一、标准的评判准则。为了对其进行综合评价，依据科学、合理地反映动力系统和部件主要性能的原则，提出若干性能指标，构成液压挖掘机的评价体系，主要包括以下几类。

（1）主动力系统指标

1）主动力单元转速控制稳定度。工作点稳定是表征先进发动机控制技术、液压混合动力技术或者油电混合动力技术等对主动力单元工作点的改善效果的重要评价指标，具体如下式。

式中 n（t）——主动力单元的瞬时转速；

nave——主动力单元的平均转速。

对于发动机驱动型工程机械，主动力单元即为发动机，电控式发动机的转速传感器一般作为一个配件安装在发动机上，发动机的转速信号可以通过发动机控制单元ECU读出；而机械式调速发动机需要单独安装转速传感器。如图1-14所示，安装在变速箱上的转速传感器通过齿数转换成脉冲信号有效地检测发动机的转速。

图1-14 测量发动机转速的转速传感器安装示意图

而对于纯电驱动工程机械，主动力单元为电动机，目前新能源电动机几乎都安装了转速传感器（旋转变压器、光电编码器），电动机的转速信号也可以通过电动机控制器读出。目前新能源电动机应用较多的是旋转变压器，主要旋转变压器具有和电动机相似的结构（绕组、叠片、轴承和支架），可用于超重载应用。因为不带电路硬件，它能够在更加极端的温度下运行。因为不带光学元件以及不需精密对准，它能耐受更大的冲击和振动。因为不带光学元件和电路硬件，它能够用于高辐射环境。旋转变压器已经过时间的考验，但是模拟信号输出限制了其使用范围。

旋转变压器属于一种特殊功能的电动机，由定子和转子组成，主要用于回转电动机运动中的转角和转速测试。在安装结构上，根据安装位置不同可分为电动机同轴安装和最终传动环节同轴安装。目前，普遍使用的安装方式是采用电动机同轴安装的方式。旋转变压器的转子安装在电动机的轴上，旋转变压器的定子安装在电动机的外壳或端盖上。旋转变压器通过电动机轴的旋转带动旋转变压器的转子在旋转变压器的定子中旋转，进而在旋转变压器的定子中产生相关的AC信号，该AC信号的相位特征通过数学变化可及时地反馈出电动机转子的角位置变化。在带反馈控制的电动机中，定子所产生的AC信号用于使定子绕组的电流将在定子中旋转的磁场和由转子两极之间所产生的磁场中的空间保持在最佳的角空间（通常为正交）。

2）油耗。主要针对发动机驱动型工程机械，表征发动机的燃油消耗，具体如下式。

式中 O（t）——发动机的瞬时油耗。

目前，测定发动机耗油率的方法通常有容积法、重量法、流量计法、流速计法和碳平衡法。目前，汽车即时油耗是以某一个时间段（10s或15s）内油耗的平均值作为计算显示结果，一般利用涡轮流量传感器来测量进、回油管道的燃油流量的差值。国外一些燃油即时显示系统一般采取在某一时间段的基本喷射时间作为采样标准来估算燃油消耗，并不是真正定义上的即时油耗。容积法、重量法、流量计法、流速计法和碳平衡法这些测量方法的基本形式相同，即将测试仪器串接到发动机供油系统中，普遍存在以下问题。

•油耗仪串入到油路中后会影响到发动机燃油的供给，影响燃油消耗的测试精度，如测试管路中的气泡、泄漏。

•油耗仪的安装连接十分不便，首先必须弄清不同机型的油路，连接管路的孔径和长度也有可能不匹配，当有回油管路时，其安装更加麻烦。

•单车测量过程时间长，影响了检测线上所有检测车辆的检测时间。

•安全问题，尤其是燃油的挥发造成污染和易燃安全隐患。

•基于容积法的油耗检测液面传感器大多是利用光在空气和油介质中折射率变化理论检测油面信号，对油管与液面传感器的相对位置要求较为严格，且容易受到不稳定光源及环境光源的干扰。此外，测量容器的内外壁表面均易产生油污，当光源较弱时，液面传感器因光线无法穿透油污检测不到测量开始信号，同时还会受到较强光源的非测量信号干扰，影响油耗检测系统的使用重复性及可靠性，最终降低整个系统的测量精度，尤其在柴油发动机运行环境中，这种方法不可取。

•采用重量法检测燃油消耗量，每一次检测时，储油箱中的油液都不能被全部放掉，总会存在一些残油液，存在这样一个弊端，必然会影响测量的精度。因此，这种方法普遍用于检测精度要求不高的大型机组或工程机械的油耗测量。

•流量计法和流速计法可以测量瞬时耗油率，但由于单位时间燃油的流量很小，因此测量的精度较低。

目前，碳平衡法是根据质量守恒定律，汽（柴）油经过发动机燃烧后，排气中碳质量总和与燃烧前的燃油中碳质量总和相等。碳平衡检测方法在实验室内检测车辆工况油耗的方法国际上是通用的，虽然在各国的标准或法规中表达形式略有不同，但是仍在不断的修正中。虽然，碳平衡法可以不破坏车辆发动机油路原有结构，快速测量燃油消耗量，但其测试结果精度主要取决于试验中所用废气分析仪器的测量精度，实际操作中考虑到检测设备的成本问题，检测环境的噪声干扰问题，使油耗测量过程很难达到理论状态。因此油耗检测计算结果与实际的油耗往往有较大的偏差。此种方法只适用于实验室，产品不够成熟并不适用于推广应用。

美国、日本等发达国家在20世纪70年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗检测系统进行了大量的研究，并取得了一些成果及试验数据，结果表明，该方法检测汽车油耗是完全可行的，并且可以在检测汽车尾气排放时进行，但该检测系统设备庞大、复杂，而且无法实现快速检测。采用这种检测系统进行油耗量检测仅仅局限于实验室中。难以在实际中广泛应用。

当前典型油耗仪的基本参数如下。

•日本小野公司的FP-214型活塞式流量传感器、涡轮流量仪、数字式油耗仪及四活塞式流量计等。FP-214型活塞式流量传感器的最低采样时间为0.1s，最小油量分辨率为1mL，传感器量程为0.3～120L/h。

•涡轮流量仪具有瞬时油耗测量和累计油耗测量功能，目前已经被普遍采用，在测量流量为0.05～20L/h的液体时，在正常条件下，其油耗量测量的准确度可以达到±0.5%，平均响应时间约为2～10ms的极高水平。中小功率发动机燃油消耗量较小，一般在10～3000mL/min，如果继续使用这样的涡轮流量计测量，其结果的准确度会因为此值已经超出一般涡轮流量计的测量下限而不能保证，因此其测量结果亦没有参考性及可比性，为此国内研制出不同大小的涡轮流量计以满足汽油发动机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。

•美国Pierburg仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型，流量范围最低可达1L/h，响应时间为200ms，精度可达±0.1%。

•奥地利AVL公司研制的台架试验中发动机燃油消耗的精确测量仪，在油耗量为25g左右时精度较高，台架试验测量范围为0～150kg/h。尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于其原理仍是静态对燃油测量秤的改进而达到的，其动态响应时间大于200ms。不能满足对油耗的实时测量，就无法得到影响油耗的实时因素，无法为设计者提供理论及实践依据。

（2）辅助动力系统指标

1）混合度。

表征辅助动力驱动时，辅助动力源功率与总功率的比值，具体如下式。

式中 Pe，Pt——分别为辅助动力源功率和系统总功率。

根据混合度，混合动力系统大致可以分成轻度混合动力系统、中度混合动力柜和强混合动力系统。

2）效率。表征辅助动力元件的工作效率，如电动机、变频器、液压泵/马达等，具体如下式。

式中 Po（t），Pi（t）——分别为辅助动力系统的输出、输入功率。

功率的计算方法一般分成机械功率和液压功率两种，其中机械功率的计算方法如下式。

式中 P（t）——机械功率（kW）；

T——转矩（N·m）；

n——转速（r/min）。

液压系统的功率计算如下。

式中 P（t）——液压功率（kW）；

p——液压状态压力参数（MPa）；

q——液压状态流量参数（L/min）。

（3）整机指标

1）噪声水平。表征系统正常作业过程中的噪声平均值，具体如下式。

式中 C（t）——发动机的瞬时噪声值。

发动机的型式不同，其各噪声源所占发动机总噪声的比例也不同。工程机械驱动用柴油机的主要噪声源是燃烧噪声。噪声的测量与测量环境、测量方法、测量仪器等都有很大的关系，这些因素将直接影响到测量结果的可信度。测量过程中，根据测量的目的不同，测量的方法也不一样。常用的测量方法有声压级测量和声强级测量两种。

•声压测量

其基本原理是指声波传播时，在垂直于其传播方向的单位面积上引起的大气压的变化，用符号p表示，单位为Pa或N/m2。声压测量系统主要由传声器、放大器、滤波或计权器、记录仪、分析仪、检波器和显示器或表头等组成。测量得声压或声压级后，可以计算得到声强、声强级和声功率、声功率级。在工程测量中，可以测得传声器的声压信号，利用声强互谱关系式，使用信号分析仪求其互谱，再经过频域代数运算即可得到声强及其频谱。

优点：声压测量的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟，并且不会引起相位失配误差。

缺点：由于声压测量依赖于测点离声源的距离以及周围的环境，所以如果测量点位置选择不当、测试环境的本底噪声很高、环境风速很大、传声器和噪声源附近有较大反射物时都会在一定程度上影响测量结果，不同的传声器取向也会给测量结果带来一定的误差。欲提高测量精度，测量工作需要在消声室或混响室中进行，试验成本很高；对于一些大型的难以移动的发动机，将其放入消声室或混响室进行测量几乎不可能。

•声强测量

声强测量有两种基本方法，一种是将传声器和测量质点速度的传感器相结合，简称p-u法；另一种是双传声器法，简称p-p法。p-p法是基于两个传声器测得声压的互谱关系得到的。由于质点振速的测量较为复杂且精度易受环境影响，因此工程中p-p法的应用更加广泛。该方法采用两支性能相同声强探头来获取声信号，经前置放大、信号转换及滤波后，使之相加得到平均声压，使之相减并积分则得到质点速度；再将二者相乘并对时间求平均即得声强。

优点：声强测量结果基本不受环境噪声的影响，不用作环境修正，适用于近场测量。具有较好的频谱特性、灵敏度和方向特性。

缺点：声强测量系统复杂，且必须两个声强探头，易引起相位失配误差。

•几种特殊的发动机噪声测量方法

①针对发动机排气噪声的测量：将排气管引入隔声罩内，直接测量排气口噪声或者测量总噪声及背景噪声然后计算出排气噪声。

②针对航空发动机燃烧噪声的测量：受测发动机燃烧室内燃气温度高达1000℃以上。燃气压力随发动机工作状态变化，在0.1～0.2MPa或更高。普通的动压传感器无法直接安装在燃烧室内进行动压测量，需要用声波导管将被测声压传播至传感器所在位置进行测量。

③一种新型的声源检测方法：由64个传声器阵元组成平面螺旋阵列。

④采用虚拟测量仪器测量：采用虚拟仪器代替传统仪器，虚拟仪器的功能可以由用户自己定义，它的关键是软件，是一种基于计算机的开放系统，具有价格低，软件结构可节省开发维护费用，技术更新快（周期短）的特点，具有友好的中英文图形界面，以及仪器通用化和网络化的优势。

⑤近场声全息NAH（near-field acoustical holography）技术：该技术可通过实际测量较为准确地获得被测对象的声学信息。

2）废气排放水平。表征系统正常作业过程中的各种废气排放平均值，具体如下式。

式中 G（t）——发动机的瞬时废气排放量。

发动机排放的废气种类主要有：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO2）和颗粒（PM）等。目前发动机废气检测的方法主要有三种，即：用不分光红外分析（NDIR）测量CO、HC和NO；用氢气火焰离子分析仪（FDI）测量HC；用电化学原理测量NOX和O2。世界各国在工况法检测标准中都严格规定必须采用上述测量方法，但怠速法检测标准略有不同。

•不分光红外线分析仪（NDIR）

不分光型（非扩散型）红外线分析仪用来测定废气中CO、NO、HC、CO2的浓度（主要测量CO的浓度）。它使用非扩散型红外线即NDIR光。当红外线穿透CO2、CO、NO和HC与其他气体的混合物时，特定波长的红外线被各种气体吸收，吸收程度与CO、CO2、NO、HC及其他气体的浓度成正比。

不分光红外线分析装置的结构原理如图1-15所示，它由两相同的红外线光源1、滤波室3、基准室9、分析室4、检测室7、信号放大器6及记录显示仪8等组成。在基准室9内封入对红外线不吸收的气体如氮气，在分析室4内测定气体，检测室7内装有可变电容器，其动极为铝薄膜5把检测室7分成左、右两个辐射接收室。来自光源的红外线由反射镜聚成平行光束，遮光板2又把连续的光束调制成一定频率的光信号。当红外线通过分析室4和基准室9时，由于分析室4内的一部分红外线被式样气体吸收，结果检测室7左、右两接收室接收的红外辐射能不同，而转换为压力作用于铝薄膜5上。随红外线断断续续地被遮光板2阻挡，铝薄膜5振动，这一振动又转换为交流电信号，传送到记录显示仪8。

图1-15 不分光红外线分析仪的结构原理图

1—红外线光源 2—遮光板 3—滤波室 4—分析室 5—铝薄膜 6—信号放大器 7—检测室 8—记录显示仪 9—基准室

•氢火焰离子型分析仪（FD）

氢火焰离子型分析仪（Flame lonization Defector）用来分析HC。由于对HC中的烯烃和芳香族烃感度低，所以在CVS取样测定中改用FID分析HC。FID可以测到极小浓度的HC。FID的测量原理是：碳氢化合物在氢火焰中燃烧时，火焰的高温（2000℃）会使其分解产生离子，这些离子的产生和HC浓度成正比。

图1-16 氢火焰离子型分析仪结构原理图

1—燃烧室 2—收集器 3—传感器 4—高电阻 5—电源 6—喷嘴

图1-16为氢火焰离子型分析仪的结构原理图，它由喷嘴6、燃烧室1、收集器2、传感器3等组成。取样气体和燃烧气体在喷嘴处混合，然后这一混合气体又在燃烧室1和空气混合。在喷嘴6和收集器2间加一高电压，传感器3计算火焰中产生离子的数目，探测在喷嘴6和收集器2这两个电极之间流动的离子流大小，依此计算出HC浓度，其结果被输出至记录器。

•化学发光法分析仪（CLD）

化学发光法分析仪（Chemical Luminscence De-tector）用来测量NOX的浓度，其优点是感度高、应答性好，在0.01浓度范围内输出特性呈线性关系，适合连续分析。在排气成分中，其他产生化学发光的物质有CO、烯烃等，它们都以比59mm短的波长发光，为了消除它们的影响，可用滤波器将这些光波滤除。NO和O2进入反应器内，发生化学反应，所发出的光通过滤波器，由光电倍增管检出、放大并测量，这样就确定了废气中NOX的浓度。

（4）对比指标

1）节能率。表征节能型挖掘机与传统挖掘机相比的能源节约程度，具体如下式。

式中 ON，OH——分别为传统挖掘机和节能型挖掘机的油耗。

2）减排率。表征节能型挖掘机与传统挖掘机相比的废气排放降低程度，具体如下式。

式中 AN，AH——分别为传统挖掘机和节能型挖掘机的废气排放量。

（5）能量回收系统指标

1）能量回收效率。表征能量回收系统的整体能量回收过程中的效率，具体如下式。

式中 Poe（t），Pie（t）——分别为能量回收系统的输出、输入功率。

当前衡量能量回收系统的输入功率和输出功率并没有统一的计算公式。以液压挖掘机动臂势能电气式能量回收系统为例，一般以液压缸无杆腔的液压功率为能量回收系统的输入功率，实际上这种计算方法忽略了在可回收能量通过液压缸转换成无杆腔的液压能的能量损耗。而输出功率应该以电池或电容的输入功率计算更为准确，即电压和电流的乘积。

2）能量回收和再利用整体效率。目前，大多数能量回收技术的研究者很少关注回收能量的释放效率，实际上能量回收研究也应该重视能量的再利用效率，一般情况下能量的释放有多种途径，需要综合考虑不同释放途径的再利用效率。

3）能量回收对整机的节能效果。当前，由于商业炒作的缘故，很多主机厂的能量回收单元对整机的节能效果大多根据自己的规则去制定，因此很多用户使用后，发现工程机械的节能效果并没有那么理想。比如某些厂家采用回转制动能量回收系统，为了验证其对整机的节能效果，在测试时频繁的做回转加速和减速工况，而其他执行元件不工作。这种测试当然可以提高能量回收系统对整机的效果，但这种测试结果最多只能算是就单一的回转执行元件而言的节能效果。实际上整机在每个作业周期的回转次数不会那么频繁，而且多个执行元件也是同时参与作业过程的。

（6）储能单元指标

储能单元主要包括蓄电池、超级电容和液压蓄能器。其中蓄电池和超级电容一般采用荷电状态（SOC）表征，SOC表示电池或超级电容使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。液压蓄能器一般用SOP来表示其剩余能量和充到最高工作压力储存的能量的比值。下面来分别介绍蓄电池SOC、超级电容SOC和液压蓄能器SOP的算法。

1）蓄电池SOC算法。SOC是电池状态的主要参数之一，为整车控制提供判断标准。因此，准确估算蓄电池的SOC也是新能源汽车和工程机械必不可缺少的条件之一。

一般认为，在一定温度下，当充电进行到电池不能再充电时定义其SOC为100；相反，当放电进行到电池不能进行再放出电量时定义其SOC为0。需要注意的是，蓄电池的SOC受放电倍率、电池温度以及电池电压等多方面因素的影响，因此要充分考虑各方面的因素才能实现精准的SOC在线计算。

作为当前的研究热点，SOC估算方法多种多样，大致可划分为两大类，一类是比较传统的SOC估算方法，如负载放电法、安时计量法和电动势法等；另一类则结合较新颖的高级算法对SOC进行估算，比较典型的包括卡尔曼滤波法、神经网络法以及基于模糊理论的SOC估算方法等。实际上，由于SOC估算难度大，单纯采用某一种方法估算出的SOC往往并不是很理想，因此目前的很多研究都倾向于将多种方法结合起来对SOC进行估算，从而达到各取所长，优势互补的效果。以下针对几种常见的SOC估算方法进行简要介绍。

①负载放电法。此方法即采用恒定的电流对当前蓄电池进行放电，直到电池到达截止电压。用放电电流值乘以时间即可得放出的电量，此电量与电池在对应电流下总的可用容量的比值即为电池放电前的SOC。此方法被视作最可靠的SOC估算方法，而且适用于各种不同类型的蓄电池，但由于放电过程一般持续的时间较长，而且放电时电池一般要停止正常工作，因此在实际的电池应用系统中不适合采用这种方法。目前负载放电法主要作为蓄电池的分析、测试和研究手段，多用于实验室。

②安时计量法。安时计量法也简称安时法，是最常用的SOC估算手段，其基本思想是把蓄电池视为一个黑箱，电池输入和输出的电量可以通过充放电电流在时间上的积分来计算，而不再考虑电池内部结构和化学状态的变化。采用安时计量法估算SOC的表达式可描述为如下形式。

其中，SOC（t）为电池在t时刻的SOC；Q（t0）为电池在初始t0时刻的剩余电量；i为电池工作电流的瞬时值，一般放电取正，充电取负；η为电流i对应的充放电效率，与蓄电池的容量特性有关；Q0为电池的额定容量；SOC（t0）为初始t0时刻电池的SOC；ΔSOC表示t0到t时刻电池SOC的变化量。

③电动势法。从充放电状态切换到静置状态以后，蓄电池内部电化学反应会逐渐趋于平衡，其开路电压也会趋于稳定，这一稳定的电压即可视作蓄电池的等效电动势，对于电池而言，静置时间达到8～12h以上即认为电池内部反应达到平衡。电动势法的基本思想是认为电池SOC与其电动势E之间存在一个相对稳定的对应关系，简称E-SOC关系，在此基础上通过对电池电动势的估算即可实现SOC的估算。

④卡曼滤波法。卡尔曼滤波用于电池SOC估算时，结合特定的电池模型，一般是将电池充放电电流作为系统输入，而将电池端电压作为系统输出，两者都是可检测的量，而需要估算的SOC则视作系统的内部状态，这样通过卡尔曼递推算法即可实现SOC的最优估计。卡尔曼滤波法具有较强的初始误差修正能力，并且对噪声信号也有很强的抑制作用，因此在电池负载波动频繁、工作电流变化迅速的应用场合具有很大的优势。但另一方面，卡尔曼滤波法的状态估计精度也依赖于系统模型的准确性，尤其对于蓄电池而言，由于其本身工作特性呈高度非线性，因此如果采用传统的卡尔曼滤波法就必然会引入线性化误差。

⑤神经网络法。图1-17描述的就是一种典型的以SOC为网络输出的反馈神经网络模型，整个网络系统分为输入层、隐含层和输出层三部分，反馈信息由隐含层引出，并返回输入层作为系统输入，这种结构的网络属于一种局部递归网络。神经网络法的缺点在于它需要大量的、全面的样本数据对系统进行训练，而且估计误差在很大程度上受所选训练数据和训练方法的影响。

图1-17 直接输出SOC的反馈神经网络模型

⑥模糊法。采用模糊法进行SOC估算的思路就是根据专业从事电池测试技术人员的知识和经验，再结合电池的工作特性，通过模糊逻辑来实现对电池SOC的估算。常见的步骤是首先将检测到的电池电压、工作电流及温度信号进行模糊化处理，模糊化处理的结果进一步进行模糊推理，然后将模糊推理后的输出再进行反模糊化处理即可得到电池SOC的预测值。为了进行必要的修正，在系统中通常还需一个闭环反馈环节对SOC进行调整。

2）超级电容SOC算法。超级电容同样采用SOC反映充放电程度。一般可以从电量比的角度进行定义，也可以从能量比的角度进行定义。由于充放电电流大小不同，因而引起的充放电效率差别很大，导致充放的电量差别很大。所以，从能量守恒的角度进行定义，则会更加清晰和容易理解。下面来介绍基于参数动态补偿的开路电压法。

由于SOC是一个实时变化的指标，在测量上往往会带来一定的困难和误差。尤其在大电流快速变化充放电的场合，这种估算就更加不准确。从超级电容的物理原理来说，由于其不存在化学变化，用稳定的开路电压来表征超级电容的SOC状态是一个简单而准确的方法。但由于在实时工作过程中，无法得到稳定的开路电压，因此需要对实时采集到的工作电压进行动态补偿。补偿主要来自于以下方面，首先是对内阻上分压的补偿，内阻是随电流、SOC、温度变化的函数，且测得的内阻值一定是在开路电压稳定的情况下得到的；其次要根据电流、SOC、温度的变化对有效电容C进行补偿和修正。此外，由于存在寿命和使用上引起的性能变化，应定期修正参数值。

Vw=VCIRS （1-14）

C=f（I，SOCn-1，T） （1-15）

RS=f（I，SOCCn-1，T） （1-16）

式（1-13）～式（1-16）中，SOC表示当前状态超级电容中所存储的能量值与超级电容能量充满时的能量值之比；Vcm，Cm表示在室温下测得的超级电容模块的电压最大值和此时的等效电容值；Vw代表实测工作电压值。RS表示超级电容内阻。I表示充放电电流。

3）液压蓄能器SOP算法。由于反映液压蓄能器的能量储存的主要参数是压力，因此可以直接用压力表征其剩余能量储存状态，即为

其中，px为液压蓄能器的实际工作压力，p1为液压蓄能器的最低工作压力；p2为液压蓄能器的最高工作压力。

2.液压挖掘机整机测试系统方案

工程机械综合性能测试系统主要围绕动力系统、液压系统和控制系统，对整机节能性、动力性、操纵性、稳定性等多个指标进行测试，给出系统的综合性能评价，为整机系统的设计、集成、控制和优化提供可靠依据。测试系统一般主要包括以下测试单元。

1）整机和关键部件的能耗测试单元。

2）动力源与能量回收单元的能量分配。

3）操作性能测试单元。

4）节能性测试单元。

考虑到整机测试系统对数据采集的要求以及为了降低数据传输对整机作业的影响，采用基于嵌入式的综合采集模块和无线数据传输等测试技术是对一种整机进行测试的比较理想的测试方法，其综合性能测试系统拓扑图大致如图1-18所示。其硬件部分主要包括测试数据传感器和嵌入式数据采集系统，软件部分由数据采集软件和测试系统软件构成。其中嵌入式数据采集系统是整个测试系统硬件的核心，实现的功能包括：

图1-18 综合性能测试系统拓扑图

1）各种传感器数据的实时采集。

2）总线数据的采集。

3）采集数据的整理以及无线发射。

为了实现测试系统的全部功能，需要对测试点进行全面的设计和安装。测试系统包括多个相对独立又相辅相成的测试单元，各单元的测试内容以及对数据的要求分析如下。

（1）整机和关键部件的能耗测试单元

1）测试各主要部件的输入、输出功率，评价主要部件在各种工况下的功率损耗和工作效率。主要部件包括：主动力单元、辅助动力单元、电量储存单元、液压储能单元、液压主泵、多路阀、执行机构、回转机构、行走机构。

2）绘制挖掘机在各种工况下的功率谱，掌握挖掘机在作业状态下的能量消耗情况，为挖掘机的系统设计提供理论依据。

（2）动力源与能量回收单元的能量分配（以油电混合动力挖掘机为例）

1）在挖掘-提升-带载回转-卸载-空载回转等作业过程中，测试发动机对负载和电池/超级电容的功率分配比例及发动机转速，评价发动机和动力电动机的装机功率是否符合需求。

2）在上述作业过程中，测试电池/超级电容的充放电深度和次数，评价超级电容的使用寿命。

3）在上述作业过程中，测试发动机和回转动能的能量回收率（回收率为回收能量和总输出能量之比），评价电池/超级电容的充放电控制策略是否满足系统动力需求；能否确保挖掘机在轻载工况下完全吸收剩余能量，重载工况下及时提供动力；评价超级电容的装机容量是否符合需求。

（3）操作性能测试单元

1）测试动臂、斗杆、铲斗、行走机构的先导压力变化范围和机构的响应情况，评价控制系统的控制精度、响应速度和稳定性；尤其是当执行元件采用容积调速后，执行元件的速度控制阻尼发生了变化，如何评价其操控性的优劣目前并没有统一的评价体系。本书提供一种方法供大家借鉴：和传统控制模式一样，在相同的输入信号下测试执行元件的速度，对比两种控制模式的执行元件速度，如果速度的最大变化量不大（小于10%以内）时，系统的操控性未受到影响。该方案的关键是相同的输入信号，由于传统挖掘机采用手动操作手柄，靠驾驶人操作，难以保证相同的输入信号，因此必须单独设计一套电控先导级，采用程控方式即可保证相同的电输出信号，通过电控先导级模拟0～4MPa的先导压力信号。

2）测试回转机构的响应情况和回转加速度，评价回转系统的控制精度、响应速度和稳定性，评价回转驱动单元的装机功率是否符合需求、防反转功能是否合理、冲击加速度如何等。

3）测试挖掘机驾驶室的噪声，评价操作舒适性以及对环境的噪声污染度。

（4）节能性测试单元

以油电混合动力挖掘机为例，根据上述分析，设计了系统的测试内容，如表1-1所示。油电混合动力挖掘机测试点分布示意图如图1-19所示。

表1-1 油电混合动力挖掘机和传统挖掘机测试内容汇总

（续）

图1-19 油电混合动力挖掘机测试点分布示意图

3.液压挖掘机整机测试的关键技术

（1）负载模拟单元

为了使该平台可以对液压系统和液压元件进行测试，同时保证测试负载的重复性，必须建立液压系统综合试验平台的物理加载系统，进一步提升试验平台的创新开发能力。加载系统主要包括大功率加载单元和先导控制加载单元。

大功率加载单元主要通过对电控液压泵排量、电控驱动电动机转速、比例溢流阀压力、比例节流阀开口面积以及快速切换单元的控制，实现对不同类型的工程机械在不同工况下的动力源负载转矩模拟，以及对不同类型的工程机械液压驱动系统的电控液压模拟。由于比例溢流阀的输出压力对输入电信号阶跃响应时间比较慢（一般在80～300ms），达不到快速切换单元的切换速度（小于10ms），因此研究一种快速切换阀和比例阀组合可以实现压力阶跃功能。由于油液的运动粘度比较大，其流速比较慢（2～10m/s），因此加载阀单元通过油液的流量变化就比较慢，再加上机械式的动态流量传感器的频响也没有压力传感器高，因此电液测试系统的负载流量阶跃响应的品质不尽如人意，必须从系统结构参数优化方面实现流量的阶跃变化。

先导控制加载单元主要模拟驾驶员操作手柄，进而使得测试各项技术参数时可以忽略驾驶员的主观因素对参数测试的影响，先导控制加载单元在模拟阶跃信号时，可对上升时间进行调整，进而最大程度地实现加载功能。

（2）动态流量如何测量

动态流量的测量是目前液压系统中测试的难点，油液的运动粘度大、流速慢，当前所有流量计本身的频响不高，最大不会高于4Hz，一般只能作为稳态流量的检测之用，而不能作为瞬态流量的检测。目前，可用于动态流量检测的方式一般采用高频液压缸间接测量。

（3）系统传感信号检测点的设置

国际标准ISO6403和国家标准GB7935—2005和GB/T8105—1987中对进口压力检测点、出口压力检测点和扰动源（阀、弯头）的位置关系都作了明确的规定，同时对测压孔的尺寸、形状也作了相应的规定。

标准对温度检测点的布置也作了规定，液压工作者往往将油箱的温度作为被试元件的试验温度。实际上两者是有区别的，油箱体积大、油量多，热容量惯性大。此外温度控制装置一般设置于油箱中或油箱附近的管路中，为此标准规定温度的检测点，应位于被测元件进口压力检测点上游15倍的管道直径。

流量的检测位置也做了规定，而现有平台的设计提到流量的稳态检测采用在高压侧装高压流量计或在油箱前接低压流量计，其实这两种方案的测量值是不同的，因为油液具有可压缩性的特点。

（4）系统效率试验

现有平台原来采用的方案为：将被试液压系统所有元件连接好，多路阀回油口接入试验台的背压回油路。被试对象固定在试验平台上。在被试系统的工作执行元件（液压缸）的出油口接上压力传感器和流量传感器（高压，或在背压阀后，油箱前接低压流量计）。连接好采集系统。该方案主要存在以下几个问题。

•忽略了目前工程机械采用的多路阀具有流量微调和压力微调特性。也就是说，该多路阀的阀芯在打开的过程中，进油口和工作油口逐渐打开，而进油口和回油口是逐渐关闭的。调速采用旁路回油节流和进油节流的组合，通过阀芯节流，控制液压缸和回油箱的节流阀开口量来实现，由于是靠回油节流建立的压力克服负载压力，因此调速特性受负载压力和液压泵流量的影响。因此采用测量回油口的功率来表征液压系统的输出功率不是特别合理。一般采用直接检测驱动液压缸的两侧压力和位置（速度）来计算输出功率。

•当前的控制阀一般难以适应出口压力为高压的特殊工况。

•目前的多路阀有些具有再生功能。比如目前某型号的工程机械再生功能直接利用一个单向阀实现再生功能，必然造成回油口的加载压力油始终流向液压缸有杆腔。

（5）系统内外泄漏实验

利用回油口测量内泄漏的方案也忽略了当前液压效率的影响之一旁路节流损耗，即执行机构伸出的某个过程时，一部分液压油直接从回油口回油箱，因此针对这种系统采用回油口测量系统内泄漏是不可取的。

因此，当前系统内泄漏的测量包括中立位置和换向位置的内泄漏两种，中立位置内泄漏是使多路阀处于中立位置，从多路阀各工作油口进油，并将系统压力调至被试多路阀的公称压力，由回油口测量相应的泄漏量。而换向位置内泄漏是使多路阀处于各最大换向位置，此时进油口和回油口不同，从多路阀P口进油，压力也是被试阀的公称压力，由回油口测量其泄漏量。