單斗液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)

1、第20卷第4期1999年7月江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Vol. 20No. 4J uly 1999單斗液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)3陸森林和衛(wèi)星1周孔亢周萍趙躍平2(江蘇理工大學(xué)汽車學(xué)院鎮(zhèn)江212013摘要為了有效地控制單斗液壓挖掘機(jī)在工作過(guò)程中的能量損失, 減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱, 改善工作性能, 特設(shè)計(jì)了一種單斗液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)1該控制系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感, 由微機(jī)判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài), 并據(jù)此控制發(fā)動(dòng)機(jī)而達(dá)到節(jié)能的目的1該系統(tǒng)具有中位

2、自動(dòng)怠速、降低液壓系統(tǒng)的節(jié)流損失和溢流損失等功能1使用該控制系統(tǒng)并不需要改變挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)及其它結(jié)構(gòu)1本文在簡(jiǎn)要介紹了該控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上, 詳細(xì)地分析了該系統(tǒng)的節(jié)能原理及效果1關(guān)鍵詞液壓式挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制中圖分類號(hào)TU621單斗液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械主要產(chǎn)品之一, 具有作業(yè)靈活方便, 適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)1但由于單斗液壓挖掘機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜, 作業(yè)過(guò)程中負(fù)荷變化頻繁, 變化范圍大, 因而存在著不少環(huán)節(jié)的能量損失, 其中主要有發(fā)動(dòng)機(jī)變量泵系統(tǒng)的非經(jīng)濟(jì)性匹配運(yùn)行產(chǎn)生的損失、液壓系統(tǒng)壓力油的流量損失和壓力損失1這些損失不僅浪費(fèi)了能量, 而且引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱, 工作性能惡化1為此, 單斗液壓挖掘

3、機(jī)的節(jié)能控制一直為人們所重視1在國(guó)外的一些大中型單斗液壓挖掘機(jī)上都設(shè)計(jì)有各種不同的節(jié)能控制裝置11本文介紹一種僅通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)而達(dá)到節(jié)能目的的單斗液壓挖掘機(jī)微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng), 并對(duì)該系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行分析11控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介該單斗液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感,即以液壓系統(tǒng)壓力為判斷信號(hào), 判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài), 由微機(jī)根據(jù)挖掘機(jī)所處的不同狀態(tài), 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門, 使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在要求的轉(zhuǎn)速附近工作, 以達(dá)到節(jié)能和實(shí)現(xiàn)其他功能的目的, 其原理如圖1所示1圖1挖掘機(jī)自動(dòng)控制原理框圖Fig. 1Operation mechanism of the energy -saving control

4、 system上述控制系統(tǒng)具有自動(dòng)怠速控制、動(dòng)力模式控制、短期超載和溢流控制等功能1自動(dòng)怠速功能是當(dāng)挖掘機(jī)處于不工作狀態(tài)時(shí), 計(jì)算機(jī)自動(dòng)減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度, 使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)1當(dāng)各操縱閥均處于中位時(shí), 液壓系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)小于正常工作狀態(tài)時(shí)的壓力, 據(jù)此可判斷挖掘機(jī)的工作狀態(tài)1為確信挖掘機(jī)確實(shí)處于不工作狀態(tài), 要求計(jì)算機(jī)在液壓系統(tǒng)壓力低于所設(shè)定的最低閾值幾秒鐘后開始操縱油門1當(dāng)系統(tǒng)壓力高于設(shè)定的壓力閾值時(shí), 即認(rèn)為挖掘機(jī)處于工作狀態(tài), 計(jì)算機(jī)立刻控制發(fā)動(dòng)機(jī), 使它迅速恢復(fù)到設(shè)定的工作轉(zhuǎn)速1系統(tǒng)設(shè)有高、中、低三個(gè)檔位, 即三個(gè)動(dòng)力模收稿日期:1998-11-163機(jī)械工業(yè)部資助項(xiàng)目(9621770

5、1 1江蘇理工大學(xué)電氣工程系鎮(zhèn)江2120132江陰市技工學(xué)校江陰214432式1相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為全功率的100%、88%和65%1當(dāng)司機(jī)根據(jù)工作需要選定某一檔位時(shí), 計(jì)算機(jī)即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)使其穩(wěn)定在相應(yīng)的動(dòng)力模式下工作1其中中檔是常用工作檔, 同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)動(dòng)力模式檔, 用該檔工作時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵系統(tǒng)處于最經(jīng)濟(jì)匹配工作狀態(tài)1短期超載功能是為了提高挖掘機(jī)的工作效率而設(shè)置的1挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力有一定的余量, 當(dāng)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)超載工作時(shí), 一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生太大影響, 但不能長(zhǎng)時(shí)間超載工作, 否則有可能影響系統(tǒng)和其它元器件的壽命以及產(chǎn)生其它不良后果1為此, 控制系統(tǒng)設(shè)有短時(shí)超載功能1當(dāng)液壓

6、系統(tǒng)壓力超過(guò)原設(shè)計(jì)的最高壓力幾MPa 以內(nèi)時(shí), 挖掘機(jī)仍能正常工作一段時(shí)間(一般為幾秒至十幾秒 , 以便工作裝置能克服臨時(shí)較大的阻力, 以提高工作效率1同時(shí), 為保護(hù)系統(tǒng)安全, 不致使液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間超載工作, 當(dāng)超載超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí), 控制系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低到系統(tǒng)設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速并報(bào)警, 以便讓司機(jī)改變操作方式1當(dāng)系統(tǒng)壓力降到最高設(shè)計(jì)壓力以下時(shí), 控制系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速恢復(fù)到原來(lái)的轉(zhuǎn)速1溢流控制是當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力接近或達(dá)到溢流閥開啟壓力時(shí), 控制系統(tǒng)將自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 以消除或減少溢流量1當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到系統(tǒng)設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速而還存在超載溢流時(shí), 發(fā)出超載報(bào)警12節(jié)能效果分析211液壓系統(tǒng)中位

7、損失的降低當(dāng)單斗液壓挖掘機(jī)暫時(shí)處于不工作狀態(tài), 各操縱閥均處于中立位置時(shí), 液壓系統(tǒng)的壓力一般為幾MPa 1由變量泵特性可知, 此時(shí)流量達(dá)到最大, 即為圖2所示的Q max , 系統(tǒng)總的功率損失為N 1=60e B+N f (1式中p 0液壓系統(tǒng)的背壓, MPae 發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率, %B 液壓泵效率, %N f 附加功率, kWQ max p 0的值為圖2中p 0-C -Q max -0所圍成的面積1本來(lái)可以通過(guò)減小液壓泵排量或減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵轉(zhuǎn)速來(lái)減小上述能量損失1但由于單斗液壓挖掘機(jī)一般無(wú)腳油門, 而手油門也較費(fèi)力, 所以在實(shí)際操作中, 在短期不工作期間, 很少有司機(jī)會(huì)

8、去減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門1至于改變變量泵特性, 使其在各操縱閥處于中位時(shí)自動(dòng)減小排量則更是較困難的事1單斗液壓挖掘機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)怠速功能可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)單斗液壓挖掘機(jī)各控制閥處于中立位置時(shí), 自動(dòng)迅速減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門, 使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在規(guī)定的最低轉(zhuǎn)速1在該轉(zhuǎn)速下, 液壓泵的工作特性曲線為圖2中的“p max -a -b -c -Q 0”曲線1圖中, Q 0的值基本上與液壓泵的轉(zhuǎn)速成正比, 而附加功率N f 的大小也近似地與轉(zhuǎn)速成正比, 所以挖掘機(jī)總的功率消耗也近似與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比1當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎 e 降到n e 時(shí), 其能耗下降率大約為u n =n e(2 圖2液壓泵的中位損失Fig. 2Energy

9、 loss of the pump with thejoysticks in neutral position如對(duì)于DF -W Y32單斗液壓挖掘機(jī)而言,n e =2000r/min , 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速特性, 確定n e =800r/min , 則能耗下降率約為60%左右1轉(zhuǎn)速下降后, 變量泵部分的能耗下降量為圖2中陰影部分的面積1212發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵的經(jīng)濟(jì)性匹配運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率可用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率與所燃燒燃料的熱能(或質(zhì)量 之比來(lái)表示2, 即e =G e h n =G e h n(3式中M e 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,NmG e 發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)燃料消耗量,kg/h22江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科

10、學(xué)版 1999年7月h n 燃料的熱值(對(duì)于柴油, h n =42500kJ /kg ,J /kg液壓泵的效率可分為容積效率B V 和機(jī)械效率Bj , 其總效率B 為 B =B V Bj =2i n i (4 式中Q 0液壓泵的出口流量, l/min p 0液壓泵出口壓力, MPaM i 液壓泵的輸入扭矩,Nm n i 液壓泵的輸入轉(zhuǎn)速,r/min影響發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的因素很多, 一般說(shuō)來(lái), 在其他條件不變的情況下, e 是扭矩M e 和轉(zhuǎn)速n e 的函數(shù)1而液壓泵的效率B 則是壓力p 0、流量Q 0和轉(zhuǎn)速n i 的函數(shù)1對(duì)于恒功率變量泵, 在整個(gè)變量調(diào)節(jié)范圍內(nèi), 泵的功率N B =p 0Q 0

11、理論上講是一常數(shù), 所以p 0和Q 0是不獨(dú)立的, B 僅是p 0(或Q 0 和n i 的函數(shù)1因此, 發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵的聯(lián)合工作效率為=e B = G e h n M i n i=f (M e , n e , p 0, n i (5不管是直接傳動(dòng)還是非直接傳動(dòng), n e 與n i之間總存在著一個(gè)固定的關(guān)系, 而恒功率變量泵是恒扭矩輸入, 即M i (也即M e 是一常量, 所以, 系統(tǒng)的聯(lián)合工作效率僅僅是壓力p 0和轉(zhuǎn)速n i (或n e 的函數(shù)1由于壓力p 0取決于外載, 因此僅有轉(zhuǎn)速n e 是可選擇的1對(duì)于某一確定的發(fā)動(dòng)機(jī)變量泵系統(tǒng), 對(duì)每一個(gè)壓力p 0都存在一個(gè)使聯(lián)合工作效率最大的最優(yōu)轉(zhuǎn)

12、速n eo 1為此, 在單斗液壓挖掘機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)有最經(jīng)濟(jì)工作檔位1對(duì)DF -W Y32型單斗液壓挖掘機(jī)而言, 據(jù)計(jì)算, 選擇該檔工作時(shí), 比發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下工作時(shí), 可節(jié)能13%左右1213節(jié)流損失的降低節(jié)流損失主要發(fā)生在輕載低速作業(yè)1如圖3所示, 設(shè)單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置所需工作壓力為p 1, 所需工作流量為Q 21但在變量泵外特性曲線AB 上p 1和Q 2分別對(duì)應(yīng)于d 、c 兩個(gè)工作點(diǎn)1為滿足工作需要, 司機(jī)必需利用控制閥的部分節(jié)流作用, 將變量泵工作壓力提高到p 2, 使之工作在c 點(diǎn), 由此產(chǎn)生的節(jié)流損失為N j =(p 2-p 1 Q 2即為圖3中陰影部分的面積1如果能改變變

13、量泵的轉(zhuǎn)速, 使其工作特性曲線能通過(guò)e 點(diǎn), 便可消除這一損失1本控制系統(tǒng)的工作模式控制主要是為此而設(shè)置的1適當(dāng)選擇其中的某一工作檔, 雖不能使工作曲線恰好通過(guò)e 點(diǎn), 但能接近于e 點(diǎn), 從而減少了節(jié)流損失1圖3液壓泵的節(jié)流損失Fig. 3Throttle loss of the pump214溢流損失的降低溢流損失主要發(fā)生在低速作業(yè)和超載作業(yè)1如圖4所示, 當(dāng)工作裝置所需流量為Q 1,小于圖4液壓泵的溢流損失Fig. 4Overflow loss of the pumpQ 0, 或工作壓力超過(guò)溢流閥調(diào)定壓力時(shí), 溢流閥將被打開, 產(chǎn)生溢流損失1所損失能量為N y =(Q 0-Q 1 p m

14、ax為消除或減少溢流損失, 自動(dòng)控制裝置在溢流閥開啟之前能自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 使原工作特性曲線AB 變?yōu)閍b , 直到發(fā)動(dòng)機(jī)降到設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速為止1如果至此還不能完全消除溢流, 則溢流量也已減少了許多13結(jié)束語(yǔ)由上述分析可知, 這種自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)單斗液壓挖掘機(jī)在工作過(guò)程中的節(jié)能作用是很明顯的, 但同時(shí)也看到, 具體的節(jié)能量與作業(yè)對(duì)象、作32第4期陸森林等單斗液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)業(yè)狀況和司機(jī)的操作習(xí)慣密切相關(guān), 而這些因素是多變的1該自動(dòng)控制系統(tǒng)除了具有上述節(jié)能功能外, 還兼有改善挖掘機(jī)操作性能和提高作業(yè)效率的作用1單斗液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過(guò)程是多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作的過(guò)程, 司機(jī)不僅要照顧到

15、動(dòng)臂、斗桿和斗齒的運(yùn)動(dòng), 還必須注意到回轉(zhuǎn)、行走和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作1采用了本控制系統(tǒng)后, 司機(jī)一旦根據(jù)作業(yè)對(duì)象等確定了系統(tǒng)的動(dòng)力模式后, 不管挖掘機(jī)處于什么工作狀態(tài), 發(fā)動(dòng)機(jī)均可由計(jì)算機(jī)控制, 并使之處于較為理想的工作狀態(tài), 讓司機(jī)少操了一份心, 從而改善了操作性能1控制系統(tǒng)的短期超載功能, 既有效地保護(hù)了系統(tǒng)的安全, 又提高了挖掘機(jī)克服短時(shí)間超載的能力, 使本來(lái)應(yīng)該通過(guò)改變操作方式才能完成的某些掘削動(dòng)作等有可能直接完成,從而節(jié)省了時(shí)間, 提高了效率1該控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 采用該控制系統(tǒng)不需要改變挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)及其它部件1但比起目前國(guó)外較復(fù)雜的控制系統(tǒng), 也存在著某些不足1例如該控制

16、系統(tǒng)自動(dòng)怠速控制功能雖然已大幅度降低了液壓系統(tǒng)的中位損失, 但還不徹底1如果在使發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速的同時(shí), 控制變量泵使之處于“零擺角”狀態(tài), 則節(jié)能效果將更好1參考文獻(xiàn)1黃宗益. 液壓挖掘機(jī)的電子控制. 建筑機(jī)械, 1993(7 :17202曹善華. 單斗液壓挖掘機(jī). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988. 79140A Computer Controlled Energy -SavingSystem for Hydraulic ExcavatorL u Senli n Zhou Kongkang Zhou Pi ng(College of Automobile Engineering ,Jiangs

17、u University of Science and Technology ,Zhenjiang ,212013He Wei xi ng(Department of Electrical Engineering ,Jiangsu University of Science and Technology ,Zhenjiang ,212013Zhao Y uepi ng(Jiangyin School of Technology and Industry ,Jiangyin ,214432Abstract A computer controlled energy -saving system i

18、s introduced which is designed to reduce en 2ergy loss and over heating in hydraulic system. According to the load , the control system can automatically regulate the engine to assure optimum utilization of its output and to reduce pump output when joysticks are in the neutral position or before the permitted operating pressure reached. After the explanation of operat 2ing mechani