单斗液压挖掘机发动机微机节能控制系统

1、第20卷第4期1999年7月江苏理工大学学报(自然科学版Journal of Jiangsu University of Science and Technology (Natural Science Vol. 20No. 4J uly 1999单斗液压挖掘机发动机微机节能控制系统3陆森林和卫星1周孔亢周萍赵跃平2(江苏理工大学汽车学院镇江212013摘要为了有效地控制单斗液压挖掘机在工作过程中的能量损失, 减少液压系统的发热, 改善工作性能, 特设计了一种单斗液压挖掘机发动机微机控制系统1该控制系统采用负荷传感, 由微机判断挖掘机的工作状态, 并据此控制发动机而达到节能的目的1该系统具有中位

2、自动怠速、降低液压系统的节流损失和溢流损失等功能1使用该控制系统并不需要改变挖掘机的液压系统及其它结构1本文在简要介绍了该控制系统工作原理的基础上, 详细地分析了该系统的节能原理及效果1关键词液压式挖掘机发动机节能控制中图分类号TU621单斗液压挖掘机是工程机械主要产品之一, 具有作业灵活方便, 适应范围广等优点1但由于单斗液压挖掘机作业工况复杂, 作业过程中负荷变化频繁, 变化范围大, 因而存在着不少环节的能量损失, 其中主要有发动机变量泵系统的非经济性匹配运行产生的损失、液压系统压力油的流量损失和压力损失1这些损失不仅浪费了能量, 而且引起液压系统发热, 工作性能恶化1为此, 单斗液压挖掘

3、机的节能控制一直为人们所重视1在国外的一些大中型单斗液压挖掘机上都设计有各种不同的节能控制装置11本文介绍一种仅通过控制发动机而达到节能目的的单斗液压挖掘机微机自动控制系统, 并对该系统的节能效果进行分析11控制系统简介该单斗液压挖掘机控制系统采用负荷传感,即以液压系统压力为判断信号, 判断挖掘机的工作状态, 由微机根据挖掘机所处的不同状态, 通过步进电机控制发动机油门, 使发动机稳定在要求的转速附近工作, 以达到节能和实现其他功能的目的, 其原理如图1所示1图1挖掘机自动控制原理框图Fig. 1Operation mechanism of the energy -saving control

4、 system上述控制系统具有自动怠速控制、动力模式控制、短期超载和溢流控制等功能1自动怠速功能是当挖掘机处于不工作状态时, 计算机自动减小发动机油门开度, 使发动机处于怠速状态1当各操纵阀均处于中位时, 液压系统压力远小于正常工作状态时的压力, 据此可判断挖掘机的工作状态1为确信挖掘机确实处于不工作状态, 要求计算机在液压系统压力低于所设定的最低阈值几秒钟后开始操纵油门1当系统压力高于设定的压力阈值时, 即认为挖掘机处于工作状态, 计算机立刻控制发动机, 使它迅速恢复到设定的工作转速1系统设有高、中、低三个档位, 即三个动力模收稿日期:1998-11-163机械工业部资助项目(9621770

5、1 1江苏理工大学电气工程系镇江2120132江阴市技工学校江阴214432式1相应的发动机功率为全功率的100%、88%和65%1当司机根据工作需要选定某一档位时, 计算机即可控制发动机使其稳定在相应的动力模式下工作1其中中档是常用工作档, 同时也是经济动力模式档, 用该档工作时, 发动机液压泵系统处于最经济匹配工作状态1短期超载功能是为了提高挖掘机的工作效率而设置的1挖掘机液压系统设定的最高压力有一定的余量, 当系统在短时间内超载工作时, 一般不会对系统产生太大影响, 但不能长时间超载工作, 否则有可能影响系统和其它元器件的寿命以及产生其它不良后果1为此, 控制系统设有短时超载功能1当液压

6、系统压力超过原设计的最高压力几MPa 以内时, 挖掘机仍能正常工作一段时间(一般为几秒至十几秒 , 以便工作装置能克服临时较大的阻力, 以提高工作效率1同时, 为保护系统安全, 不致使液压系统长时间超载工作, 当超载超过设定的时间时, 控制系统自动将发动机转速降低到系统设定的最低转速并报警, 以便让司机改变操作方式1当系统压力降到最高设计压力以下时, 控制系统使发动机迅速恢复到原来的转速1溢流控制是当液压系统压力接近或达到溢流阀开启压力时, 控制系统将自动降低发动机转速, 以消除或减少溢流量1当发动机转速降到系统设定的最低转速而还存在超载溢流时, 发出超载报警12节能效果分析211液压系统中位

7、损失的降低当单斗液压挖掘机暂时处于不工作状态, 各操纵阀均处于中立位置时, 液压系统的压力一般为几MPa 1由变量泵特性可知, 此时流量达到最大, 即为图2所示的Q max , 系统总的功率损失为N 1=60e B+N f (1式中p 0液压系统的背压, MPae 发动机有效效率, %B 液压泵效率, %N f 附加功率, kWQ max p 0的值为图2中p 0-C -Q max -0所围成的面积1本来可以通过减小液压泵排量或减小发动机油门, 降低发动机和液压泵转速来减小上述能量损失1但由于单斗液压挖掘机一般无脚油门, 而手油门也较费力, 所以在实际操作中, 在短期不工作期间, 很少有司机会

8、去减小发动机油门1至于改变变量泵特性, 使其在各操纵阀处于中位时自动减小排量则更是较困难的事1单斗液压挖掘机自动控制系统的自动怠速功能可以实现当单斗液压挖掘机各控制阀处于中立位置时, 自动迅速减小发动机油门, 使发动机工作在规定的最低转速1在该转速下, 液压泵的工作特性曲线为图2中的“p max -a -b -c -Q 0”曲线1图中, Q 0的值基本上与液压泵的转速成正比, 而附加功率N f 的大小也近似地与转速成正比, 所以挖掘机总的功率消耗也近似与发动机转速成正比1当发动机转速从n e 降到n e 时, 其能耗下降率大约为u n =n e(2 图2液压泵的中位损失Fig. 2Energy

9、 loss of the pump with thejoysticks in neutral position如对于DF -W Y32单斗液压挖掘机而言,n e =2000r/min , 根据发动机的怠速特性, 确定n e =800r/min , 则能耗下降率约为60%左右1转速下降后, 变量泵部分的能耗下降量为图2中阴影部分的面积1212发动机和变量泵的经济性匹配运转发动机的有效效率可用发动机的有效输出功率与所燃烧燃料的热能(或质量 之比来表示2, 即e =G e h n =G e h n(3式中M e 发动机输出转矩,NmG e 发动机每小时燃料消耗量,kg/h22江苏理工大学学报(自然科

10、学版 1999年7月h n 燃料的热值(对于柴油, h n =42500kJ /kg ,J /kg液压泵的效率可分为容积效率B V 和机械效率Bj , 其总效率B 为 B =B V Bj =2i n i (4 式中Q 0液压泵的出口流量, l/min p 0液压泵出口压力, MPaM i 液压泵的输入扭矩,Nm n i 液压泵的输入转速,r/min影响发动机有效效率的因素很多, 一般说来, 在其他条件不变的情况下, e 是扭矩M e 和转速n e 的函数1而液压泵的效率B 则是压力p 0、流量Q 0和转速n i 的函数1对于恒功率变量泵, 在整个变量调节范围内, 泵的功率N B =p 0Q 0

11、理论上讲是一常数, 所以p 0和Q 0是不独立的, B 仅是p 0(或Q 0 和n i 的函数1因此, 发动机和变量泵的联合工作效率为=e B = G e h n M i n i=f (M e , n e , p 0, n i (5不管是直接传动还是非直接传动, n e 与n i之间总存在着一个固定的关系, 而恒功率变量泵是恒扭矩输入, 即M i (也即M e 是一常量, 所以, 系统的联合工作效率仅仅是压力p 0和转速n i (或n e 的函数1由于压力p 0取决于外载, 因此仅有转速n e 是可选择的1对于某一确定的发动机变量泵系统, 对每一个压力p 0都存在一个使联合工作效率最大的最优转

12、速n eo 1为此, 在单斗液压挖掘机自动控制系统中设有最经济工作档位1对DF -W Y32型单斗液压挖掘机而言, 据计算, 选择该档工作时, 比发动机在额定功率下工作时, 可节能13%左右1213节流损失的降低节流损失主要发生在轻载低速作业1如图3所示, 设单斗液压挖掘机工作装置所需工作压力为p 1, 所需工作流量为Q 21但在变量泵外特性曲线AB 上p 1和Q 2分别对应于d 、c 两个工作点1为满足工作需要, 司机必需利用控制阀的部分节流作用, 将变量泵工作压力提高到p 2, 使之工作在c 点, 由此产生的节流损失为N j =(p 2-p 1 Q 2即为图3中阴影部分的面积1如果能改变变

13、量泵的转速, 使其工作特性曲线能通过e 点, 便可消除这一损失1本控制系统的工作模式控制主要是为此而设置的1适当选择其中的某一工作档, 虽不能使工作曲线恰好通过e 点, 但能接近于e 点, 从而减少了节流损失1图3液压泵的节流损失Fig. 3Throttle loss of the pump214溢流损失的降低溢流损失主要发生在低速作业和超载作业1如图4所示, 当工作装置所需流量为Q 1,小于图4液压泵的溢流损失Fig. 4Overflow loss of the pumpQ 0, 或工作压力超过溢流阀调定压力时, 溢流阀将被打开, 产生溢流损失1所损失能量为N y =(Q 0-Q 1 p m

14、ax为消除或减少溢流损失, 自动控制装置在溢流阀开启之前能自动降低发动机转速, 使原工作特性曲线AB 变为ab , 直到发动机降到设定的最低转速为止1如果至此还不能完全消除溢流, 则溢流量也已减少了许多13结束语由上述分析可知, 这种自动控制系统对单斗液压挖掘机在工作过程中的节能作用是很明显的, 但同时也看到, 具体的节能量与作业对象、作32第4期陆森林等单斗液压挖掘机发动机微机节能控制系统业状况和司机的操作习惯密切相关, 而这些因素是多变的1该自动控制系统除了具有上述节能功能外, 还兼有改善挖掘机操作性能和提高作业效率的作用1单斗液压挖掘机的作业过程是多机构协调动作的过程, 司机不仅要照顾到

15、动臂、斗杆和斗齿的运动, 还必须注意到回转、行走和发动机的工作1采用了本控制系统后, 司机一旦根据作业对象等确定了系统的动力模式后, 不管挖掘机处于什么工作状态, 发动机均可由计算机控制, 并使之处于较为理想的工作状态, 让司机少操了一份心, 从而改善了操作性能1控制系统的短期超载功能, 既有效地保护了系统的安全, 又提高了挖掘机克服短时间超载的能力, 使本来应该通过改变操作方式才能完成的某些掘削动作等有可能直接完成,从而节省了时间, 提高了效率1该控制系统的优点之一是结构简单, 采用该控制系统不需要改变挖掘机的液压系统及其它部件1但比起目前国外较复杂的控制系统, 也存在着某些不足1例如该控制

16、系统自动怠速控制功能虽然已大幅度降低了液压系统的中位损失, 但还不彻底1如果在使发动机自动怠速的同时, 控制变量泵使之处于“零摆角”状态, 则节能效果将更好1参考文献1黄宗益. 液压挖掘机的电子控制. 建筑机械, 1993(7 :17202曹善华. 单斗液压挖掘机. 北京:机械工业出版社,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