夏益民，石鵬飛，趙宇峰，謝學志，楊 鑫

(三一重型能源裝備有限公司，北京 102202)

0 引言

混凝土泵車是一種集行駛、泵送和布料功能于一體的高效混凝土輸送設備，廣泛應用于高樓、橋梁和公路等工程建設?；炷帘密囋谑褂眠^程中，為了確保發(fā)動機的輸出扭矩與功率，其常規(guī)控制模式均將發(fā)動機設定在額定轉速下工作，此工作方式雖然保證了動力的充足性，卻使發(fā)動機往往工作在油耗較高的轉速區(qū)域，造成底盤動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性能下降、機械損耗增加［1］。筆者將從發(fā)動機燃油消耗率模型、動力系統(tǒng)匹配策略和對應的控制系統(tǒng)等方面探討混凝土泵車節(jié)能技術。

1 混凝土泵車發(fā)動機燃油消耗率模型

混凝土泵車使用的底盤主要有ISUZU、VOLVO、BENZ等，由于底盤種類繁多，每種底盤發(fā)動機特性也不同，為保證單位時間的泵送量，針對不同底盤的泵車，在保證功率、扭矩的前提下，根據(jù)現(xiàn)場試驗及各種底盤發(fā)動機的萬有特性曲線可獲得發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出扭矩與發(fā)動機轉速的關系及發(fā)動機在各種轉速下的燃油消耗率關系。采用插值擬合方法，可得到發(fā)動機轉速、扭矩及發(fā)動機燃油消耗的關系［2］。如圖1是某種底盤發(fā)動機在各轉速下的燃油消耗率模型。

由發(fā)動機特性可知，發(fā)動機輸出功率一定時，發(fā)動機可在無數(shù)個油門位置點工作，但其中只有一個位置點的燃油消耗率最小，此點即為該功率對應的發(fā)動機最經(jīng)濟工況點。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可找出不同輸出功率下的最佳燃油點，構成工況離散點，在對離散點進行平滑處理后，即得到該種底盤的最佳油耗率曲線。某種底盤發(fā)動機的最佳油耗率曲線如圖2所示。由于最佳油耗率曲線上的每一點對應于柴油機每個輸出功率P，均與柴油機不同的轉速n相對應［3］，根據(jù)圖2可測算出不同輸出功率所對應的經(jīng)濟轉速。

圖1 發(fā)動機燃油消耗率模型

圖2 底盤發(fā)動機最佳燃油消耗率曲線

2 混凝土泵車動力系統(tǒng)節(jié)能匹配策略

液壓傳動過程中，由傳動關系可知發(fā)動機的輸出扭矩Me與變量泵的吸收扭矩Mb的函數(shù)表達式為:

變量泵的負載特性表現(xiàn)為恒扭矩特性，變量泵扭矩Mb與外部負載壓力Pl及變量泵排量V之間的函數(shù)表達式為:

發(fā)動機輸出功率Pe與發(fā)動機輸出扭矩Me及發(fā)動機轉速ne之間的函數(shù)表達式為:

由上式可知對應于一定的負載壓力Pl，通過改變變量泵排量V或發(fā)動機轉速ne，可使發(fā)動機在各節(jié)油點處工作［4］。根據(jù)混凝土泵車發(fā)動機燃油消耗率模型、變量泵恒功率特性曲線及以上動力系統(tǒng)傳動關系的分析，經(jīng)過現(xiàn)場實驗及數(shù)據(jù)分析，可得出每種混凝土泵底盤發(fā)動機及液壓系統(tǒng)功率匹配對應表，表1為某種底盤混凝土泵車系統(tǒng)功率匹配表。

表1 發(fā)動機與液壓系統(tǒng)功率匹配表

3 混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)

混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)以動力系統(tǒng)節(jié)能為控制目標，實現(xiàn)發(fā)動機與主液壓泵的聯(lián)合調節(jié)，如圖3所示。計算機中央控制單元根據(jù)工況要求及負載壓力、功率匹配的關系計算出最佳節(jié)能控制點，然后對發(fā)動機的轉速及主液壓泵電流進行聯(lián)合實時控制［5］。采用節(jié)能控制系統(tǒng)的混凝土泵車在泵送混凝土的施工過程中，施工人員根據(jù)所泵送的混凝土標號(強度)和所澆注混凝土對象的不同(即工況的不同)，只需調節(jié)泵送量操縱桿，控制系統(tǒng)就會自動調用最優(yōu)參數(shù)開始工作，使設備在滿足施工要求且最省油工況下運行。

圖3 混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)框圖

4 混凝土泵車泵送試驗及節(jié)能效果

結合以上節(jié)能控制理論與分析，對混凝土泵車進行泵送試驗，采用稱量法測量在單位時間內(nèi)每種工況穩(wěn)定運行時所消耗的燃油。表2為某種底盤泵車現(xiàn)場節(jié)能測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，泵車工作排量在10%～70%區(qū)域內(nèi)，節(jié)能效果顯著，節(jié)油率可達到22% ～46%;在70%～80%區(qū)域內(nèi)節(jié)能一般，節(jié)油率約為13%;在80%～100%區(qū)域節(jié)能不明顯，約1%(表中省略未列)，整個區(qū)域平均節(jié)油率大于20%。

表2 某底盤泵車節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

表2 (續(xù)) 某底盤泵車節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

5 結語

通過混凝土泵車發(fā)動機燃油消耗率模型的建立和動力系統(tǒng)節(jié)能匹配策略的分析確定，得到混凝土泵車的一種節(jié)能控制系統(tǒng)，應用這種節(jié)能系統(tǒng)后，泵車計算機可根據(jù)實際工況的變化自動調節(jié)發(fā)動機輸出功率，與負載保持良好的匹配，使發(fā)動機始終在最佳工作點或最佳工作區(qū)運行，使發(fā)動機輸出功率得到充分利用。經(jīng)測試，采用節(jié)能控制系統(tǒng)的混凝土泵車平均節(jié)油達20%以上。

［1］ 李仲興，王申旭，江 洪，等.混凝土泵車動力系統(tǒng)功率節(jié)能匹配的研究［J］.機械設計與制造，2011(6):76－78.

［2］ 馬向平，李春燕，駱清國，等.一種發(fā)動機萬有特性曲面擬合的新方法［J］.裝甲兵工程學院學報，2006(1):52－54.

［3］ 吳井泉.旋挖鉆機節(jié)能控制技術的應用研究［D］.長春:吉林大學，2005.

［4］ 高文中，劉進志，程林章，等.挖掘機械柴油發(fā)動機油門節(jié)能控制系統(tǒng)研究［J］.石家莊鐵道大學學報，2011(3):89－92.

［5］ 張禮華.液壓挖掘機泵－發(fā)動機聯(lián)合控制研究［D］.長沙:中南林學院，2005.