文 俊，楊 帥，張 合WEN Jun, YANG Shuai, ZHANG He（徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

產(chǎn)品·技術(shù) Product.Technology

高原自適應(yīng)型液壓挖掘機(jī)的控制研究

文 俊，楊 帥，張 合
WEN Jun, YANG Shuai, ZHANG He
（徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

[摘 要]介紹了通過(guò)GPS模塊檢測(cè)海拔高度，并通過(guò)總線將海拔高度傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器根?jù)存儲(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率與海拔高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的吸收功率，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的自動(dòng)匹配，避免因?yàn)樨?fù)載過(guò)大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)憋車、冒黑煙等高原問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]挖掘機(jī)；控制研究；高原自適應(yīng);匹配

我國(guó)地域遼闊，是世界上高原面積占有率最大的國(guó)家，海拔1 000～2 000m的高原面積占國(guó)土面積的25%，2 000～3 000m的高原面積占7%，3 000m以上占26%，其中云貴、青藏、帕米爾高原面積總計(jì)2.7×106km2，平均海拔在2 000～4 500m，并呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)。在我國(guó)礦產(chǎn)資源分布中又呈現(xiàn)西富東貧的特點(diǎn)，伴隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，西部高海拔地區(qū)對(duì)挖掘機(jī)的需求量越來(lái)越大。

但隨著海拔高度的不斷上升，大氣密度逐漸降低，一般來(lái)說(shuō)海拔高度每上升1 000m，大氣密度將降低8%～9%，海拔在4 000m以上時(shí)大氣密度下降幅度更大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率將出現(xiàn)較大幅度的衰減。

挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與液壓系統(tǒng)的功率可以用以下公式來(lái)表示：

PF＝PY+ΔP （1）

式中 PF—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率；

PY—液壓系統(tǒng)功率；

ΔP— 其他部分功率，包括風(fēng)扇、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等附件的功率以及系統(tǒng)的功率富余

在此，我們可以假設(shè)ΔP是一個(gè)恒定值，而發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率是一個(gè)關(guān)于海拔高度的函數(shù)，即

PF＝f (H) （2）

式中 H—海拔高度。

由于海拔上升，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率PF減少，液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率將不再匹配，出現(xiàn)由于液壓系統(tǒng)過(guò)載導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)憋車等動(dòng)力性能下降問(wèn)題，此外由于燃料燃燒不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙，整機(jī)油耗高等一系列高原問(wèn)題也將出現(xiàn)。

為了保證在海拔高度發(fā)生變化的情況下，液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率仍然匹配，就必須對(duì)液壓系統(tǒng)功率進(jìn)行調(diào)整。由式1和式2可得，液壓系統(tǒng)的功率也將是一個(gè)關(guān)于海拔高度的函數(shù)，即

PY＝f'(H) （3）

由式3可得，當(dāng)挖掘機(jī)在高原施工時(shí)，就可以根據(jù)施工地區(qū)海拔高度調(diào)節(jié)主泵功率到對(duì)應(yīng)值，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的匹配。

圖1為主泵的PQ曲線，其中曲線1的功率為PY1，曲線2的功率為PY2，主泵功率的改變可以通過(guò)改變比例電磁閥電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)工作時(shí)功率與海拔的關(guān)系，制造廠一般會(huì)在挖掘機(jī)銷售前根據(jù)工地的海拔高度手動(dòng)調(diào)節(jié)主泵比例電磁閥的電流，改變主泵功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的功率匹配。但這種方法有一個(gè)弊端，就是當(dāng)挖掘機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)海拔高度出現(xiàn)變化時(shí)，由于用戶沒(méi)有權(quán)限設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就會(huì)再次導(dǎo)致系統(tǒng)不匹配問(wèn)題。

圖1 主泵PQ曲線

為了解決這個(gè)問(wèn)題，液壓系統(tǒng)功率就必須能夠根據(jù)所在地區(qū)的海拔高度自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前很多挖掘機(jī)上安裝了GPS模塊，所以可以結(jié)合GPS模塊和主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)匹配，解決了發(fā)車時(shí)需要人為設(shè)置或者轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)客戶無(wú)法設(shè)置的問(wèn)題。該控制方法的原理如圖2所示。

圖2 控制原理圖

實(shí)現(xiàn)這一功能的原理是：挖掘機(jī)通電后，GPS模塊自動(dòng)檢測(cè)挖掘機(jī)所在地區(qū)的海拔高度，將海拔高度傳輸給挖掘機(jī)主控制器，主控制器判斷挖掘機(jī)所在位置是否在發(fā)動(dòng)機(jī)的功率衰減區(qū)，如果在衰減區(qū)，則監(jiān)控器提示是否執(zhí)行高原模式，通過(guò)人機(jī)交換平臺(tái)選擇執(zhí)行高原模式，此時(shí)主控制器根據(jù)式3主泵功率與海拔高度的關(guān)系調(diào)節(jié)主泵功率，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的完美匹配。

該功能的控制流程如圖3所示。

圖3 高原自適應(yīng)功能控制流程圖

我們以某70t液壓挖掘機(jī)為例，該液壓挖掘機(jī)安裝的是康明斯QSX15發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔高度2 438m以下時(shí)，功率沒(méi)有變化，在2 438m以上，每增加300m功率下降4%。在該液壓挖掘機(jī)上增加了高原自適應(yīng)功能，根據(jù)上述發(fā)動(dòng)機(jī)功率與海拔高度的關(guān)系，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，目前批量銷售到海拔4 200m的青藏高原地區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)匹配良好，沒(méi)有出現(xiàn)前文所述的一系列高原問(wèn)題。

此外，由于同一海拔高度的不同地區(qū)大氣壓力可能不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率與廠家提供的參考值可能不同，如果僅僅按照廠家推薦值對(duì)液壓系統(tǒng)功率進(jìn)行設(shè)定，并不能完全實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的匹配，這種情況就需要檢測(cè)大氣壓力，根據(jù)大氣壓力推測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率，進(jìn)而對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的準(zhǔn)確匹配。

（編輯 吳學(xué)松）

［中圖分類號(hào)］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)04-0047-02

［收稿日期］2015-03-06

Research of plateau adaptive hydraulic excavator control