熊玉龍，張鵬程，郭 舒

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

大功率設備的節(jié)能一直是產品開發(fā)和應用過程中追求的目標[1]。旋挖鉆機是一種大功率施工機械，當旋挖鉆機在輕載或空載工作時，如果沒有對發(fā)動機的油門做出相應的調整，發(fā)動機將高速空轉，不僅浪費燃油，也會加劇整機零部件的損壞。研究表明，采用降低轉速的方法可以降低油耗[2-3]。為此，本文介紹旋挖鉆機自動怠速控制的原理和實現(xiàn)方法，旨在旋挖鉆機空載時，降低油耗，達到節(jié)能的目的。

1 自動怠速的原理

自動怠速是指在旋挖鉆機空載時，自動調節(jié)油門開度，降低發(fā)動機的轉速到設定值。發(fā)動機最低燃油率對應的轉速就是自動怠速設定的轉速值。發(fā)動機工作在這個轉速下，油耗最低，節(jié)能性最好。

自動怠速開關和壓力開關的狀態(tài)是判斷是否進入自動怠速狀態(tài)的兩個條件。自動怠速開關是人為控制的選擇性按鈕，用來控制是否使用自動怠速功能，當其有效時，發(fā)動機才有可能進入自動怠速狀態(tài)；當其無效時，表明不使用自動怠速功能。當自動怠速開關有效時，壓力開關檢測的系統(tǒng)壓力決定是否進入自動怠速狀態(tài)。旋挖鉆機正常工作時，系統(tǒng)壓力較高；旋挖鉆機空載時，閥處于中位，系統(tǒng)壓力遠遠低于正常值。為了防止誤操作，通常檢測系統(tǒng)壓力為30 s，如果這個時間段內，壓力一直低于某一數值，可以認為旋挖鉆機此時正處于空載狀態(tài)，通過控制器使發(fā)動機進入自動怠速狀態(tài)。整個控制過程如圖1所示。

圖1 自動怠速的流程圖

2 自動怠速的實現(xiàn)方法

自動怠速的目的是在旋挖鉆機空載時，使發(fā)動機的轉速處于油耗較低的某一設定值。發(fā)動機轉速的調節(jié)依靠控制器。控制器的輸入是自動怠速開關信號和壓力開關信號，輸出是發(fā)動機的轉速控制信號。以徐工XR220D旋挖鉆機為樣機，該機使用力士樂RC6-9系列控制機，康明斯QSL-325系列發(fā)動機。RC6-9控制器是工程機械專用控制器，具有兩組CAN總線接口，一組CAN總線與發(fā)動機進行數據傳輸，另一組CAN總線與顯示器進行數據交換。QSL-325發(fā)動機的額定功率是242 kW，額定轉速是2100 r/min，由該發(fā)動機燃油消耗曲線可以看出，當發(fā)動機在1100 r/min附近時，燃油消耗率最低，所以此轉速可以設定為自動怠速的轉速值。QSL-325發(fā)動機為電噴發(fā)動機，轉速的調節(jié)采用CAN總線作為通訊基礎[4]，利用J1939通訊協(xié)議和RC6-9控制器進行數據傳輸。其自動怠速的實現(xiàn)原理如圖2所示，具體如下：RC6-9控制器有自動怠速開關信號和壓力開關信號的輸入時，并且系統(tǒng)壓力30 s內都是處于較低數值時，控制器通過J1939協(xié)議讀取發(fā)動機的實際轉速，如果轉速不是自動怠速的設定值（例如1100 r/min），再通過CAN總線和發(fā)動機通訊，對發(fā)動機發(fā)出轉速控制信號，使發(fā)動機轉速降低預先設定的怠速值，進入自動怠速的待機狀態(tài)。

圖2 自動怠速的實現(xiàn)原理

3 試驗研究

為了驗證旋挖鉆機的發(fā)動機轉速和油耗的關系，說明自動怠速設定的轉速下最省油，以XR220D旋挖鉆機為研究對象，測量了發(fā)動機在空載情況下，不同轉速下的發(fā)動機油耗，每個轉速下測量3 min并記錄數據，測量的結果如表1所示。

表1 空載下各轉速的3 min油耗

由圖3所示的曲線，可以發(fā)現(xiàn)空載情況下，油耗最低的是發(fā)動機轉速在1 100 r/min的時候，之后隨著轉速增加，油耗升高，在1 600 r/min時，油耗又有一個降低，但是仍然高于1 100 r/min時的油耗。通過實驗數據表明，發(fā)動機的自動怠速轉速為1 100 r/min，該轉速下，發(fā)動機的油耗最低，這也和發(fā)動機的燃油特性曲線相符合。

圖3 空載時發(fā)動機轉速-油耗關系

如果XR220旋挖鉆機空載轉動1 h，不使用自動怠速功能，按額定轉速下的油耗計算，發(fā)動機油耗為15.16 L；使用自動怠速功能，發(fā)動機油耗為13.97 L，1 h內節(jié)約燃油1.19 L，節(jié)能效果十分可觀。

4 結束語

本文分析了旋挖鉆機自動怠速的原理和實現(xiàn)方法，在空載情況下，測定了發(fā)動機轉速和油耗的關系，比較了自動怠速下的油耗和額定轉速下的油耗，結果表明自動怠速的節(jié)油效果突出。

[1]黎中銀，焦生杰，吳方曉.旋挖鉆機與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2010:34-35.

[2]國香恩.液壓挖掘機節(jié)能模糊控制系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學，2004.

[3]尚 濤.液壓挖掘機作業(yè)及行走系統(tǒng)節(jié)能控制研究[D].長春：吉林大學，2005.

[4]徐鈺琨.旋挖鉆機動力系統(tǒng)節(jié)能控制技術研究[D].濟南：山東大學，2013.