文 俊

（徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

液壓挖掘機(jī)是露天礦山施工的主要作業(yè)機(jī)具，多采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，出廠時(shí)均進(jìn)行了較好的系統(tǒng)匹配，但對(duì)于高原地形具有平均海拔高和海拔變化范圍大的特點(diǎn)，挖掘機(jī)一旦再次轉(zhuǎn)場(chǎng)施工或者作業(yè)面發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)功率輸出及瞬態(tài)響應(yīng)特性發(fā)生變化，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)不再匹配，出現(xiàn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降的問題，甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)憋車、掉速、冒黑煙等嚴(yán)重的高原問題，所以，需要對(duì)挖掘機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)海拔變化自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)高原自適應(yīng)。

1 高原工況對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)力性的影響

隨著海拔的增高，空氣將變得稀薄，大氣壓以及氧分壓下降，導(dǎo)致挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比降低，燃燒過程惡化，柴油燃燒不完全，導(dǎo)致柴油機(jī)排放增加，穩(wěn)態(tài)功率輸出下降，瞬態(tài)響應(yīng)性變差。有研究表明，海拔高度每上升1 000m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低10%，液壓系統(tǒng)可吸收的功率降低，挖掘機(jī)作業(yè)速度將變慢，同時(shí)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)變差，挖掘機(jī)做動(dòng)作尤其是有突變負(fù)載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)掉速將變大，掉速恢復(fù)時(shí)間將變長(zhǎng)。

2 高原自適應(yīng)控制方法

2.1 大氣壓與海拔變化關(guān)系

在海平面，大氣壓力為101.3kPa，空氣中氧氣含量占比為20.4%，空氣中氧氣所占比例基本不受海拔影響，但大氣壓力因海拔升高而降低。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出功率變化

大氣壓力是影響柴油發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能指標(biāo)的重要因素，隨著海拔高度增加，大氣壓力也隨著減小，每個(gè)循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量隨之下降，直接導(dǎo)致柴油機(jī)的燃燒惡化，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性明顯惡化。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率因硬件關(guān)系隨海拔的變化關(guān)系各不相同，在此，以徐工XE700DF 配置的珀金斯2206D 發(fā)動(dòng)機(jī)為例，圖1為2206D發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率與海拔的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 2206D發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率與海拔的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)特性變化

高海拔施工中，因?yàn)榇髿鈮毫Φ挠绊?，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)因進(jìn)氣量不足，增壓壓力偏低，對(duì)應(yīng)的排氣流量變小，增壓器轉(zhuǎn)速降低，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比偏小，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間將變長(zhǎng)，由于增壓器效率與葉頂間隙、流道粗糙度、葉輪葉片數(shù)以及葉片厚度等多個(gè)因素相關(guān)，所以不同的發(fā)動(dòng)機(jī)因渦輪增壓器的增壓效率不同瞬態(tài)響應(yīng)性能也不同，在此，仍然以2206D 發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在5 000m 海拔下，2206D 發(fā)動(dòng)機(jī)在常用轉(zhuǎn)速1 800rpm 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性能下降了60%，響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了0.6s。參見表1。

表1 2206D發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔下瞬態(tài)響應(yīng)特性

2.4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)功率輸出及瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響關(guān)系，通過在挖掘機(jī)上增加大氣壓力傳感器并接入挖掘機(jī)控制器，用于監(jiān)測(cè)挖掘機(jī)所在地的大氣壓力，挖掘機(jī)控制器通過控制比例電磁閥電流從而改變主泵輸出功率，挖掘機(jī)控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器之間采用CAN 通訊，挖掘機(jī)控制器發(fā)送指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通過CAN 線廣播發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息。高原自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

圖2 高原自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖

2.5 自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)匹配控制

在此，假定發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面的穩(wěn)態(tài)最大輸出功率為P，液壓主泵吸收功率為Py，主泵外附件（包括發(fā)電機(jī)、空調(diào)、散熱系統(tǒng)等）功率為Patt，則有

式（1）中，η為功率儲(chǔ)備系數(shù)

挖掘機(jī)控制器通過大氣壓力傳感器監(jiān)控挖掘機(jī)當(dāng)前環(huán)境下的大氣壓力，并根據(jù)表1 換算成對(duì)應(yīng)的海拔高度，通過查表法，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)最大輸出功率Pw以及功率相對(duì)海平面的衰減比例i

假定附件功率Patt不變，功率儲(chǔ)備系數(shù)η不變，則高原環(huán)境下主泵最大吸收功率Py′為

主泵在高原的最大吸收功率相對(duì)海平面的比例n為

將式（1）、（2）、（3）代入式（4），可得到

根據(jù)大氣壓力，換算出海拔高度，通過查表法查找出發(fā)動(dòng)機(jī)功率衰減比例i，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面的最大輸出功率P、挖掘機(jī)系統(tǒng)功率儲(chǔ)備系數(shù)η、附件功率為Patt可計(jì)算出主泵功率吸收比例n，結(jié)合主泵功率與比例電磁閥的電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過控制器呈比例調(diào)整電磁閥電流，從而實(shí)現(xiàn)主泵功率的對(duì)應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)功率匹配。

2.6 自適應(yīng)瞬態(tài)匹配控制

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)隨著海拔高度的增加而變差，但液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性不會(huì)隨海拔高度的改變而變化，所以隨著海拔高度增加，如果不調(diào)整液壓系統(tǒng)負(fù)載的加載特性，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)不匹配，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速大等問題。

圖3 為發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔下的功率響應(yīng)曲線示意圖，其中曲線1 為海平面的響應(yīng)曲線，曲線2 為高原時(shí)的響應(yīng)曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)從零功率到輸出最大功率的響應(yīng)時(shí)間分別為t1和t2。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔下的功率響應(yīng)曲線

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)匹配，主泵功率的加載速率應(yīng)等于或低于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加速率，在此，不計(jì)入附件功率的影響，按主泵功率加載速率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加速率相等計(jì)算，主泵在海平面的功率加載時(shí)間T1可設(shè)定為

主泵在高原的功率加載時(shí)間T1可設(shè)定為

設(shè)定主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N為主泵功率在高原加載時(shí)間T2與在海平面加載時(shí)間T1的比值

將式（2）、（4）、（6）、（7）代入式（8），可得

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間隨海拔高度的變化規(guī)律，通過查表法得到參數(shù)t1和t2，以及根據(jù)式（5）計(jì)算的n和發(fā)動(dòng)機(jī)功率衰減比例i，可計(jì)算出主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N，由式（8），根據(jù)主泵在海平面設(shè)定的加載時(shí)間T1，計(jì)算出主泵在高原的加載時(shí)間T2，控制器按該加載時(shí)間逐步增加主泵輸出功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)匹配。

2.7 功率暫態(tài)匹配控制

挖掘機(jī)控制器通過CAN 總線監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)最大允許掉速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)性未達(dá)到要求，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重掉速時(shí)，控制器發(fā)送指令改變比例閥電流，修正主泵功率，使得主泵功率響應(yīng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率響應(yīng)；在發(fā)動(dòng)機(jī)功率響應(yīng)達(dá)到要求后，則不進(jìn)行此種暫態(tài)控制，控制器再發(fā)送指令，恢復(fù)主泵功率，保證液壓系統(tǒng)充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高工作效率。

3 實(shí)際應(yīng)用

徐工XE700DF 挖掘機(jī)配置了珀金斯2206D發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率P=328kW，附件功率Patt=35kW，功率儲(chǔ)備系數(shù)η=5.5%，在海平面時(shí)設(shè)定液壓主泵吸收功率Py=275kW，主泵功率加載時(shí)間T1=1.6s。

在5 000m 海拔高原時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)功率特性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，查表得到功率衰減比例i=12.2%，在常用轉(zhuǎn)速1 800rpm 時(shí)，t1=1.0s，t2=1.6s，分別代入式（5）和式（9）可得到，主泵功率吸收比例n=86.2%，主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N=1.57，將N代入式（8），計(jì)算可得主泵高原加載時(shí)間T2=2.5s。

上述控制參數(shù)實(shí)施前，XE700DF 在西藏5 000m 海拔的玉龍銅礦，發(fā)動(dòng)機(jī)掉速超過500rpm，黑煙嚴(yán)重，根據(jù)計(jì)算的參數(shù)對(duì)程序修訂后，發(fā)動(dòng)機(jī)掉速在150rpm 以內(nèi)，無可見煙，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)匹配良好。

增加上述高原自適應(yīng)控制方法之后，根據(jù)大氣壓力傳感器識(shí)別海拔高度，并自動(dòng)調(diào)整主泵吸收功率和主泵高原加載時(shí)間，XE700DF 在1 500m 的內(nèi)蒙古烏海工地和4 500m 的青海木里工地轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，沒有對(duì)程序進(jìn)行二次修訂，發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)匹配良好，沒有出現(xiàn)憋車、掉速、黑煙等高原問題，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的高原自適應(yīng)匹配。

4 結(jié)語

通過監(jiān)測(cè)挖掘機(jī)所在地的大氣壓力，換算成對(duì)應(yīng)海拔高度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同海拔高度下的穩(wěn)態(tài)功率輸出和瞬態(tài)響應(yīng)特性，自動(dòng)調(diào)整主泵最大輸出功率和主泵加載時(shí)間，同時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，對(duì)主泵功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在不同海拔高度下的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)高原自適應(yīng)控制。