夏友斌/XIA Youbin

（徐州徐工礦業(yè)機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

液壓挖掘機是礦山施工的重要作業(yè)工具之一，工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣。在高溫、高寒、高海拔等地帶作業(yè)時，挖掘機的工作能力受到極大的限制，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低、冒黑煙、動作無力等問題。究其原因是在高海拔下，不僅發(fā)動機功率會降低，其響應(yīng)性也會一并降低。而環(huán)境溫度通過影響挖掘機的散熱能力間接影響散熱功率，在面對極端溫度時，需要調(diào)整最大或最小散熱能力并配合適當散熱策略以達到較好的散熱效果，同時需要功率匹配策略以發(fā)揮發(fā)動機的動力[1]。因此，挖掘機的環(huán)境適應(yīng)性是一個整體，除了要考慮靜態(tài)功率匹配，同時也要考慮動態(tài)功率匹配。不同的環(huán)境溫度對空調(diào)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)要求也有所不同，為統(tǒng)籌考慮環(huán)境參數(shù)的變化對挖掘機的影響，減少人為調(diào)整的工作量和復(fù)雜性，需要一套挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制策略。

1 環(huán)境因素對挖掘機性能影響分析

隨著海拔高度的上升，大氣壓力及氧氣濃度均呈現(xiàn)下降趨勢。因此，挖掘機發(fā)動機在工作過程中，進入發(fā)動機缸內(nèi)的氧氣也是隨之下降的，氧氣含量降低會導(dǎo)致發(fā)動機的空燃比降低，發(fā)動機燃油燃燒不充分，造成發(fā)動機最大輸出功率的下降。圖1 為某型號發(fā)動機最大輸出功率與海拔高度的關(guān)系。有研究表明，海拔高度上升1 000m左右，發(fā)動機的功率會降低10%左右[2]。

圖1 海拔與發(fā)動機輸出功率關(guān)系

在高海拔地區(qū)，發(fā)動機可輸出最大功率降低的同時，其響應(yīng)時間即發(fā)動機功率從最小功率達到最大功率所需時間也會變長。這是由于發(fā)動機的渦輪增壓由于進氣不足，增壓器的轉(zhuǎn)速降低所導(dǎo)致的[3]。圖2 為某型號發(fā)動機在1 750rmp 轉(zhuǎn)速下，在不同海拔時發(fā)動機的功率響應(yīng)時間。從圖中可以看出，在海拔高度5 000m 時，發(fā)動機從怠速功率提升至最大輸出功率時間長達1.6s。發(fā)動機的長響應(yīng)時間嚴重降低了挖掘機的動態(tài)匹配性。

圖2 功率與響應(yīng)時間關(guān)系

在極端溫度環(huán)境下，挖掘機散熱系統(tǒng)需要進行不斷調(diào)整以適應(yīng)散熱需求。若環(huán)境溫度極高，風扇最大散熱能力不足，溫度不能及時排出，會出現(xiàn)液壓系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)損壞，這時則需要及時提高散熱泵的散熱功率同時考慮空調(diào)系統(tǒng)的降溫效果以使挖機手處于較為適宜的工作環(huán)境下。在環(huán)境溫度較低的情況下，發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)的水溫和液壓系統(tǒng)的油溫溫度長時間升不上，無法在合適的溫度區(qū)間工作，同樣會造成挖掘機工作機構(gòu)的損傷及挖掘機工作效率低下。

2 挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制策略

隨著海拔的不斷升高，針對發(fā)動機功率下降和功率變化梯度平緩的問題，根據(jù)當前大氣壓力和環(huán)境溫度研究靜態(tài)功率匹配和動態(tài)功率匹配相結(jié)合的挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制系統(tǒng)策略。當環(huán)境溫度過低時，挖掘機液壓油經(jīng)過散熱器后流回油箱，液壓油溫提升速度慢，針對這個問題，研究低溫環(huán)境下液壓油不經(jīng)過散熱器直回油箱控制策略，快速提高液壓油溫度，改善液壓系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

2.1 靜態(tài)功率匹配策略

挖掘機發(fā)動機啟動后，發(fā)動機控制器將當前發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速通過CAN 線傳遞至挖掘機控制器，挖掘機控制器根據(jù)發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速、大氣壓力和功率之間的關(guān)系計算出當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速下發(fā)動機功率輸出能力

其中：P0表示發(fā)動機輸出能力；p表示大氣壓力。

根據(jù)液壓油溫T1和發(fā)動機冷卻水溫T2分別計算液壓油散熱泵所需公率P1和發(fā)動機冷卻水散熱泵需求功率P2

式中，P1表示液壓油散熱泵需求功率，P2表示冷卻水散熱泵需求功率，T1表示液壓油溫，T2表示發(fā)動機冷卻水溫。

根據(jù)空調(diào)制冷狀態(tài)檢測單元判斷當前空調(diào)是否處于制冷狀態(tài)，若在制冷狀態(tài)且環(huán)境溫度T大于設(shè)定值T3，則根據(jù)環(huán)境溫度計算空調(diào)冷凝器散熱泵所需功率，環(huán)境溫度越高，空調(diào)冷凝器散熱泵所需要的功率越高，空調(diào)制冷能力越強。若空調(diào)制冷器不在制冷狀態(tài)或者環(huán)境溫度小于設(shè)定值T3則空調(diào)冷凝器散熱泵所需功率P3為零

式中，P3為空調(diào)冷凝器散熱泵所需功率，T為環(huán)境溫度，T3為設(shè)定值。

則在靜態(tài)功率調(diào)整中，主泵1 和主泵2 輸出功率P的最大可輸出功率應(yīng)不大于（P0-P1-P2-P3），即

2.2 動態(tài)功率匹配策略

挖掘機控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的函數(shù)關(guān)系計算大氣壓力為p時，發(fā)動機最小功率到最大功率的變化時間t0，公式如下

式（6）表明發(fā)動機功率響應(yīng)時間t0是大氣壓力p的函數(shù)。在t0時間內(nèi)，主泵1 的動態(tài)功率Pt1和主泵2 的動態(tài)功率Pt2之和應(yīng)不大于主泵可用的發(fā)動機實時功率輸出能力ΔP（t0），其中ΔP（t0）為發(fā)動機實時可輸出功率減去液壓油散熱泵所需功率，冷去水散熱泵功率，空調(diào)冷凝器散熱泵所需功率的差值。發(fā)動機實時可輸出功率由發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速和輸出扭矩計算得出。根據(jù)上述分析可知

2.3 全過程功率匹配策略

根據(jù)功率匹配策略可知，當前環(huán)境下，主泵1 所需功率Pt1和主泵2 所需功率Pt2可使用的功率為

式中P為靜態(tài)功率匹配中可用功率，ΔP（t0）為動態(tài)功率匹配中可用功率。挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制策略原理圖如圖3 所示。

圖3 挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制策略原理圖

2.4 液壓油直回油箱控制策略

溫度較低時，液壓油返回油箱的傳統(tǒng)控制方式如圖4 所示，第一回油單向閥的開啟壓力較小，第二回油單向閥的開啟壓力較大，挖掘機液壓油回油優(yōu)先通過第一回油單向閥，然后經(jīng)過液壓油散熱器后回到油箱；當回油壓力較高時，小部分液壓油通過第二回油單向閥直接回油箱，第一回油單向閥和第二回油單向閥的另一個作用是使回油壓力不低于系統(tǒng)要求最低壓力[4]。

圖4 傳統(tǒng)控制方式

為了在低溫環(huán)境下，降低能耗，快速提高液壓油溫，本論文提出一種液壓油直回油箱控制方法如圖5 所示。當挖掘機控制器檢測到環(huán)境溫度低于T4時，電磁換向閥被打開，液壓油回油優(yōu)先通過第一回油單向閥，然后經(jīng)過電磁換向閥和液壓油散熱器回到油箱，因為液壓油散熱器內(nèi)部液阻大于電磁換向閥的液阻，所以流過電磁換向閥的液壓油多于流過液壓油散熱器的，如此，即實現(xiàn)了大量液壓油回油通過電磁換向閥直回油箱的控制，又保證了回油壓力不低于系統(tǒng)最低壓力的要求。在環(huán)境溫度過低時，通過這種方式可以快速地提高液壓油溫度，使液壓油的黏度盡快達到最優(yōu)黏度區(qū)間，改善液壓系統(tǒng)的環(huán)境溫度。

圖5 液壓油直回油箱控制方式

3 結(jié)語

挖掘機環(huán)境自適應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)大氣壓力等環(huán)境參數(shù)，不僅調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)功率匹配，也調(diào)整系統(tǒng)動態(tài)匹配。靜態(tài)匹配和動態(tài)匹配的相結(jié)合可以使得液壓挖掘機在工作時，發(fā)動機可以更好地適應(yīng)負載變化，減少或消除掉速、憋車、冒黑煙等現(xiàn)象。同時，在環(huán)境溫度較高時，提高空調(diào)冷凝器散熱泵功率，快速將駕駛室內(nèi)溫度降下來，改善了高溫情況下的空調(diào)制冷效果，提高了駕駛室的舒適性。在環(huán)境溫度降低時，進行液壓油直回油箱控制，不需要經(jīng)過散熱器，這種操作可以快速地提高液壓油溫度，減少油溫加熱時間，使液壓油的黏度盡快達到最佳狀態(tài)，改善了液壓系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。