XR220D旋挖鉆機(jī)自動(dòng)怠速控制與試驗(yàn)研究

熊玉龍，張鵬程，郭 舒

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

大功率設(shè)備的節(jié)能一直是產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用過程中追求的目標(biāo)[1]。旋挖鉆機(jī)是一種大功率施工機(jī)械，當(dāng)旋挖鉆機(jī)在輕載或空載工作時(shí)，如果沒有對發(fā)動(dòng)機(jī)的油門做出相應(yīng)的調(diào)整，發(fā)動(dòng)機(jī)將高速空轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)燃油，也會加劇整機(jī)零部件的損壞。研究表明，采用降低轉(zhuǎn)速的方法可以降低油耗[2-3]。為此，本文介紹旋挖鉆機(jī)自動(dòng)怠速控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法，旨在旋挖鉆機(jī)空載時(shí)，降低油耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 自動(dòng)怠速的原理

自動(dòng)怠速是指在旋挖鉆機(jī)空載時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)油門開度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到設(shè)定值。發(fā)動(dòng)機(jī)最低燃油率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是自動(dòng)怠速設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，油耗最低，節(jié)能性最好。

自動(dòng)怠速開關(guān)和壓力開關(guān)的狀態(tài)是判斷是否進(jìn)入自動(dòng)怠速狀態(tài)的兩個(gè)條件。自動(dòng)怠速開關(guān)是人為控制的選擇性按鈕，用來控制是否使用自動(dòng)怠速功能，當(dāng)其有效時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才有可能進(jìn)入自動(dòng)怠速狀態(tài)；當(dāng)其無效時(shí)，表明不使用自動(dòng)怠速功能。當(dāng)自動(dòng)怠速開關(guān)有效時(shí)，壓力開關(guān)檢測的系統(tǒng)壓力決定是否進(jìn)入自動(dòng)怠速狀態(tài)。旋挖鉆機(jī)正常工作時(shí)，系統(tǒng)壓力較高；旋挖鉆機(jī)空載時(shí)，閥處于中位，系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)時(shí)間段內(nèi)，壓力一直低于某一數(shù)值，可以認(rèn)為旋挖鉆機(jī)此時(shí)正處于空載狀態(tài)，通過控制器使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)怠速狀態(tài)。整個(gè)控制過程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)怠速的流程圖

2 自動(dòng)怠速的實(shí)現(xiàn)方法

自動(dòng)怠速的目的是在旋挖鉆機(jī)空載時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速處于油耗較低的某一設(shè)定值。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)依靠控制器。控制器的輸入是自動(dòng)怠速開關(guān)信號和壓力開關(guān)信號，輸出是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號。以徐工XR220D旋挖鉆機(jī)為樣機(jī)，該機(jī)使用力士樂RC6-9系列控制機(jī)，康明斯QSL-325系列發(fā)動(dòng)機(jī)。RC6-9控制器是工程機(jī)械專用控制器，具有兩組CAN總線接口，一組CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一組CAN總線與顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。QSL-325發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率是242 kW，額定轉(zhuǎn)速是2100 r/min，由該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗曲線可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在1100 r/min附近時(shí)，燃油消耗率最低，所以此轉(zhuǎn)速可以設(shè)定為自動(dòng)怠速的轉(zhuǎn)速值。QSL-325發(fā)動(dòng)機(jī)為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用CAN總線作為通訊基礎(chǔ)[4]，利用J1939通訊協(xié)議和RC6-9控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其自動(dòng)怠速的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示，具體如下：RC6-9控制器有自動(dòng)怠速開關(guān)信號和壓力開關(guān)信號的輸入時(shí)，并且系統(tǒng)壓力30 s內(nèi)都是處于較低數(shù)值時(shí)，控制器通過J1939協(xié)議讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速不是自動(dòng)怠速的設(shè)定值（例如1100 r/min），再通過CAN總線和發(fā)動(dòng)機(jī)通訊，對發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)速控制信號，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低預(yù)先設(shè)定的怠速值，進(jìn)入自動(dòng)怠速的待機(jī)狀態(tài)。

圖2 自動(dòng)怠速的實(shí)現(xiàn)原理

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證旋挖鉆機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗的關(guān)系，說明自動(dòng)怠速設(shè)定的轉(zhuǎn)速下最省油，以XR220D旋挖鉆機(jī)為研究對象，測量了發(fā)動(dòng)機(jī)在空載情況下，不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，每個(gè)轉(zhuǎn)速下測量3 min并記錄數(shù)據(jù)，測量的結(jié)果如表1所示。

表1 空載下各轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 100 r/min的時(shí)候，之后隨著轉(zhuǎn)速增加，油耗升高，在1 600 r/min時(shí)，油耗又有一個(gè)降低，但是仍然高于1 100 r/min時(shí)的油耗。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，該轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗最低，這也和發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油特性曲線相符合。

圖3 空載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-油耗關(guān)系

如果XR220旋挖鉆機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)1 h，不使用自動(dòng)怠速功能，按額定轉(zhuǎn)速下的油耗計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗為15.16 L；使用自動(dòng)怠速功能，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗為13.97 L，1 h內(nèi)節(jié)約燃油1.19 L，節(jié)能效果十分可觀。

4 結(jié)束語

本文分析了旋挖鉆機(jī)自動(dòng)怠速的原理和實(shí)現(xiàn)方法，在空載情況下，測定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗的關(guān)系，比較了自動(dòng)怠速下的油耗和額定轉(zhuǎn)速下的油耗，結(jié)果表明自動(dòng)怠速的節(jié)油效果突出。

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

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

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

[4]徐鈺琨.旋挖鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.