某電控發動機匹配30噸挖掘機應用研究

黎程，杜志良，張露捷（濰柴動力上海研發中心，上海市201114）

某電控發動機匹配30噸挖掘機應用研究

黎程，杜志良，張露捷
（濰柴動力上海研發中心，上海市201114）

基于一臺30 t挖掘機開展某電控發動機的匹配研究，掌握30 t挖掘機動力系統總成匹配和發動機優化方法。本項目針對原裝挖掘機動力系統各主要零部件進行改裝設計和試制加工，完成對動力系統總成的優化匹配及換裝。對改裝后的挖掘機進行全面的性能試驗驗證，并與原裝挖掘機性能進行對比分析，達到并超越原裝機的技術水平。

挖掘機電控發動機優化匹配

1 前言

我國工程機械產業2000年以來快速發展，2012年全行業產值為6 018.34億元。根據國家“十三五”發展規劃，預計到2020年，工程機械行業銷售規模預計將達到9 000億元[1]。盡管如此，我國工程機械行業進一步發展卻受制于關鍵零部件。針對挖掘機而言，主要系統即動力系統和液壓系統的配套主要靠國際采購。發動機主要集中在康明斯、三菱、五十鈴、洋馬等品牌，液壓件主要集中在川崎、力士樂、東芝等品牌。除小型挖掘機的發動機有國內配套外，其他規格挖掘機用發動機、液壓件幾乎完全靠國外配套，受制于國外公司，國內企業開發能力得不到長足有效的發展[2]。

挖掘機是用途最廣泛的工程機械產品之一，也是整個工程機械行業增長最為迅速的板塊。隨著我國基礎設施和建筑行業的快速發展，挖掘機的需求量也在快速增加。僅2011全年累計，中國市場挖掘機總銷量為17.8萬臺，同比增長6.9%。近年來，隨著國內制造業總體水平的提高，國產挖掘機，特別是中小挖掘機的市場占有率也在迅速提高。

為響應市場需求，本文以三一公司的SANY335C-8型挖掘機為樣本，開展某電控發動機的匹配研究，以掌握30 t挖掘機動力系統總成匹配和發動機優化方法。

2 開發流程及目標

通過對原型挖掘機進行全面的性能試驗，獲得整機性能數據。對原裝五十鈴6HK1發動機進行性能試驗，有針對性地提出發動機優化目標，使目標發動機的油耗特性優于原裝五十鈴6HK1發動機。根據改裝方案對原裝挖掘機動力總成及其附件進行改裝設計和試制加工，完成樣機改裝。對改裝后的挖掘機進行性能試驗，與原型機試驗數據進行對比，最終確認動力總成匹配方案是否合理。項目開發流程見圖1。

根據市場調研結果，確定目標挖掘機噪聲水平應與原型機相當，挖掘力、牽引力及行駛速度等主要指標不低于原型機，油耗較原型機降低5%，排放達到國Ⅲ排放要求且具備排放升級潛力。

圖1 項目開發流程圖

3 發動機選型

根據挖掘機的實際工作環境，發動機經常處在大負荷的工作狀態，因此必須要有足夠的扭矩儲備率，保證挖掘機的正常工作。因此發動機的扭矩儲備率定為11%。國家標準對挖掘機噪聲和振動要求比較嚴格，發動機噪聲目標值小于96.9 dB(A)，振動應處于C級，可容忍工作狀態。根據三一公司SANY335C-8型挖掘機發動機艙的實際大小，發動機的最大外形尺寸（長×寬×高）為1 357× 995.4×1 162.5mm。

隨著油價的不斷上漲，挖掘機對油耗的要求越來越高，因此對發動機的性能要求也越來越高。結合挖掘機用發動機運行工況點主要集中在高轉速及大扭矩區的特點，選定目標發動機萬有特性見圖2。外特性最低油耗率在199 g/(kW·h)，400N·m以上扭矩范圍，油耗率在210 g/(kW·h)以內。經濟區分布在1 600 r/min附近區域，既滿足中低檔位工況又兼顧大負荷工況。

圖2 目標發動機萬有特性圖

4 結構設計及樣機改裝

4.1 懸置系統

（1）發動機懸置支撐

由于目標發動機與五十鈴6HK1發動機的機體長度、寬度存在差異，因此原挖掘機的發動機懸置支撐無法借用，重新設計加工。具體方案見圖3。

圖3 發動機懸置方案

加工改裝過程中應注意以下事項：（1）原挖掘機發動機懸置全部切割，打磨平整，保證表面光潔度；（2）焊接時，保證不允許有焊渣、毛刺；（3）保證懸置的水平度，避免因懸置水平度不夠造成受力不均和搖晃、震動等。

（2）發動機支架

目標發動機與6HK1發動機的高度不同，即風扇的中心高度也不同。在改裝過程中借用了原挖掘機的水箱、中冷器等附件，即原挖掘機前端冷卻系統的位置不變，因此必須使改裝后目標發動機的風扇中心高度與原機相同，故而重新設計與加工了發動機支架。

4.2 進氣系統

目標發動機與6HK1發動機進氣管位置左右相反，重新設計空濾進氣管、空濾變截面進氣管。由于進氣管路的不同，原挖掘機的發動機護板重新進行加工。

為了提高目標發動機的進氣效率，增加濾清效率，防止發動機出現早磨，重新選配了一級空氣濾清器（粗濾）、空氣濾清器，同時空濾支架和空濾蓋板按照新的尺寸重新加工，見圖4。

圖4 空氣濾清器

4.3 排氣系統

目標發動機與6HK1發動機排氣管的位置左右相反，排氣管路相應地發生變化。由于排氣管位置的變化，消聲器排氣接口的位置也要改變。根據目標發動機的性能特性曲線，重新選配消聲器。新消聲器尺寸比原挖掘機的消聲器大，同時避免消聲器與主泵干涉，重新設計消聲器支架，發動機艙降噪板進行改制加工。消聲器排氣管的位置與原挖掘機位置相反，因此挖掘機發動機罩重新開口，示意圖見圖5。

圖5 消聲器排氣接管及支架

4.4 冷卻系統

圖6 導風罩

由于目標發動機與6HK1發動機進排氣位置相反，且進排氣在同一側，因此中冷器的進排氣管需要重新設計加工。同時目標發動機水泵位置與6HK1發動機不同，水泵的進出水管重新設計和加工，見圖7。

圖7 水泵進出水管

4.5 燃油系統

為了滿足國Ⅲ排放要求，同時考慮到用戶可能會不使用高品質燃油，以及挖掘機惡劣的工作環境，專門開發了三級燃油濾清器。新開發的三級燃油濾清器過濾效果更好，能夠保證發動機更好地運轉。由于新開發的燃油濾清器體積比原裝燃油濾清器大，若能夠方便地對發動機進行維護、保養、更換濾芯，因此采用外接式燃油濾清器。

4.6 潤滑系統

為了方便挖掘機的日常保養、維護、更換濾芯，目標發動機設計為外接式機油濾清器，為用戶提供方便。

4.7 空調系統

在改裝過程中，借用了原挖掘機的空調壓縮機，空調安裝位置上移，增加空調固定連接板，空調壓縮機驅動皮帶長度也重新匹配。為了保證空調壓縮機驅動皮帶與輪系皮帶的間隙，曲軸皮帶輪重新設計。

4.8 電器系統

原6HK1發動機為機械式噴油泵，目標發動機為電控高壓共軌，兩種控制方式存在明顯的差異。目標發動機帶有電控硅油風扇、ECU控制、進氣預熱等功能，這些都是原挖掘機整車線路中沒有的。為了保證挖掘機能夠正常運行，以上的功能必須連接到整車線束中。同時由于目標發動機與原6HK1發動機啟動電機位置相反，導致啟動馬達線束不夠長。因此挖掘機整車線束也需要重新設計。新的線束布置見圖8。

4.9 其他系統改裝

（1）飛輪和飛輪殼的設計加工

由于目標發動機第一次配套挖掘機，飛輪安裝定位孔與液壓泵尺寸不同，因此飛輪安裝定位孔需要重新加工。在安裝過程中，為了保證風扇與水箱的安裝距離，目標發動機安裝位置比原6HK1發動機更靠近水箱。由于挖掘機液壓主泵無法改變，飛輪殼的安裝孔與液壓主泵也不相同，因此需要設計過渡連接盤。

（2）水溫表、機油壓力表的設計

原6HK1發動機水溫和機油壓力由挖掘機控制系統收集信號，在挖掘機顯示屏上可以直接看到相關數據。改裝后發動機為電控發動機，其相關參數由ECU直接控制。在改裝過程中，挖掘機控制器無法直接讀取目標發動機ECU中的數據。為了能夠在挖掘機的工作過程中實時了解發動機的水溫、機油壓力，重新設計了外接水溫表和機油壓力表。

5 試驗驗證

5.1 試驗結果對比

對原型挖掘機進行全面的性能試驗，以獲得整機性能數據，試驗包括發動機臺架性能試驗、液壓系統性能試驗、整機行走速度、作業力測量及作業油耗等。

在保證挖掘機操做人員、試驗設備、試驗環境等試驗條件相同的前提下，進行改裝后挖掘機性能試驗驗證。獲得改裝后挖掘機的整機性能數據，對比分析樣機性能的優劣，為后續改進及項目結項提供依據。試驗包括液壓系統性能試驗、整機行走速度試驗、作業油耗試驗、作業力測量及整機噪聲振動試驗等。主要試驗結果見表1。

從試驗結果看，改裝后挖掘機與原型挖掘機相比，二者除噪聲和油耗外，整機主要性能差異在2%以內。由于目標發動機采用電磁離合器風扇，發動機ECU根據水溫來控制風扇離合器的開閉，故改裝后挖掘機噪聲試驗測試按照風扇開、閉兩種狀態分別進行。從試驗結果看，風扇的開啟對整機噪聲的影響較大，且發動機本體噪聲較原型機大，后續將重點進行降噪改進。

表2為改裝前后挖掘機經濟性能對比試驗?？梢姡难b后挖掘機經濟性能改善明顯，平均每斗燃油消耗量較原型機少3.7%～19.7%。其中重載工況節油率略低，中等負載工況節油率較高。綜合節油率為11.2%。H、S、L分別表示挖掘機功率輸出模式中的高、中、低選項。

表1 改裝前后挖掘機基本性能對比試驗結果

表2 改裝前后挖掘機經濟性能試驗結果

5.2 發動機運行工況分析

通過記錄挖掘機作業時電控發動機的運行數據，結合發動機臺架試驗結果，繪制挖掘機作業工況發動機運行工況圖。通過分析發動機運行工況點的分布，可以更直觀地研究挖掘機動力總成匹配的合理性，為后續發動機改進提出更有針對性的優化建議。運行工況圖見圖9、圖10。

分析圖9所示發動機運行工況的分布情況，可以得出如下結論。

（1）在H模式下，1至4檔運行工況較集中，發動機運行在1 400 r/min～1 500 r/min轉速區間，未體現各檔的差異性。5至8檔運行工況分布較均勻。9至11檔運行工況重合。鑒于上述情況，發動機油門控制策略需進行優化，應做到H模式11個檔位下，發動機運行工況各自獨立，不出現沖突。

（2）H模式8至11檔集中運行在額定工況點附近，此區域發動機油耗表現不理想。后期改進措施考慮將發動機經濟區向高轉速段偏移100 r/min，可以實現約2%的節油效果。

（3）H模式9至11檔集中運行在額定工況點，發動機能發出最大功率，挖掘機也能發揮最大潛力。

分析圖10所示發動機運行工況的分布情況，可得出如下結論。

（1）在1至4檔，L模式的運行工況與H模式一樣，分布較集中，發動機運行在轉速為1 400 r/min～1 500 r/min區間，未體現各檔的差異性。5至9檔運行工況分布較均勻。鑒于低檔位出現的問題，發動機油門控制策略需進行相應優化，應做到L模式9個檔位下，發動機運行工況各自獨立，不出現沖突。

（2）L模式各檔位下發動機扭矩輸出較一致，均集中分布在400 N·m至700 N·m之間，對此區域進行發動機性能優化，可實現節油。

（3）L模式各檔位下發動機扭矩均未達到外特性輸出，發動機扭矩富余。

6結論

（1）目標挖掘機的挖掘力、牽引力及行駛速度等主要指標與原型機相當，綜合油耗較原型機降低11.2%，排放達到國Ⅲ排放要求，達到了預期目標。

（2）目標發動機風扇的開啟對整機噪聲的貢獻值較大，且發動機本體噪聲較原型機大，后續將重點進行發動機降噪設計。

（3）目標挖掘機H模式和L模式1至4檔運行差異性較小，發動機油門控制策略需進行優化。

（4）目標發動機對萬有特性相關區域進行油耗優化，整機還有節油潛力。

圖9 挖掘機H模式發動機運行工況圖

圖10 挖掘機L模式發動機運行工況圖

[1]2015-2020年中國工程機械行業現狀調研分析與發展趨勢預測報告,中國產業調研網,2014.

[2]邸鵬遠，張曉春，史文輝.液壓挖掘機行業狀況分析[J].建設機械技術與管理，2008（12）.

[3]陳欠根，費望龍，蔣蘋.液壓挖掘機功率匹配節能方法研究[J].建筑機械，2007（12）.

[4]王慶豐，張彥廷，肖清.混合動力工程機械節能效果評價及液壓系統節能的仿真研究[J].機械工程學報，2005（12）.

Applied Research on an Electronically Controlled EngineMatching 30 Ton Excavator

LiCheng,Du Zhiliang,Zhang Lujie
（WeiChaiPowerCo.,Ltd.,ShanghaiR&DCenter,Shanghai201114,China)

Based on a 30 ton excavator to carry out a matching test of an electronically controlled engine,master 30 tons of excavator powertrain assemblymatching and engine optimization methods.This project is aimed at the design and trial processing of the main components of the original excavator powertrain,and completes the optimized matching and replace the powertrain assembly.The modified excavator for a comprehensive performance test verification,and with the original excavator performance comparison analysis,toachieveand beyond theoriginalmachine technology level.

excavator,electronically controlled engine,matching

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.005

來稿日期：2016-12-11

黎程（1985-），男，工程師，主要研究方向為汽車測試技術。