挖掘機主動防熄火控制研究

□ 孫明峰 □ 樊 紅 □ 秦 濤 □ 劉 碩 □ 曹 石

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261041

1 研究背景

挖掘機在工作時經(jīng)常遇到劇烈、頻繁的負載工況變化,造成發(fā)動機的輸出功率與馬達功率不匹配,如果駕駛員不能及時進行控制,那么將導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速降低或熄火的情況[1]。因此,對于挖掘機而言,一個非常重要的功能就是防熄火控制,在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為液壓系統(tǒng)提供最大的發(fā)動機功率,當負載過大時,通過降低泵的流量來防止發(fā)動機熄火。目前采用的挖掘機防熄火方法為利用發(fā)動機自身的特性,當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的負載轉(zhuǎn)速時,通過減小馬達的流量使發(fā)動機不熄火。郜立煥等[2]通過調(diào)整泵的斜盤傾角來減小泵的排量,防止挖掘機熄火。但是這一控制方式存在一定的滯后性,會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動大,甚至直接熄火的情況,這一控制方式對挖掘機油耗的影響也較大。有一些研究通過泵和馬達的數(shù)據(jù)模型,與發(fā)動機建立關(guān)系來防止挖掘機熄火[3-8]。 另一方面,付勝杰等[9]研究基于變轉(zhuǎn)速的負載控制,唐擁軍[10]通過將經(jīng)濟綜合指標納入功率匹配指標,以此進行挖掘機功率和發(fā)動機功率的匹配。

2 傳統(tǒng)防熄火控制分析

挖掘機傳統(tǒng)的防熄火控制為,在挖掘機進行工作時,通過轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置向發(fā)動機發(fā)送一個固定的轉(zhuǎn)速設(shè)定值,使發(fā)動機維持在固定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。一般這個轉(zhuǎn)速設(shè)定值與發(fā)動機額定功率關(guān)聯(lián),能使發(fā)動機始終輸出最大功率,同時對應(yīng)較經(jīng)濟的油耗,保證挖掘機的經(jīng)濟性。當挖掘機遇到大負載時,轉(zhuǎn)速降低,掉速值大于一定閾值后,轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置對固定的轉(zhuǎn)速設(shè)定值進行相應(yīng)調(diào)整,通過減小馬達流量,使發(fā)動機不熄火,實現(xiàn)防熄火功能。挖掘機的傳統(tǒng)防熄火控制原理如圖 1所示。

▲圖1 挖掘機傳統(tǒng)防熄火控制原理

總體而言,挖掘機傳統(tǒng)防熄火控制采用轉(zhuǎn)速降低后的被動防熄火方式,先判斷轉(zhuǎn)速降低,再通過比例積分微分等控制方式,降低馬達的負載,以實現(xiàn)防熄火。挖掘機傳統(tǒng)防熄火控制存在的問題如下:① 如果遇到負載瞬時急增的情況,會來不及進行調(diào)整,很容易出現(xiàn)熄火;② 轉(zhuǎn)速波動大,駕駛員的體驗感差,無法保持在高效的轉(zhuǎn)速區(qū)域,油耗也較大。挖掘機傳統(tǒng)防熄火控制效果如圖2所示。

▲圖2 挖掘機傳統(tǒng)防熄火控制效果

3 主動防熄火控制原理

筆者提出的挖掘機主動防熄火控制原理為,液壓控制器根據(jù)馬達的壓力、排量等參數(shù),實時計算得到馬達功率和當前實際轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的最大功率,當馬達功率接近或達到發(fā)動機最大功率時,直接進行主動防熄火控制。

挖掘機主動防熄火控制具體方法為,在發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低之前,控制馬達的電流,將計算得到的防熄火電流作為前饋加至控制器電流,在一個步長內(nèi)防熄火電流增大至設(shè)定值,減小負載,進而使發(fā)動機維持原轉(zhuǎn)速。挖掘機主動防熄火控制從根本上解決了挖掘機熄火的問題,同時使發(fā)動機一直保持在高效的轉(zhuǎn)速區(qū)域。

4 發(fā)動機功率計算

挖掘機主動防熄火控制時,需要得到發(fā)動機在每個轉(zhuǎn)速下的最大功率,作為主動防熄火控制的邊界。只當有發(fā)動機實際功率接近或達到最大功率時,才能進行主動防熄火控制。發(fā)動機功率計算式為:

Pmax=Tmaxn/9 550

(1)

式中:Pmax為發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的最大功率,kW;Tmax為發(fā)動機各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出扭矩,N·m;n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,r/min。

發(fā)動機各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大扭矩通過發(fā)動機外特性曲線得到。

依次計算發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的最大功率,得到最大功率值,見表1。

表1 各轉(zhuǎn)速下發(fā)動機最大功率值

5 馬達功率計算

馬達功率的計算是挖掘機主動防熄火控制的關(guān)鍵,只有知道馬達功率,才能精確得到當前的負載功率。馬達功率計算式為:

Pmot=Tmotn2/9 550

(2)

式中:Pmot為馬達各轉(zhuǎn)速下的功率,kW;Tmot為馬達各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的輸出扭矩,N·m;n2為馬達的轉(zhuǎn)速,r/min。

Tmot=0.16LP

(3)

式中:L為馬達的排量,mL/r;P為馬達的工作壓力,MPa。

6 防熄火電流計算

計算得到發(fā)動機最大功率和馬達功率后,利用馬達功率與發(fā)動機最大功率的比值,判斷當前是否已經(jīng)達到防熄火狀態(tài)。若是,則直接對馬達進行電流控制,以此來實現(xiàn)發(fā)動機防熄火的功能。

利用發(fā)動機各個轉(zhuǎn)速下的最大功率和馬達功率,計算得到馬達功率和發(fā)動機功率的比值α。

根據(jù)功率比值α的大小,計算馬達電流,并且作為前饋加至防熄火電流。功率比值和防熄火電流的關(guān)系見表2。

表2 功率比值和防熄火電流關(guān)系

當防熄火電流不起作用時,馬達電磁閥的電流值正常輸出。當防熄火電流起作用時,根據(jù)功率比值的大小將對應(yīng)的防熄火電流直接加至控制電流,控制馬達電磁閥。

7 整車測試結(jié)果

按照挖掘機主動防熄火控制方法進行整車測試,在瞬時將負載增至很大的情況下,不會出現(xiàn)熄火的情況,并且轉(zhuǎn)速基本控制在90%～110%設(shè)定值范圍內(nèi),油耗量符合要求,駕駛員的體驗感較佳。整車測試結(jié)果如圖3所示。

▲圖3 整車測試結(jié)果

8 結(jié)束語

筆者對挖掘機主動防熄火控制進行研究,通過主動控制達到挖掘機防熄火功能。

挖掘機主動防熄火控制可以在負載瞬時增至很大的情況下,保證發(fā)動機不熄火,同時能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速控制在設(shè)定范圍以內(nèi),波動小。

經(jīng)過整車測試,油耗量符合要求,駕駛員的體驗感較佳。筆者所做研究為挖掘機主動防熄火控制提供了一種新的方法。