小型挖掘機半電控系統的設計和應用

□ 孫培艷 □ 彭 彥

柳工常州機械有限公司 江蘇常州 213168

1 設計背景

長期以來,小型挖掘機常用轉速段的柴油機負荷率一般為55%～75%,而理想狀態下柴油機負荷率以70%～85%為最佳,由此存在大馬拉小車的現象,未能充分發揮柴油機的性能。隨著非道路柴油移動機械污染物排放要求越來越嚴格,小型挖掘機的整機使用成本隨后處理技術的升級而不斷增加。為解決上述問題,筆者對小型挖掘機半電控系統進行設計,合理選用柴油機,通過提升柴油機的負荷率,充分發揮柴油機的性能,合理控制油耗,在保證整機性能的基礎上有效控制整機的使用成本。

2 存在的問題

小型挖掘機大多使用液控,液壓系統的總扭矩在全轉速段內基本恒定,造成在常用轉速段內柴油機的負荷率為55%～75%,而理想狀態下柴油機的負荷率以70%～85%為最佳,由此未能充分發揮柴油機的性能。對某小型挖掘機進行試驗場測試,由于試驗場土地工況較為惡劣,造成柴油機的負荷率相比一般用戶使用情況偏高,而在1 400～1 800 r/min常用轉速段,柴油機負荷率為55%左右。柴油機轉速與負荷率曲線如圖1所示。目前,柴油機的使用情況相對理想狀態而言,在常用轉速段存在浪費。

另一方面,我國將于2022年底實施國Ⅳ排放標準,以某機型為例,現使用LE01柴油機,后續需要升級后處理技術,成本增幅很大,而且油耗也會增加,所以需要采取措施來控制整機使用成本,提升產品競爭力。筆者設計了一種小型挖掘機半電控系統,在現有挖掘機控制系統的基礎上進行適當改進,選用電比例液壓泵,結合電氣系統的控制模式,選用一款成本更低的柴油機,充分發揮其常用轉速段性能,在保證整機性能的基礎上,控制油耗,降低成本。

3 柴油機負荷率現狀

某小型挖掘機使用LE01柴油機,選用8臺該小型挖掘機進行柴油機轉速、負荷率數據用戶使用跟蹤試驗,結果見表1。從整機控制器導出的遠程傳輸數據來看,1 400～1 800 r/min為最常用轉速,而負荷率只有50%左右,可見工況負荷都偏低,并沒有發揮柴油機的性能。

▲圖1 柴油機轉速與負荷率曲線

表1 柴油機轉速、負荷率數據

4 半電控系統設計

針對上述小型挖掘機進行半電控系統設計。

該機型所使用的柴油機由LE01改為成本更低的LE02。選用LE02柴油機的原因為該柴油機的燃油經濟區在挖掘機適用轉速段內,并且低于并接近柴油機的扭矩曲線,有利于在充分發揮柴油機性能時兼顧整機油耗。

在原有挖掘機控制系統的基礎上,選用LB01電比例液壓泵,通過整機控制器控制LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值來控制其輸入扭矩,即LB01電比例液壓泵的輸入扭矩與LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值一一對應。

將挖掘機工作擋位分為12擋,即P1擋至P12擋,設計常用擋位為P5擋至P8擋。LE02柴油機的最佳燃油經濟區為1 400～1 800 r/min,因此將P5擋至P8擋轉速設置為在1 400～1 800 r/min常用轉速段內,柴油機負荷率設計為80%左右。整機的主要工作轉速在常用轉速段,可以充分發揮柴油機的性能,并且可以有效控制油耗。將P1擋至P4擋轉速設置為1 400 r/min以下,柴油機負荷率設計為80%以下,避免低擋位掉速嚴重。將P11擋和P12擋轉速設置為1 800 r/min以上,柴油機負荷率設計為80%以上,以應對比較少見的惡劣工況。

通過上述設定的柴油機負荷率扭矩,計算得到相應擋位的LB01電比例液壓泵輸入扭矩,根據輸入扭矩和轉速可以計算得到各擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩、輸入功率。所標定的半電控系統輸入扭矩、輸入功率控制曲線如圖2所示。

▲圖2 半電控系統控制曲線

由于LB01電比例液壓泵的輸入扭矩與LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值一一對應,因此可以得出各擋位LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值。

得到各擋位的轉速設定值及LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值后,通過整機控制器程序對各擋位的轉速及LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值進行標定,從而控制各擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩和輸入功率。

挖掘機工作時工況較為復雜,受環境因素影響很大,因此實際測試時柴油機負荷率和設計值會存在一定偏差,需要根據實際測試結果,結合整機的油耗測試情況,對各擋位的轉速和相應的電比例液壓泵電磁閥電流值設定進行修正。

5 半電控系統應用

對小型挖掘機進行半電控系統改裝,將柴油機由LE01改為成本更低的LE02,更改相應的安裝部件,并經過核對,保留可以通用的排氣消聲系統、進氣系統及散熱系統。選用合適的LB01電比例液壓泵,更改相關線束,更新控制程序。

小型挖掘機半電控系統設計的目的是通過對不同擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩和輸入功率進行控制,充分發揮柴油機常用轉速段的性能,從而在保證整機性能的基礎上,控制油耗,降低成本,所以要求整機性能滿足產品定義要求,同時重點關注整機的油耗情況,要求與原控制系統的油耗相當。

經過多次修正及測試,最終得到半電控系統的測試結果。

常用轉速段柴油機負荷率得到提升,常用擋位的柴油機負荷率提升至75%～80%,充分利用了柴油機的性能。半電控系統的柴油機轉速與負荷率曲線如圖3所示。

▲圖3 半電控系統柴油機轉速與負荷率曲線

半電控系統整機測試結果見表2,熱平衡、噪聲、力學測試等均符合產品定義要求,而且重點關注的整機油耗效果滿足預期。

表2 半電控系統整機測試結果

6 結束語

筆者設計了一種小型挖掘機半電控系統,在原有系統的基礎上更換柴油機,并更新相應程序。應用這一半電控系統后,可以充分發揮柴油機常用轉速段的性能,在保證整機性能的基礎上降低成本。