XR220D旋挖钻机自动怠速控制与试验研究

熊玉龙，张鹏程，郭 舒

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安710064）

大功率设备的节能一直是产品开发和应用过程中追求的目标[1]。旋挖钻机是一种大功率施工机械，当旋挖钻机在轻载或空载工作时，如果没有对发动机的油门做出相应的调整，发动机将高速空转，不仅浪费燃油，也会加剧整机零部件的损坏。研究表明，采用降低转速的方法可以降低油耗[2-3]。为此，本文介绍旋挖钻机自动怠速控制的原理和实现方法，旨在旋挖钻机空载时，降低油耗，达到节能的目的。

1 自动怠速的原理

自动怠速是指在旋挖钻机空载时，自动调节油门开度，降低发动机的转速到设定值。发动机最低燃油率对应的转速就是自动怠速设定的转速值。发动机工作在这个转速下，油耗最低，节能性最好。

自动怠速开关和压力开关的状态是判断是否进入自动怠速状态的两个条件。自动怠速开关是人为控制的选择性按钮，用来控制是否使用自动怠速功能，当其有效时，发动机才有可能进入自动怠速状态；当其无效时，表明不使用自动怠速功能。当自动怠速开关有效时，压力开关检测的系统压力决定是否进入自动怠速状态。旋挖钻机正常工作时，系统压力较高；旋挖钻机空载时，阀处于中位，系统压力远远低于正常值。为了防止误操作，通常检测系统压力为30 s，如果这个时间段内，压力一直低于某一数值，可以认为旋挖钻机此时正处于空载状态，通过控制器使发动机进入自动怠速状态。整个控制过程如图1所示。

图1 自动怠速的流程图

2 自动怠速的实现方法

自动怠速的目的是在旋挖钻机空载时，使发动机的转速处于油耗较低的某一设定值。发动机转速的调节依靠控制器。控制器的输入是自动怠速开关信号和压力开关信号，输出是发动机的转速控制信号。以徐工XR220D旋挖钻机为样机，该机使用力士乐RC6-9系列控制机，康明斯QSL-325系列发动机。RC6-9控制器是工程机械专用控制器，具有两组CAN总线接口，一组CAN总线与发动机进行数据传输，另一组CAN总线与显示器进行数据交换。QSL-325发动机的额定功率是242 kW，额定转速是2100 r/min，由该发动机燃油消耗曲线可以看出，当发动机在1100 r/min附近时，燃油消耗率最低，所以此转速可以设定为自动怠速的转速值。QSL-325发动机为电喷发动机，转速的调节采用CAN总线作为通讯基础[4]，利用J1939通讯协议和RC6-9控制器进行数据传输。其自动怠速的实现原理如图2所示，具体如下：RC6-9控制器有自动怠速开关信号和压力开关信号的输入时，并且系统压力30 s内都是处于较低数值时，控制器通过J1939协议读取发动机的实际转速，如果转速不是自动怠速的设定值（例如1100 r/min），再通过CAN总线和发动机通讯，对发动机发出转速控制信号，使发动机转速降低预先设定的怠速值，进入自动怠速的待机状态。

图2 自动怠速的实现原理

3 试验研究

为了验证旋挖钻机的发动机转速和油耗的关系，说明自动怠速设定的转速下最省油，以XR220D旋挖钻机为研究对象，测量了发动机在空载情况下，不同转速下的发动机油耗，每个转速下测量3 min并记录数据，测量的结果如表1所示。

表1 空载下各转速的3 min油耗

由图3所示的曲线，可以发现空载情况下，油耗最低的是发动机转速在1 100 r/min的时候，之后随着转速增加，油耗升高，在1 600 r/min时，油耗又有一个降低，但是仍然高于1 100 r/min时的油耗。通过实验数据表明，发动机的自动怠速转速为1 100 r/min，该转速下，发动机的油耗最低，这也和发动机的燃油特性曲线相符合。

图3 空载时发动机转速-油耗关系

如果XR220旋挖钻机空载转动1 h，不使用自动怠速功能，按额定转速下的油耗计算，发动机油耗为15.16 L；使用自动怠速功能，发动机油耗为13.97 L，1 h内节约燃油1.19 L，节能效果十分可观。

4 结束语

本文分析了旋挖钻机自动怠速的原理和实现方法，在空载情况下，测定了发动机转速和油耗的关系，比较了自动怠速下的油耗和额定转速下的油耗，结果表明自动怠速的节油效果突出。

[1]黎中银，焦生杰，吴方晓.旋挖钻机与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2010:34-35.

[2]国香恩.液压挖掘机节能模糊控制系统研究[D].长春：吉林大学，2004.

[3]尚 涛.液压挖掘机作业及行走系统节能控制研究[D].长春：吉林大学，2005.

[4]徐钰琨.旋挖钻机动力系统节能控制技术研究[D].济南：山东大学，2013.