混凝土泵车节能控制系统研究开发

摘 要：节能技术是目前工程机械最主要的控制技术之一，主要体现在发动机与负载相匹配控制方面（用整机节能设计和液压元件节能两大方面提高产品的节能性能）。其中功率匹配技术作为节能设计的一部分，具有较高的可操作性。

关键词：混凝土泵车；节能；功率匹配

中图分类号：TU646文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）07-0168-03

Absrtact：Energy-saving technology is one of the most important control techniques for construction machinery at present，which is mainly embodied in the matching control of engine and load. As a part of energy saving design，power matching technology has high maneuverability.

Keywords：concrete pump truck；energy saving；power matching

0 引 言

随着国民经济快速发展，高能耗的工程机械设备越来越多地被运用在经济建设中。在经济发展的同时，国民对保护环境及降低能耗的认知大大提高，节能减排的理念越来越深入人心。开发低能耗、高环保的工程设备，是目前国内工程设备生产厂家主要研究方向之一。功率匹配技术的运用是主要解决目前工程设备高能耗、低环保的现象之一。

目前功率匹配技术不仅得到了理论上的论证，也在一定领域得到广泛的运用。该技术采用压力、流量与功率综合控制方式，使负载与发动机的输出功率尽可能地相匹配，以获得最佳的功率输出及最低的燃油消耗量。

本文基于现有功率匹配技术，研究开发了混凝土泵车的节能控制系统，该系统已在混凝土泵车产品上广泛投入使用。

1 泵车动力系统组成

混凝土泵车动力系统组成如图1所示，底盘发动机的动力经传动机构传递给液压泵，液压泵再将发动机的动力传递给液压系统，从而实现泵送作业。在泵车的泵送过程中，常规的控制模式是将发动机设定在额定的转速下工作，这会使得发动机和液压泵的输出功率在中载或者轻载工况时，大大地高于实际负载所需功率，多余的功率则以各种损失方式在系统中被消耗掉，造成极大的能源浪费，影响泵车的工作可靠性。因此，泵车的输出功率应根据实际工况的变化而变化。实际工况可以利用泵车的每分钟换向次数来表征，通过转速调节机构来调节发动机的输出功率，同时排量调节机构调节液压泵的排量来满足泵送效率，实现发动机—液压泵—负载之间的匹配，从而提高整机工作效率，减少油耗。

2 节能控制原理

柴油机在不同油门位置时，都存在一个最经济工作点，如图2所示的H、I、J、K点，以及一个最大功率点，如图2所示的A、B、C、D点。当柴油机工作在最大功率点时，柴油机能发挥在此油门位置的最大功率，但最大功率点的油耗不是最省，同时有些油门位置的最大功率点抗过载能力较差，如图2所示的B、C、D点。当遇到负荷突然加大时容易造成发动机转速急速下降，甚至导致熄火；当柴油机工作在最佳节能点时，完成相同的工作量油耗最少，但最佳节能点的功率不是此油门位置的最大功率点，不能充分发挥柴油机的功率。因此，在实施功率匹配时，应根据具体的工作需要来匹配功率点。若求单位时间内的最大工作量时，应选择最大功率点为最佳工作点，但为防止发动机过载，电控系统会加入目前最成熟的极限载荷控制方式。若求在单位时间内完成相同作业量而最节省燃油，应以最佳节能点为工作点。

最大功率点可根据发动机的外部特性曲线直接匹配。最有效的匹配最佳节能点的方法是测试发动机工作状态，得出了发动机的通用特性曲线，并从中直接找出了最佳节油点（或经济工作区）。在不同的工作条件下，输出功率柴油机的ER是不同的。每台发动机的输出功率对应于通用特性曲线中的一条等功率曲线，而每条等功率曲线都可以与无数iso交叉。但转速和油耗的比值均不同，如果存在等功率曲线和等油耗曲线相切点，则该点就是最佳节能点，如图3所示。

每一条等功曲线都不一定能找到切线等比油耗曲线，但在等比油耗曲线附近总是有一条相等的比油耗曲线。如果发动机可以在等功率曲线和等油耗曲线之间工作，也是最经济的工作点。

各发动机模型的特性曲线不同，但存在一个经济油耗区。在该地区的任何时候，发动机都具有良好的经济性。因此，在实际功率m中如果发动机工作点落在经济工作区或相应功率的最低油耗点，则可达到节能匹配的目的。

如果把所有功率下的最经济工作点连起来，就形成了一条经济工作曲线。无论柴油机输出功率是多少，只要工作点位于经济工作曲线附近，燃油利用率就会较高。

3 泵车发动机控制方法

针对泵车在不同场合对泵送的要求和泵车特点，我们将泵车的控制分为以下三种控制方法：

（1）追求单位时间内最大效率的控制（常规控制模式）。追求最大效率的控制，也就是目前使用最多的发动机和泵都工作在最大功率的控制。

（2）追求完成相同工作量最低油耗的控制模式（节能控制模式）。常规控制模式中的排量电位计作为泵送速度给定旋钮，通过检测当前泵送速度（一个缸来回一次的时间）和发动机掉速的情况间接地判断当前的负载状态，根据以上信息算出最佳工作区域，然后调整发动机转速及主泵的斜盘开度，使系统能满足泵送的功率、效率，也达到了最节能的效果。

（3）自动怠速的辅助控制。当压力传感器检测不到负载时，系统自动从当前状态进入怠速模式，以节省燃油；当重新加负载时，系统自动恢复怠速前的状态。

4 泵车节能系统具体的测试方法

4.1 负载模拟的测试

在泵车的分配阀出口处安装截止阀，对泵车进行泵水实验，通过调节截止阀的开口大小来改变水的通流面积，从而改变负载大小，体现到泵送液压系统上就是主系统压力的大小。

4.2 发动机油耗测量

考虑到发动机工作中，既有吸油又有回油，所以分别在吸、回油管路上各安装一个流量计，二者记录数据的差值即为发动机的真实油耗。记录流量计输出的脉冲个数，一个脉冲对应一定的耗油量，由总的脉冲数就可以计算出泵车发动机总的耗油量。

4.3 发动机转速检测与调节

转速通过CAN总线直接从发动机ECU读取，避免了从转速表处读取有一定的滞后，可以准确地与目标转速比较判断瞬时的转速跌落。

4.4 泵送液压系统压力检测

使用压力传感器测量记录不同工况下主泵的系统压力。

4.5 主液压泵排量的检测与调节

主泵为液控泵，排量大小由先导压力决定，而先导压力又由电液比例溢流阀来设定，在电液比例溢流阀的输入端之前串联一个万用表，用来检测主泵输入电流，再用一个电位计控制系统输出电流，则通过调节电位计旋钮可以改变阀的输入电流。

4.6 单位时间内混凝土缸泵送次数的检测

使用泵车原有接近开关，从泵车控制柜中引出接近开关的输出信号线，记录单位时间内接近开关的通断次数，以计算砼活塞每次行程所需时间。

5 泵车节能控制的测试结果及实施

通过试验测试的数据，我们得到了发动机的油耗曲线图如图4所示。

横坐标为转速，纵坐标为泵的吸收扭矩的等价形式，即系统平均压力值（单位MPa）与排量百分比（单位：%）的乘积；图所示油耗为泵车工作两分钟内的油耗。

通过油耗曲线图我们可得知泵车平均掉速大于60转后，其油耗比例大幅增加，所以应控制发动机掉速在60转以内（使发动机工作不吃力），才能有效地降低油耗。若采用人为控制，只能凭感觉调整泵排量和发动机转速，这种匹配关系虽能满足用户对泵送效率的需要，但常常不节能，为了既满足用户所需要的泵送效率又能实现节能效果，根据现场测试结果与调研，得出以下控制方法：以效率为标准，人为选择所需的泵送效率，系统经查表自动输出相应的初始油门控制电压与泵控电流。

在一台泵车上同时具有两种模式：常规模式与节能模式。由人工来选择，按动开关即可在两种模式间方便地切换。

正常模式时采用原系统，用电位计控制泵排量，电位计开关调整转速。节能模式下采用新系统，原有的电位计此时变成了效率调节器，旋至不同的位置，对应不同的效率，即泵送一次所需的时间，系统通过这个效率查找、计算出对应的转速与泵控电流；泵送一个周期后，系统进入判断阶段，计算出效率差，再对发动机转速或泵控电流做相应调整。

经过试验得到节能前后转速的对比如图5所示。

经过试验得到节能前后油耗的对比如图6所示。

以上数据表明，油耗明显降低，效果显著。低速泵车的节能效果优于高速泵车，这是因为泵车低速负荷低，高速负荷大，发动机输出功率相同。当负荷较大时，发动机动力效率较高（节油空间）；当负载较小时，发动机动力效率较低。

6 结 论

功率匹配节能技术是以提高发动机功率的利用率、合理匹配动力系统与负载功率、有效降低燃油消耗为技术方案，即根据发动机—液压泵—负载之间的功率传递关系，在不同负载工况下对发动机喷油量以及主泵的流量进行控制，实现泵车节能、降低油耗。该系统已在混凝土泵车上的投入使用，也进一步验证了该系统的科学性和合理性。

参考文献：

[1] 曾育平，曾发林，王超，等.混凝土泵车节能控制方法研究 [J].工程机械，2010，41（4）：20-24+98.

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[3] 王超.浅析液压工程机械中泵与发动机的匹配问题 [J].水利水电施工，2009（S1）：82-85.

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作者简介：郭艳萍（1984.06-），女，汉族，江苏沛县人，在职研究生。研究方向：泵车电气。