挖掘机主动防熄火控制研究

□ 孙明峰 □ 樊 红 □ 秦 涛 □ 刘 硕 □ 曹 石

潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261041

1 研究背景

挖掘机在工作时经常遇到剧烈、频繁的负载工况变化,造成发动机的输出功率与马达功率不匹配,如果驾驶员不能及时进行控制,那么将导致发动机出现转速降低或熄火的情况[1]。因此,对于挖掘机而言,一个非常重要的功能就是防熄火控制,在全转速范围内为液压系统提供最大的发动机功率,当负载过大时,通过降低泵的流量来防止发动机熄火。目前采用的挖掘机防熄火方法为利用发动机自身的特性,当发动机转速低于设定的负载转速时,通过减小马达的流量使发动机不熄火。郜立焕等[2]通过调整泵的斜盘倾角来减小泵的排量,防止挖掘机熄火。但是这一控制方式存在一定的滞后性,会出现转速波动大,甚至直接熄火的情况,这一控制方式对挖掘机油耗的影响也较大。有一些研究通过泵和马达的数据模型,与发动机建立关系来防止挖掘机熄火[3-8]。 另一方面,付胜杰等[9]研究基于变转速的负载控制,唐拥军[10]通过将经济综合指标纳入功率匹配指标,以此进行挖掘机功率和发动机功率的匹配。

2 传统防熄火控制分析

挖掘机传统的防熄火控制为,在挖掘机进行工作时,通过转速设定装置向发动机发送一个固定的转速设定值,使发动机维持在固定的转速运转。一般这个转速设定值与发动机额定功率关联,能使发动机始终输出最大功率,同时对应较经济的油耗,保证挖掘机的经济性。当挖掘机遇到大负载时,转速降低,掉速值大于一定阈值后,转速设定装置对固定的转速设定值进行相应调整,通过减小马达流量,使发动机不熄火,实现防熄火功能。挖掘机的传统防熄火控制原理如图 1所示。

▲图1 挖掘机传统防熄火控制原理

总体而言,挖掘机传统防熄火控制采用转速降低后的被动防熄火方式,先判断转速降低,再通过比例积分微分等控制方式,降低马达的负载,以实现防熄火。挖掘机传统防熄火控制存在的问题如下:① 如果遇到负载瞬时急增的情况,会来不及进行调整,很容易出现熄火;② 转速波动大,驾驶员的体验感差,无法保持在高效的转速区域,油耗也较大。挖掘机传统防熄火控制效果如图2所示。

▲图2 挖掘机传统防熄火控制效果

3 主动防熄火控制原理

笔者提出的挖掘机主动防熄火控制原理为,液压控制器根据马达的压力、排量等参数,实时计算得到马达功率和当前实际转速下发动机的最大功率,当马达功率接近或达到发动机最大功率时,直接进行主动防熄火控制。

挖掘机主动防熄火控制具体方法为,在发动机转速降低之前,控制马达的电流,将计算得到的防熄火电流作为前馈加至控制器电流,在一个步长内防熄火电流增大至设定值,减小负载,进而使发动机维持原转速。挖掘机主动防熄火控制从根本上解决了挖掘机熄火的问题,同时使发动机一直保持在高效的转速区域。

4 发动机功率计算

挖掘机主动防熄火控制时,需要得到发动机在每个转速下的最大功率,作为主动防熄火控制的边界。只当有发动机实际功率接近或达到最大功率时,才能进行主动防熄火控制。发动机功率计算式为:

Pmax=Tmaxn/9 550

(1)

式中:Pmax为发动机各转速下的最大功率,kW;Tmax为发动机各转速对应的最大输出扭矩,N·m;n为发动机的转速,r/min。

发动机各转速对应的最大扭矩通过发动机外特性曲线得到。

依次计算发动机各转速下的最大功率,得到最大功率值,见表1。

表1 各转速下发动机最大功率值

5 马达功率计算

马达功率的计算是挖掘机主动防熄火控制的关键,只有知道马达功率,才能精确得到当前的负载功率。马达功率计算式为:

Pmot=Tmotn2/9 550

(2)

式中:Pmot为马达各转速下的功率,kW;Tmot为马达各转速对应的输出扭矩,N·m;n2为马达的转速,r/min。

Tmot=0.16LP

(3)

式中:L为马达的排量,mL/r;P为马达的工作压力,MPa。

6 防熄火电流计算

计算得到发动机最大功率和马达功率后,利用马达功率与发动机最大功率的比值,判断当前是否已经达到防熄火状态。若是,则直接对马达进行电流控制,以此来实现发动机防熄火的功能。

利用发动机各个转速下的最大功率和马达功率,计算得到马达功率和发动机功率的比值α。

根据功率比值α的大小,计算马达电流,并且作为前馈加至防熄火电流。功率比值和防熄火电流的关系见表2。

表2 功率比值和防熄火电流关系

当防熄火电流不起作用时,马达电磁阀的电流值正常输出。当防熄火电流起作用时,根据功率比值的大小将对应的防熄火电流直接加至控制电流,控制马达电磁阀。

7 整车测试结果

按照挖掘机主动防熄火控制方法进行整车测试,在瞬时将负载增至很大的情况下,不会出现熄火的情况,并且转速基本控制在90%～110%设定值范围内,油耗量符合要求,驾驶员的体验感较佳。整车测试结果如图3所示。

▲图3 整车测试结果

8 结束语

笔者对挖掘机主动防熄火控制进行研究,通过主动控制达到挖掘机防熄火功能。

挖掘机主动防熄火控制可以在负载瞬时增至很大的情况下,保证发动机不熄火,同时能够将转速控制在设定范围以内,波动小。

经过整车测试,油耗量符合要求,驾驶员的体验感较佳。笔者所做研究为挖掘机主动防熄火控制提供了一种新的方法。