500 T级吊机发动机的功率匹配优化设计500 T级吊机发动机的功率匹配优化设计

陈 燕，陈 俊

(1. 福建船政交通职业学院 福建福州 350000，2. 三一汽车制造有限公司 湖南长沙 410100)

1 故障现象

根据吊机调试现场的反馈，500 T级吊机在双泵合流的情况下，高速满载工作时存在发动机急剧掉速问题，操作人员做动作时感觉速度很慢且无力，作业效率低；而在单泵工作，或者双泵非满载或者双泵低速工况时没有该现象，故初步判断为发动机和双泵合流后的功率曲线匹配可能存在不合理地方，当两个主油泵均处于最大排量并工作在最高压力时，如果来自发动机的转速也很高，会造成两个主油泵所需的功率超过发动机在当前转速下能提供的最大功率，从而导致发动机带不动负载而掉速甚至熄火的情况。

2 工作原理分析

该吊机主液压泵原理框图如图1所示。

图1中，柱塞泵1与柱塞泵2为电比例控制泵，与发动机直接连接，该吊机的液压动力源由柱塞泵1、柱塞泵2、合流阀组成，主动作1可以只由柱塞泵1供油，也可以由柱塞泵1和柱塞泵2通过合流阀同时供油，来提高主动作1的运行速度。同理，主动作2与主动作1相似，可以由柱塞泵2单独供油，也可以由柱塞泵1与柱塞泵2通过合流阀来同时供油，以提高主动作2的运行速度。柱塞泵1和柱塞泵2均采用电比例阀控制，通过给定两个油泵上的比例阀电流值，可以控制油泵的排量大小，从而影响油泵输出到执行机构的功率。

图1 吊机主液压泵原理框图

在理论设计时，柱塞泵的功率公式为[1]：

(1)

式中：P——工作压力，单位是MPa；Q——柱塞泵的流量，单位为L/min；

而柱塞泵的流量公式为[1]：

(2)

式中：V——柱塞泵的排量，单位是mL/r；N——柱塞泵的转速，单位是r/min；

故柱塞泵的功率公式亦可表达为[1-2]：

(3)

从上式可知，柱塞泵的功率与工作压力P、柱塞泵的适时排量V、以及柱塞泵的转速n相关；因此，要匹配好柱塞泵与发动机的功率曲线，就要适时采集上述三个变量并对其进行有效地控制[3]，使其始终保持在图2所示的发动机输出功率曲线之下。

图2是500 T级吊机的发动机厂家给出的转速-功率曲线，其典型的转速下输出的功率值如表1所示。

转速/(r·min-1)图2 发动机转速-功率曲线

表1 发动机转速与功率对照表

目前的调试逻辑为在初始状态下，发动机的转速由油门踏板来控制，同时图1中的柱塞泵1与柱塞泵2的电比例阀的电流值由手柄控制；是否双泵合流由操纵室里的翘板开关按键控制。当执行机构做动作时，油泵的工作压力由负载决定，而随着手柄的开口逐渐加大，柱塞泵的排量控制电流也呈线性增大，执行机构的速度也会越来越快；同理，当油门踏板越踩越深时，发动机的转速也相应提高，执行机构的速度也会越来越快。

3 故障原因分析

要弄清楚该故障的原因，首先需要实测出发动机掉速时的柱塞泵的比例阀电流与实时的负载压力值，因为比例阀的电流决定了柱塞泵的输出排量，而负载压力与输出排量的乘积就决定了柱塞泵的输出功率是否超过了发动机的额定工作功率[4-5]；表2为实测的发动机有掉速现象时的两个柱塞泵电流及负载压力、发动机转速值的对照表。

表2 实测掉速时的电流值及负载压力、发动机转速对照表

而根据柱塞泵供方提供的如图3所示的柱塞泵的电流-排量曲线，可将表2转换为更直观的柱塞泵排量、压力及转速对照表，如表3所示。

电流/mA图3 柱塞泵排量-电流曲线

表3 柱塞泵电流、排量及负载压力、发动机转速对照表

根据表3的实测数据，可得到柱塞泵的输出功率与发动机的各转速下额定功率的对照表，如表4所示。

表4 实测换算的柱塞泵功率与发动机额定功率对照表

根据表4的发动机各转速所对应的额定功率，可发现在给定负载的情况下，当柱塞泵的电流大到一定程度后，柱塞泵的功率会超过发动机的额定功率。结合以上现场的测试数据对比分析，可得出发生该故障的最主要原因是：柱塞泵的电流没有根据负载及发动机的转速变化而得到有效的控制；从而随着手柄开口的加大形成了高压大排量的输出，使柱塞泵输出给执行机构的功率超过了发动机在该转速下的最大功率，导致了发动机背不起负载而掉速或熄火。

4 优化方案

由上述分析可知，引起该故障的最主要原因就是当系统切换到双泵合流工况下，两个柱塞泵的电流没有与发动机的转速及负载的压力形成相互影响的制约关系[6]；故解决该故障的主要措施如下。

(1)将发动机标定好的功率曲线数字化，并作为控制柱塞泵终端电流的边界条件固化在智能算法的前端[2]；

(2)从发动机的ECU适时读取转速信号，同时通过智能算法，自动匹配发动机的即定功率曲线；

(3)将控制柱塞泵终端电流的手柄信号数字化，并与发动机ECU的即时输出功率进行适时比较，通过智能算法控制其输出到柱塞泵的终端电流始终在发动机的固化的功率曲线建立的边界条件以内，从而实现发动机转速与手柄输出电流智能匹配。

实际操作过程，即给控制柱塞泵比例阀电流的手柄增加约束条件，由上述的柱塞泵的功率计算公式(3)可知，系统的负载是无法控制的，能控制的只有柱塞泵的排量和发动机的转速，因此，拟定的解决方案可简单的表述为：实时采集发动机的转速和负载压力值，通过固化算法适时计算出此时的发动机允许的额定功率值内的柱塞泵的最大排量，再反推出柱塞泵的对应电流值，并将该最大电流值赋给控制手柄做为边界条件，在这个逻辑下，手柄的开口大小不再为一个固定的范围，而会根据实测的负载压力与发动机转速适时自适应变化，即无论手柄开口如何加大，其最大值只能在根据实测的压力与转速计算值以内变化，不能突破边界值，从而有效地控制住双泵合流时的输出功率始终在发动机的额定功率曲线以内，避免发动机超载引起掉速和熄火。

例如：当系统检测到发动机转速为1500 r/min，负载压力为23 MPa时，根据发动机功率曲线图可知，此时的发动机功率最大值为200 kW。

此时，通过公式(3)变形，并代入实测数据可得：

再根据两个柱塞泵排量平均分配的原则，可得每个柱塞泵的排量应该为173.5 mL/r；此时对应的柱塞泵的电流可从图3的曲线上查得，也可通过柱塞泵厂家给出的理论公式计算出来[2]：

(4)

当V=173.5 mL/r，i=565 mA时，此时即使将柱塞泵的控制手柄扳至最大开口，也只能给柱塞泵的比例阀566 mA电流，从而有效地将油泵的功率控制在200 kW以内。

转速/(r·min-1)图4 优化后的柱塞泵与发动机的转速-功率对比曲线

因此，通过实时采集负载压力调节柱塞泵的电比例阀电流最大值，将油泵的实际需求功率始终控制在发动机的目标功率曲线以下，避免了柱塞泵功率溢出导致的发动机掉速及熄火等问题，控制策略优化后的功率对比曲线如图4所示，在发动机的全转速范围内，柱塞泵的功率始终保持在发动机的功率线以下。

5 结语

通过监控系统的实时电流及相应的负载压力、发动机转速等关键参数，并通过三个参数的相互关系制订出卓有成效的手柄电流与负载及转速自适应的控制策略，让柱塞泵在不超载情况下始终能最大程度吸收发动机功率，从而避免原控制策略导致的超载及掉速引起的工作效率低下甚至熄火问题，也为所有使用电比例泵进行复合动作的工程机械频繁发生的发动机掉速及憋压熄火问题提供了一种解决思路。