挖掘机环境自适应控制策略研究

夏友斌/XIA Youbin

（徐州徐工矿业机械有限公司，江苏 徐州 221000）

液压挖掘机是矿山施工的重要作业工具之一，工况复杂、环境恶劣。在高温、高寒、高海拔等地带作业时，挖掘机的工作能力受到极大的限制，经常出现发动机转速降低、冒黑烟、动作无力等问题。究其原因是在高海拔下，不仅发动机功率会降低，其响应性也会一并降低。而环境温度通过影响挖掘机的散热能力间接影响散热功率，在面对极端温度时，需要调整最大或最小散热能力并配合适当散热策略以达到较好的散热效果，同时需要功率匹配策略以发挥发动机的动力[1]。因此，挖掘机的环境适应性是一个整体，除了要考虑静态功率匹配，同时也要考虑动态功率匹配。不同的环境温度对空调系统、散热系统要求也有所不同，为统筹考虑环境参数的变化对挖掘机的影响，减少人为调整的工作量和复杂性，需要一套挖掘机环境自适应控制策略。

1 环境因素对挖掘机性能影响分析

随着海拔高度的上升，大气压力及氧气浓度均呈现下降趋势。因此，挖掘机发动机在工作过程中，进入发动机缸内的氧气也是随之下降的，氧气含量降低会导致发动机的空燃比降低，发动机燃油燃烧不充分，造成发动机最大输出功率的下降。图1 为某型号发动机最大输出功率与海拔高度的关系。有研究表明，海拔高度上升1 000m左右，发动机的功率会降低10%左右[2]。

图1 海拔与发动机输出功率关系

在高海拔地区，发动机可输出最大功率降低的同时，其响应时间即发动机功率从最小功率达到最大功率所需时间也会变长。这是由于发动机的涡轮增压由于进气不足，增压器的转速降低所导致的[3]。图2 为某型号发动机在1 750rmp 转速下，在不同海拔时发动机的功率响应时间。从图中可以看出，在海拔高度5 000m 时，发动机从怠速功率提升至最大输出功率时间长达1.6s。发动机的长响应时间严重降低了挖掘机的动态匹配性。

图2 功率与响应时间关系

在极端温度环境下，挖掘机散热系统需要进行不断调整以适应散热需求。若环境温度极高，风扇最大散热能力不足，温度不能及时排出，会出现液压系统和发动机系统损坏，这时则需要及时提高散热泵的散热功率同时考虑空调系统的降温效果以使挖机手处于较为适宜的工作环境下。在环境温度较低的情况下，发动机系统内的水温和液压系统的油温温度长时间升不上，无法在合适的温度区间工作，同样会造成挖掘机工作机构的损伤及挖掘机工作效率低下。

2 挖掘机环境自适应控制策略

随着海拔的不断升高，针对发动机功率下降和功率变化梯度平缓的问题，根据当前大气压力和环境温度研究静态功率匹配和动态功率匹配相结合的挖掘机环境自适应控制系统策略。当环境温度过低时，挖掘机液压油经过散热器后流回油箱，液压油温提升速度慢，针对这个问题，研究低温环境下液压油不经过散热器直回油箱控制策略，快速提高液压油温度，改善液压系统的环境适应性。

2.1 静态功率匹配策略

挖掘机发动机启动后，发动机控制器将当前发动机实际转速通过CAN 线传递至挖掘机控制器，挖掘机控制器根据发动机当前转速、大气压力和功率之间的关系计算出当前发动机转速下发动机功率输出能力

其中：P0表示发动机输出能力；p表示大气压力。

根据液压油温T1和发动机冷却水温T2分别计算液压油散热泵所需公率P1和发动机冷却水散热泵需求功率P2

式中，P1表示液压油散热泵需求功率，P2表示冷却水散热泵需求功率，T1表示液压油温，T2表示发动机冷却水温。

根据空调制冷状态检测单元判断当前空调是否处于制冷状态，若在制冷状态且环境温度T大于设定值T3，则根据环境温度计算空调冷凝器散热泵所需功率，环境温度越高，空调冷凝器散热泵所需要的功率越高，空调制冷能力越强。若空调制冷器不在制冷状态或者环境温度小于设定值T3则空调冷凝器散热泵所需功率P3为零

式中，P3为空调冷凝器散热泵所需功率，T为环境温度，T3为设定值。

则在静态功率调整中，主泵1 和主泵2 输出功率P的最大可输出功率应不大于（P0-P1-P2-P3），即

2.2 动态功率匹配策略

挖掘机控制器根据预先设定的函数关系计算大气压力为p时，发动机最小功率到最大功率的变化时间t0，公式如下

式（6）表明发动机功率响应时间t0是大气压力p的函数。在t0时间内，主泵1 的动态功率Pt1和主泵2 的动态功率Pt2之和应不大于主泵可用的发动机实时功率输出能力ΔP（t0），其中ΔP（t0）为发动机实时可输出功率减去液压油散热泵所需功率，冷去水散热泵功率，空调冷凝器散热泵所需功率的差值。发动机实时可输出功率由发动机实时转速和输出扭矩计算得出。根据上述分析可知

2.3 全过程功率匹配策略

根据功率匹配策略可知，当前环境下，主泵1 所需功率Pt1和主泵2 所需功率Pt2可使用的功率为

式中P为静态功率匹配中可用功率，ΔP（t0）为动态功率匹配中可用功率。挖掘机环境自适应控制策略原理图如图3 所示。

图3 挖掘机环境自适应控制策略原理图

2.4 液压油直回油箱控制策略

温度较低时，液压油返回油箱的传统控制方式如图4 所示，第一回油单向阀的开启压力较小，第二回油单向阀的开启压力较大，挖掘机液压油回油优先通过第一回油单向阀，然后经过液压油散热器后回到油箱；当回油压力较高时，小部分液压油通过第二回油单向阀直接回油箱，第一回油单向阀和第二回油单向阀的另一个作用是使回油压力不低于系统要求最低压力[4]。

图4 传统控制方式

为了在低温环境下，降低能耗，快速提高液压油温，本论文提出一种液压油直回油箱控制方法如图5 所示。当挖掘机控制器检测到环境温度低于T4时，电磁换向阀被打开，液压油回油优先通过第一回油单向阀，然后经过电磁换向阀和液压油散热器回到油箱，因为液压油散热器内部液阻大于电磁换向阀的液阻，所以流过电磁换向阀的液压油多于流过液压油散热器的，如此，即实现了大量液压油回油通过电磁换向阀直回油箱的控制，又保证了回油压力不低于系统最低压力的要求。在环境温度过低时，通过这种方式可以快速地提高液压油温度，使液压油的黏度尽快达到最优黏度区间，改善液压系统的环境温度。

图5 液压油直回油箱控制方式

3 结语

挖掘机环境自适应控制系统根据大气压力等环境参数，不仅调节系统静态功率匹配，也调整系统动态匹配。静态匹配和动态匹配的相结合可以使得液压挖掘机在工作时，发动机可以更好地适应负载变化，减少或消除掉速、憋车、冒黑烟等现象。同时，在环境温度较高时，提高空调冷凝器散热泵功率，快速将驾驶室内温度降下来，改善了高温情况下的空调制冷效果，提高了驾驶室的舒适性。在环境温度降低时，进行液压油直回油箱控制，不需要经过散热器，这种操作可以快速地提高液压油温度，减少油温加热时间，使液压油的黏度尽快达到最佳状态，改善了液压系统的环境适应性。