混凝土泵車節(jié)能技術(shù)分析與研究*

夏益民，石鵬飛，趙宇峰，謝學(xué)志，楊 鑫

(三一重型能源裝備有限公司，北京 102202)

0 引言

混凝土泵車是一種集行駛、泵送和布料功能于一體的高效混凝土輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于高樓、橋梁和公路等工程建設(shè)?；炷帘密囋谑褂眠^(guò)程中，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩與功率，其常規(guī)控制模式均將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在額定轉(zhuǎn)速下工作，此工作方式雖然保證了動(dòng)力的充足性，卻使發(fā)動(dòng)機(jī)往往工作在油耗較高的轉(zhuǎn)速區(qū)域，造成底盤動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能下降、機(jī)械損耗增加［1］。筆者將從發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型、動(dòng)力系統(tǒng)匹配策略和對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)等方面探討混凝土泵車節(jié)能技術(shù)。

1 混凝土泵車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型

混凝土泵車使用的底盤主要有ISUZU、VOLVO、BENZ等，由于底盤種類繁多，每種底盤發(fā)動(dòng)機(jī)特性也不同，為保證單位時(shí)間的泵送量，針對(duì)不同底盤的泵車，在保證功率、扭矩的前提下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及各種底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系及發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率關(guān)系。采用插值擬合方法，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的關(guān)系［2］。如圖1是某種底盤發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率模型。

由發(fā)動(dòng)機(jī)特性可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率一定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可在無(wú)數(shù)個(gè)油門位置點(diǎn)工作，但其中只有一個(gè)位置點(diǎn)的燃油消耗率最小，此點(diǎn)即為該功率對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可找出不同輸出功率下的最佳燃油點(diǎn)，構(gòu)成工況離散點(diǎn)，在對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行平滑處理后，即得到該種底盤的最佳油耗率曲線。某種底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳油耗率曲線如圖2所示。由于最佳油耗率曲線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于柴油機(jī)每個(gè)輸出功率P，均與柴油機(jī)不同的轉(zhuǎn)速n相對(duì)應(yīng)［3］，根據(jù)圖2可測(cè)算出不同輸出功率所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型

圖2 底盤發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油消耗率曲線

2 混凝土泵車動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能匹配策略

液壓傳動(dòng)過(guò)程中，由傳動(dòng)關(guān)系可知發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩Me與變量泵的吸收扭矩Mb的函數(shù)表達(dá)式為:

變量泵的負(fù)載特性表現(xiàn)為恒扭矩特性，變量泵扭矩Mb與外部負(fù)載壓力Pl及變量泵排量V之間的函數(shù)表達(dá)式為:

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率Pe與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩Me及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne之間的函數(shù)表達(dá)式為:

由上式可知對(duì)應(yīng)于一定的負(fù)載壓力Pl，通過(guò)改變變量泵排量V或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在各節(jié)油點(diǎn)處工作［4］。根據(jù)混凝土泵車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型、變量泵恒功率特性曲線及以上動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)關(guān)系的分析，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，可得出每種混凝土泵底盤發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓系統(tǒng)功率匹配對(duì)應(yīng)表，表1為某種底盤混凝土泵車系統(tǒng)功率匹配表。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)功率匹配表

3 混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)

混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)以動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與主液壓泵的聯(lián)合調(diào)節(jié)，如圖3所示。計(jì)算機(jī)中央控制單元根據(jù)工況要求及負(fù)載壓力、功率匹配的關(guān)系計(jì)算出最佳節(jié)能控制點(diǎn)，然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及主液壓泵電流進(jìn)行聯(lián)合實(shí)時(shí)控制［5］。采用節(jié)能控制系統(tǒng)的混凝土泵車在泵送混凝土的施工過(guò)程中，施工人員根據(jù)所泵送的混凝土標(biāo)號(hào)(強(qiáng)度)和所澆注混凝土對(duì)象的不同(即工況的不同)，只需調(diào)節(jié)泵送量操縱桿，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用最優(yōu)參數(shù)開始工作，使設(shè)備在滿足施工要求且最省油工況下運(yùn)行。

圖3 混凝土泵車節(jié)能控制系統(tǒng)框圖

4 混凝土泵車泵送試驗(yàn)及節(jié)能效果

結(jié)合以上節(jié)能控制理論與分析，對(duì)混凝土泵車進(jìn)行泵送試驗(yàn)，采用稱量法測(cè)量在單位時(shí)間內(nèi)每種工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所消耗的燃油。表2為某種底盤泵車現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，泵車工作排量在10%～70%區(qū)域內(nèi)，節(jié)能效果顯著，節(jié)油率可達(dá)到22% ～46%;在70%～80%區(qū)域內(nèi)節(jié)能一般，節(jié)油率約為13%;在80%～100%區(qū)域節(jié)能不明顯，約1%(表中省略未列)，整個(gè)區(qū)域平均節(jié)油率大于20%。

表2 某底盤泵車節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2 (續(xù)) 某底盤泵車節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)混凝土泵車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型的建立和動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能匹配策略的分析確定，得到混凝土泵車的一種節(jié)能控制系統(tǒng)，應(yīng)用這種節(jié)能系統(tǒng)后，泵車計(jì)算機(jī)可根據(jù)實(shí)際工況的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，與負(fù)載保持良好的匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最佳工作點(diǎn)或最佳工作區(qū)運(yùn)行，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率得到充分利用。經(jīng)測(cè)試，采用節(jié)能控制系統(tǒng)的混凝土泵車平均節(jié)油達(dá)20%以上。

［1］ 李仲興，王申旭，江 洪，等.混凝土泵車動(dòng)力系統(tǒng)功率節(jié)能匹配的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(6):76－78.

［2］ 馬向平，李春燕，駱清國(guó)，等.一種發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲面擬合的新方法［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(1):52－54.

［3］ 吳井泉.旋挖鉆機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2005.

［4］ 高文中，劉進(jìn)志，程林章，等.挖掘機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油門節(jié)能控制系統(tǒng)研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3):89－92.

［5］ 張禮華.液壓挖掘機(jī)泵－發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合控制研究［D］.長(zhǎng)沙:中南林學(xué)院，2005.