XR220D旋挖鉆機自動怠速控制與試驗研究

熊玉龍，張鵬程，郭 舒

（長安大學道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

大功率設(shè)備的節(jié)能一直是產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用過程中追求的目標[1]。旋挖鉆機是一種大功率施工機械，當旋挖鉆機在輕載或空載工作時，如果沒有對發(fā)動機的油門做出相應(yīng)的調(diào)整，發(fā)動機將高速空轉(zhuǎn)，不僅浪費燃油，也會加劇整機零部件的損壞。研究表明，采用降低轉(zhuǎn)速的方法可以降低油耗[2-3]。為此，本文介紹旋挖鉆機自動怠速控制的原理和實現(xiàn)方法，旨在旋挖鉆機空載時，降低油耗，達到節(jié)能的目的。

1 自動怠速的原理

自動怠速是指在旋挖鉆機空載時，自動調(diào)節(jié)油門開度，降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速到設(shè)定值。發(fā)動機最低燃油率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是自動怠速設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。發(fā)動機工作在這個轉(zhuǎn)速下，油耗最低，節(jié)能性最好。

自動怠速開關(guān)和壓力開關(guān)的狀態(tài)是判斷是否進入自動怠速狀態(tài)的兩個條件。自動怠速開關(guān)是人為控制的選擇性按鈕，用來控制是否使用自動怠速功能，當其有效時，發(fā)動機才有可能進入自動怠速狀態(tài)；當其無效時，表明不使用自動怠速功能。當自動怠速開關(guān)有效時，壓力開關(guān)檢測的系統(tǒng)壓力決定是否進入自動怠速狀態(tài)。旋挖鉆機正常工作時，系統(tǒng)壓力較高；旋挖鉆機空載時，閥處于中位，系統(tǒng)壓力遠遠低于正常值。為了防止誤操作，通常檢測系統(tǒng)壓力為30 s，如果這個時間段內(nèi)，壓力一直低于某一數(shù)值，可以認為旋挖鉆機此時正處于空載狀態(tài)，通過控制器使發(fā)動機進入自動怠速狀態(tài)。整個控制過程如圖1所示。

圖1 自動怠速的流程圖

2 自動怠速的實現(xiàn)方法

自動怠速的目的是在旋挖鉆機空載時，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速處于油耗較低的某一設(shè)定值。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)依靠控制器?？刂破鞯妮斎胧亲詣拥∷匍_關(guān)信號和壓力開關(guān)信號，輸出是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制信號。以徐工XR220D旋挖鉆機為樣機，該機使用力士樂RC6-9系列控制機，康明斯QSL-325系列發(fā)動機。RC6-9控制器是工程機械專用控制器，具有兩組CAN總線接口，一組CAN總線與發(fā)動機進行數(shù)據(jù)傳輸，另一組CAN總線與顯示器進行數(shù)據(jù)交換。QSL-325發(fā)動機的額定功率是242 kW，額定轉(zhuǎn)速是2100 r/min，由該發(fā)動機燃油消耗曲線可以看出，當發(fā)動機在1100 r/min附近時，燃油消耗率最低，所以此轉(zhuǎn)速可以設(shè)定為自動怠速的轉(zhuǎn)速值。QSL-325發(fā)動機為電噴發(fā)動機，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用CAN總線作為通訊基礎(chǔ)[4]，利用J1939通訊協(xié)議和RC6-9控制器進行數(shù)據(jù)傳輸。其自動怠速的實現(xiàn)原理如圖2所示，具體如下：RC6-9控制器有自動怠速開關(guān)信號和壓力開關(guān)信號的輸入時，并且系統(tǒng)壓力30 s內(nèi)都是處于較低數(shù)值時，控制器通過J1939協(xié)議讀取發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速不是自動怠速的設(shè)定值（例如1100 r/min），再通過CAN總線和發(fā)動機通訊，對發(fā)動機發(fā)出轉(zhuǎn)速控制信號，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低預(yù)先設(shè)定的怠速值，進入自動怠速的待機狀態(tài)。

圖2 自動怠速的實現(xiàn)原理

3 試驗研究

為了驗證旋挖鉆機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油耗的關(guān)系，說明自動怠速設(shè)定的轉(zhuǎn)速下最省油，以XR220D旋挖鉆機為研究對象，測量了發(fā)動機在空載情況下，不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機油耗，每個轉(zhuǎn)速下測量3 min并記錄數(shù)據(jù)，測量的結(jié)果如表1所示。

表1 空載下各轉(zhuǎn)速的3 min油耗

由圖3所示的曲線，可以發(fā)現(xiàn)空載情況下，油耗最低的是發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 100 r/min的時候，之后隨著轉(zhuǎn)速增加，油耗升高，在1 600 r/min時，油耗又有一個降低，但是仍然高于1 100 r/min時的油耗。通過實驗數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機的自動怠速轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，該轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機的油耗最低，這也和發(fā)動機的燃油特性曲線相符合。

圖3 空載時發(fā)動機轉(zhuǎn)速-油耗關(guān)系

如果XR220旋挖鉆機空載轉(zhuǎn)動1 h，不使用自動怠速功能，按額定轉(zhuǎn)速下的油耗計算，發(fā)動機油耗為15.16 L；使用自動怠速功能，發(fā)動機油耗為13.97 L，1 h內(nèi)節(jié)約燃油1.19 L，節(jié)能效果十分可觀。

4 結(jié)束語

本文分析了旋挖鉆機自動怠速的原理和實現(xiàn)方法，在空載情況下，測定了發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油耗的關(guān)系，比較了自動怠速下的油耗和額定轉(zhuǎn)速下的油耗，結(jié)果表明自動怠速的節(jié)油效果突出。

[1]黎中銀，焦生杰，吳方曉.旋挖鉆機與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010:34-35.

[2]國香恩.液壓挖掘機節(jié)能模糊控制系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學，2004.

[3]尚 濤.液壓挖掘機作業(yè)及行走系統(tǒng)節(jié)能控制研究[D].長春：吉林大學，2005.

[4]徐鈺琨.旋挖鉆機動力系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)研究[D].濟南：山東大學，2013.