混凝土泵總線柴油機(jī)節(jié)能降噪控制方法

張啟軍

(三一汽車制造有限公司泵送電控研究所，湖南 長沙 410100)

0 引 言

混凝土機(jī)械的需求量很大，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑以及國防施工等工程建設(shè)，其生產(chǎn)的先進(jìn)程度也標(biāo)志著一個國家的制造業(yè)水平。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國混凝土機(jī)械已成為建設(shè)機(jī)械的重要組成部分。中國頒布的《散裝水泥發(fā)展“十五”規(guī)劃》要求：直轄市、省會城市、沿海開放城市要積極發(fā)展預(yù)拌混凝土；其他城市從2005年底起，禁止在城區(qū)現(xiàn)場攪拌混凝土。這給混凝土機(jī)械行業(yè)提供了巨大的發(fā)展機(jī)會。

隨著混凝土泵在基礎(chǔ)建設(shè)中的應(yīng)用越來越普遍，國家對工程機(jī)械的環(huán)保要求也越來越高，因此對混凝土泵的節(jié)能降噪性能要求也越來越高。發(fā)動機(jī)是為混凝土泵提供動力的裝置，是混凝土泵的心臟，決定了混凝土泵的能耗和經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動機(jī)的功率、扭矩、噴油量與負(fù)載的合理匹配以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，是影響發(fā)動機(jī)能耗與噪聲的重要因素[1-5]。常規(guī)的柴油發(fā)動機(jī)混凝土泵送設(shè)備通常沒有進(jìn)行發(fā)動機(jī)的負(fù)載功率匹配，造成發(fā)動機(jī)在使用過程中油耗高，噪聲大。本文主要依據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性曲線與混凝土泵的負(fù)載進(jìn)行科學(xué)合理匹配的控制研究，在滿足混凝土泵泵送施工工藝要求的前提下，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在噪聲低的經(jīng)濟(jì)區(qū)域，大大降低發(fā)動機(jī)的能耗，提高混凝土泵的經(jīng)濟(jì)效益。

1 存在的問題與原因分析

目前柴油機(jī)在混凝土泵等工程機(jī)械上的應(yīng)用主要存在油耗高、噪聲大的問題。分析原因，主要是工程機(jī)械上應(yīng)用的柴油機(jī)采用簡單的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式：不管負(fù)載多大，柴油機(jī)都使用比較高的固定轉(zhuǎn)速，沒有作科學(xué)合理的負(fù)載功率匹配，導(dǎo)致柴油機(jī)在使用過程中油耗高、噪聲大，長期在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，增加了性能銳減的風(fēng)險，也增加了用戶的運(yùn)營維護(hù)成本，給混凝土泵用戶帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，柴油機(jī)使用的燃油經(jīng)濟(jì)性以及噪聲控制是亟待解決的問題[6 -9]。

2 柴油機(jī)功率匹配原理

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 硬件系統(tǒng)組成

混凝土泵總線電噴發(fā)動機(jī)上使用的節(jié)能降噪控制硬件系統(tǒng)的組成主要為：CAN總線電噴發(fā)動機(jī)、電子恒功率油泵、工程機(jī)械車載運(yùn)動控制器、壓力傳感器、顯示屏及輸入輔助裝置(如鈕子開關(guān))等。系統(tǒng)通訊一般采用CAN總線通訊方式，通訊速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

硬件系統(tǒng)各組成部分的主要功能為：CAN總線發(fā)動機(jī)給系統(tǒng)油泵提供動力；電子恒功率油泵給整個混凝土泵提供動力油；車載運(yùn)動控制器主要采集和接收發(fā)動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速、扭矩、功率或噴油量、油泵的系統(tǒng)壓力以及油泵的排量指令，并處理運(yùn)算控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及油泵的排量等，是整個系統(tǒng)的運(yùn)算處理控制中心；壓力傳感器實時檢測油泵的壓力，并反饋給控制器；顯示屏為人機(jī)顯示界面，顯示發(fā)動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力以及手動排量設(shè)定值；鈕子開關(guān)用于輸入油泵排量，控制泵送速度。其硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

圖2 發(fā)動機(jī)萬有特性曲線

2.1.2 控制系統(tǒng)原理

圖2為發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線，橫坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速值，縱坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)的扭矩值，虛線為發(fā)動機(jī)的功率值，圓形云圖為發(fā)動機(jī)的比油耗，深色區(qū)域是油耗高區(qū)域，顏色越深油耗越高，淺色區(qū)域為油耗低區(qū)域。混凝土泵總線電噴發(fā)動機(jī)的節(jié)能降噪控制，主要是為了讓發(fā)動機(jī)在使用過程各種運(yùn)行參數(shù)盡量靠攏圖2中的淺色區(qū)域，達(dá)到節(jié)能降噪的目的。

根據(jù)圖2可以看出，發(fā)動機(jī)能耗比較低的區(qū)域為轉(zhuǎn)速在1 100～1 300 r·min-1，且功率在110～150 kW之間，混凝土泵的動力要滿足泵送的要求，即滿足在一定負(fù)載壓力下的泵送換向次數(shù)(泵送速度)要求。一般油泵的泵送額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，在不考慮能耗的情況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r·min-1，通過調(diào)節(jié)油泵的開度(排量)來控制泵送速度。在這種工作模式下，如果排量低，油泵的使用功率(負(fù)載)比較小，發(fā)動機(jī)就會出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、低負(fù)載、高能耗的情況。沒有對發(fā)動機(jī)與油泵的排量進(jìn)行功率匹配，造成了不必要的能源浪費(fèi)，也大大增加了混凝土泵使用單位的運(yùn)營成本。為了對發(fā)動機(jī)的功率特性與油泵負(fù)載進(jìn)行科學(xué)合理的匹配，本文對基于CAN總線發(fā)動機(jī)與油泵負(fù)載的功率匹配進(jìn)行了深入研究，使發(fā)動機(jī)保持在萬有特性曲線中的經(jīng)濟(jì)省油區(qū)域工作。

系統(tǒng)控制工作的基本原理為：根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性曲線與混凝土泵的負(fù)載變化進(jìn)行功率匹配，在滿足混凝土泵施工工藝的基礎(chǔ)上，使發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速低的經(jīng)濟(jì)省油區(qū)運(yùn)行。選用的油泵是電子恒功率油泵，最大功率為150 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，最大開度排量為280 mL·r-1，額定最大壓力為40 MPa。根據(jù)油泵在不同排量的負(fù)載情況下所需功率不同，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與油泵排量進(jìn)行功率特性匹配，使發(fā)動機(jī)負(fù)荷率控制在80%左右，實時監(jiān)測、采集發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率情況(功率、扭矩、噴油量等)以及負(fù)載壓力。當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷率超過90%時，將適當(dāng)調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使其動力功率匹配控制在80%左右，保證發(fā)動機(jī)在泵送施工過程中轉(zhuǎn)速在經(jīng)濟(jì)省油區(qū)域內(nèi)，且不掉速、不熄火，穩(wěn)定可靠。常規(guī)調(diào)速過程為：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨著油泵排量的增加而提高，最大排量對應(yīng)最大油泵額定轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1；轉(zhuǎn)速隨著油泵排量的減小而下降，最小排量對應(yīng)匹配的油泵最小轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與排量匹配計算如式(1)所示。

V=8F0+1 200

(1)

式中：V為發(fā)動機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速(r·min-1)；F0為油泵的設(shè)定排量比例(%)。

由于在相同排量下轉(zhuǎn)速的降低將影響泵送速度，為了保證在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時的泵送速度，可將油泵排量設(shè)定值直接轉(zhuǎn)化為流量設(shè)定值，此時可以推算出設(shè)定后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)匹配的油泵排量。

F1=2 000F0/V

(2)

式中：F1為轉(zhuǎn)速匹配后油泵的設(shè)定排量比例(%)。

經(jīng)過上述發(fā)動機(jī)與油泵排量的負(fù)載功率匹配處理，既保證了油泵流量(即泵送速度)，又降低了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)省油區(qū)工作，達(dá)到了節(jié)能降噪的目的。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括上位機(jī)與下位機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計。上位機(jī)顯示屏的主要功能是顯示泵送設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，主要包括發(fā)動機(jī)的運(yùn)行信息(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、扭矩以及噴油量)、系統(tǒng)壓力、排量、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及報警提示信息與存儲等；下位機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊、智能泵送控制模塊、發(fā)動機(jī)CAN通訊與功率匹配控制模塊。通過結(jié)構(gòu)化文本進(jìn)行控制程序編寫設(shè)計，具體的控制程序設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 控制程序設(shè)計編寫流程

2.3 發(fā)動機(jī)保護(hù)措施

在泵送施工過程中，由于有的混凝土泵送比較容易，有的比較困難，因此在相同轉(zhuǎn)速與排量下，泵送系統(tǒng)負(fù)載變化，發(fā)動機(jī)可能在設(shè)定轉(zhuǎn)速的功率下不能滿足所有工況的需求，造成泵送乏力、堵管、發(fā)動機(jī)掉速甚至熄火等一系列問題。所以需要系統(tǒng)具有相應(yīng)的保護(hù)措施，保證混凝土泵的正常工作。

本系統(tǒng)通過控制器的CAN總線實時接收電噴發(fā)動機(jī)ECU發(fā)送的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、噴油量以及油泵上的系統(tǒng)壓力傳感器采集的系統(tǒng)壓力，把發(fā)動機(jī)實時工作轉(zhuǎn)速下的扭矩、功率或噴油量與當(dāng)前轉(zhuǎn)速外特性允許的最大扭矩、功率或噴油量進(jìn)行比較：當(dāng)采集到的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率或噴油量大于外特性允許的最大扭矩、功率或噴油量時，控制器將自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)至一個滿足泵送工況需求的固定轉(zhuǎn)速；當(dāng)控制器檢測到油泵壓力大于恒功率壓力點(diǎn)時，系統(tǒng)將自動限制油泵排量，保證油泵系統(tǒng)恒功率輸出。通過采取上述系統(tǒng)保護(hù)措施，可以保證混凝土泵在各種復(fù)雜工況下都能正常、平穩(wěn)地工作，以免給混凝土泵的用戶帶來不必要的損失。其保護(hù)系統(tǒng)的控制原理如圖4所示。

圖4 保護(hù)系統(tǒng)控制原理

3 結(jié) 語

綜上所述，經(jīng)過發(fā)動機(jī)與負(fù)載功率匹配以及采取復(fù)雜工況下的發(fā)動機(jī)保護(hù)措施，混凝土泵可以適應(yīng)各種復(fù)雜工況的泵送施工?；炷帘每偩€發(fā)動機(jī)的節(jié)能降噪控制研究成果在筆者所在單位的混凝土車載泵上批量應(yīng)用，工程實踐表明，以上方法可以達(dá)到使混凝土泵總線發(fā)動機(jī)節(jié)能降噪的效果。

經(jīng)過售后客戶走訪、設(shè)備跟蹤調(diào)研以及客戶在使用過程中的油耗統(tǒng)計，在垂直100 m及以下高度可以用低壓節(jié)能模式泵送，綜合油耗為0.5 mL·m-3左右，相比沒有節(jié)能控制的泵(油耗為0.7～1.0 mL·m-3)，節(jié)油比例在30%以上。一臺車載泵每年按泵送50 000 m3混凝土來計算，可以節(jié)省柴油10 000 L，

則每臺設(shè)備每年可為用戶節(jié)約使用成本6萬多元，降低了運(yùn)營成本，帶來了經(jīng)濟(jì)效益；同時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從2 000 r·min-1降到了1 500 r·min-1左右，施工噪聲下降5 dB以上，大大降低了混凝土設(shè)備對操作手的身心健康的影響以及對環(huán)境的噪聲污染，得到了廣大混凝土泵用戶及操作手的認(rèn)可。