500 T級(jí)吊機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)500 T級(jí)吊機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 燕，陳 俊

(1. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350000，2. 三一汽車制造有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100)

1 故障現(xiàn)象

根據(jù)吊機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的反饋，500 T級(jí)吊機(jī)在雙泵合流的情況下，高速滿載工作時(shí)存在發(fā)動(dòng)機(jī)急劇掉速問(wèn)題，操作人員做動(dòng)作時(shí)感覺(jué)速度很慢且無(wú)力，作業(yè)效率低；而在單泵工作，或者雙泵非滿載或者雙泵低速工況時(shí)沒(méi)有該現(xiàn)象，故初步判斷為發(fā)動(dòng)機(jī)和雙泵合流后的功率曲線匹配可能存在不合理地方，當(dāng)兩個(gè)主油泵均處于最大排量并工作在最高壓力時(shí)，如果來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也很高，會(huì)造成兩個(gè)主油泵所需的功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下能提供的最大功率，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載而掉速甚至熄火的情況。

2 工作原理分析

該吊機(jī)主液壓泵原理框圖如圖1所示。

圖1中，柱塞泵1與柱塞泵2為電比例控制泵，與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，該吊機(jī)的液壓動(dòng)力源由柱塞泵1、柱塞泵2、合流閥組成，主動(dòng)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通過(guò)合流閥同時(shí)供油，來(lái)提高主動(dòng)作1的運(yùn)行速度。同理，主動(dòng)作2與主動(dòng)作1相似，可以由柱塞泵2單獨(dú)供油，也可以由柱塞泵1與柱塞泵2通過(guò)合流閥來(lái)同時(shí)供油，以提高主動(dòng)作2的運(yùn)行速度。柱塞泵1和柱塞泵2均采用電比例閥控制，通過(guò)給定兩個(gè)油泵上的比例閥電流值，可以控制油泵的排量大小，從而影響油泵輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率。

圖1 吊機(jī)主液壓泵原理框圖

在理論設(shè)計(jì)時(shí)，柱塞泵的功率公式為[1]：

(1)

式中：P——工作壓力，單位是MPa；Q——柱塞泵的流量，單位為L(zhǎng)/min；

而柱塞泵的流量公式為[1]：

(2)

式中：V——柱塞泵的排量，單位是mL/r；N——柱塞泵的轉(zhuǎn)速，單位是r/min；

故柱塞泵的功率公式亦可表達(dá)為[1-2]：

(3)

從上式可知，柱塞泵的功率與工作壓力P、柱塞泵的適時(shí)排量V、以及柱塞泵的轉(zhuǎn)速n相關(guān)；因此，要匹配好柱塞泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線，就要適時(shí)采集上述三個(gè)變量并對(duì)其進(jìn)行有效地控制[3]，使其始終保持在圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線之下。

圖2是500 T級(jí)吊機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家給出的轉(zhuǎn)速-功率曲線，其典型的轉(zhuǎn)速下輸出的功率值如表1所示。

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-功率曲線

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率對(duì)照表

目前的調(diào)試邏輯為在初始狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由油門(mén)踏板來(lái)控制，同時(shí)圖1中的柱塞泵1與柱塞泵2的電比例閥的電流值由手柄控制；是否雙泵合流由操縱室里的翹板開(kāi)關(guān)按鍵控制。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做動(dòng)作時(shí)，油泵的工作壓力由負(fù)載決定，而隨著手柄的開(kāi)口逐漸加大，柱塞泵的排量控制電流也呈線性增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度也會(huì)越來(lái)越快；同理，當(dāng)油門(mén)踏板越踩越深時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)提高，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度也會(huì)越來(lái)越快。

3 故障原因分析

要弄清楚該故障的原因，首先需要實(shí)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)掉速時(shí)的柱塞泵的比例閥電流與實(shí)時(shí)的負(fù)載壓力值，因?yàn)楸壤y的電流決定了柱塞泵的輸出排量，而負(fù)載壓力與輸出排量的乘積就決定了柱塞泵的輸出功率是否超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工作功率[4-5]；表2為實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)有掉速現(xiàn)象時(shí)的兩個(gè)柱塞泵電流及負(fù)載壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值的對(duì)照表。

表2 實(shí)測(cè)掉速時(shí)的電流值及負(fù)載壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)照表

而根據(jù)柱塞泵供方提供的如圖3所示的柱塞泵的電流-排量曲線，可將表2轉(zhuǎn)換為更直觀的柱塞泵排量、壓力及轉(zhuǎn)速對(duì)照表，如表3所示。

電流/mA圖3 柱塞泵排量-電流曲線

表3 柱塞泵電流、排量及負(fù)載壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)照表

根據(jù)表3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可得到柱塞泵的輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的各轉(zhuǎn)速下額定功率的對(duì)照表，如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)換算的柱塞泵功率與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率對(duì)照表

根據(jù)表4的發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的額定功率，可發(fā)現(xiàn)在給定負(fù)載的情況下，當(dāng)柱塞泵的電流大到一定程度后，柱塞泵的功率會(huì)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率。結(jié)合以上現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可得出發(fā)生該故障的最主要原因是：柱塞泵的電流沒(méi)有根據(jù)負(fù)載及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而得到有效的控制；從而隨著手柄開(kāi)口的加大形成了高壓大排量的輸出，使柱塞泵輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的最大功率，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)背不起負(fù)載而掉速或熄火。

4 優(yōu)化方案

由上述分析可知，引起該故障的最主要原因就是當(dāng)系統(tǒng)切換到雙泵合流工況下，兩個(gè)柱塞泵的電流沒(méi)有與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)載的壓力形成相互影響的制約關(guān)系[6]；故解決該故障的主要措施如下。

(1)將發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定好的功率曲線數(shù)字化，并作為控制柱塞泵終端電流的邊界條件固化在智能算法的前端[2]；

(2)從發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU適時(shí)讀取轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)通過(guò)智能算法，自動(dòng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的即定功率曲線；

(3)將控制柱塞泵終端電流的手柄信號(hào)數(shù)字化，并與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的即時(shí)輸出功率進(jìn)行適時(shí)比較，通過(guò)智能算法控制其輸出到柱塞泵的終端電流始終在發(fā)動(dòng)機(jī)的固化的功率曲線建立的邊界條件以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與手柄輸出電流智能匹配。

實(shí)際操作過(guò)程，即給控制柱塞泵比例閥電流的手柄增加約束條件，由上述的柱塞泵的功率計(jì)算公式(3)可知，系統(tǒng)的負(fù)載是無(wú)法控制的，能控制的只有柱塞泵的排量和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，擬定的解決方案可簡(jiǎn)單的表述為：實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載壓力值，通過(guò)固化算法適時(shí)計(jì)算出此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)允許的額定功率值內(nèi)的柱塞泵的最大排量，再反推出柱塞泵的對(duì)應(yīng)電流值，并將該最大電流值賦給控制手柄做為邊界條件，在這個(gè)邏輯下，手柄的開(kāi)口大小不再為一個(gè)固定的范圍，而會(huì)根據(jù)實(shí)測(cè)的負(fù)載壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速適時(shí)自適應(yīng)變化，即無(wú)論手柄開(kāi)口如何加大，其最大值只能在根據(jù)實(shí)測(cè)的壓力與轉(zhuǎn)速計(jì)算值以內(nèi)變化，不能突破邊界值，從而有效地控制住雙泵合流時(shí)的輸出功率始終在發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率曲線以內(nèi)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)超載引起掉速和熄火。

例如：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，負(fù)載壓力為23 MPa時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線圖可知，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大值為200 kW。

此時(shí)，通過(guò)公式(3)變形，并代入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得：

再根據(jù)兩個(gè)柱塞泵排量平均分配的原則，可得每個(gè)柱塞泵的排量應(yīng)該為173.5 mL/r；此時(shí)對(duì)應(yīng)的柱塞泵的電流可從圖3的曲線上查得，也可通過(guò)柱塞泵廠家給出的理論公式計(jì)算出來(lái)[2]：

(4)

當(dāng)V=173.5 mL/r，i=565 mA時(shí)，此時(shí)即使將柱塞泵的控制手柄扳至最大開(kāi)口，也只能給柱塞泵的比例閥566 mA電流，從而有效地將油泵的功率控制在200 kW以內(nèi)。

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)圖4 優(yōu)化后的柱塞泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-功率對(duì)比曲線

因此，通過(guò)實(shí)時(shí)采集負(fù)載壓力調(diào)節(jié)柱塞泵的電比例閥電流最大值，將油泵的實(shí)際需求功率始終控制在發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率曲線以下，避免了柱塞泵功率溢出導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)掉速及熄火等問(wèn)題，控制策略優(yōu)化后的功率對(duì)比曲線如圖4所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)的全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柱塞泵的功率始終保持在發(fā)動(dòng)機(jī)的功率線以下。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電流及相應(yīng)的負(fù)載壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)，并通過(guò)三個(gè)參數(shù)的相互關(guān)系制訂出卓有成效的手柄電流與負(fù)載及轉(zhuǎn)速自適應(yīng)的控制策略，讓柱塞泵在不超載情況下始終能最大程度吸收發(fā)動(dòng)機(jī)功率，從而避免原控制策略導(dǎo)致的超載及掉速引起的工作效率低下甚至熄火問(wèn)題，也為所有使用電比例泵進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作的工程機(jī)械頻繁發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)掉速及憋壓熄火問(wèn)題提供了一種解決思路。