小型挖掘機半電控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

□ 孫培艷 □ 彭 彥

柳工常州機械有限公司 江蘇常州 213168

1 設(shè)計背景

長期以來,小型挖掘機常用轉(zhuǎn)速段的柴油機負荷率一般為55%～75%,而理想狀態(tài)下柴油機負荷率以70%～85%為最佳,由此存在大馬拉小車的現(xiàn)象,未能充分發(fā)揮柴油機的性能。隨著非道路柴油移動機械污染物排放要求越來越嚴格,小型挖掘機的整機使用成本隨后處理技術(shù)的升級而不斷增加。為解決上述問題,筆者對小型挖掘機半電控系統(tǒng)進行設(shè)計,合理選用柴油機,通過提升柴油機的負荷率,充分發(fā)揮柴油機的性能,合理控制油耗,在保證整機性能的基礎(chǔ)上有效控制整機的使用成本。

2 存在的問題

小型挖掘機大多使用液控,液壓系統(tǒng)的總扭矩在全轉(zhuǎn)速段內(nèi)基本恒定,造成在常用轉(zhuǎn)速段內(nèi)柴油機的負荷率為55%～75%,而理想狀態(tài)下柴油機的負荷率以70%～85%為最佳,由此未能充分發(fā)揮柴油機的性能。對某小型挖掘機進行試驗場測試,由于試驗場土地工況較為惡劣,造成柴油機的負荷率相比一般用戶使用情況偏高,而在1 400～1 800 r/min常用轉(zhuǎn)速段,柴油機負荷率為55%左右。柴油機轉(zhuǎn)速與負荷率曲線如圖1所示。目前,柴油機的使用情況相對理想狀態(tài)而言,在常用轉(zhuǎn)速段存在浪費。

另一方面,我國將于2022年底實施國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn),以某機型為例,現(xiàn)使用LE01柴油機,后續(xù)需要升級后處理技術(shù),成本增幅很大,而且油耗也會增加,所以需要采取措施來控制整機使用成本,提升產(chǎn)品競爭力。筆者設(shè)計了一種小型挖掘機半電控系統(tǒng),在現(xiàn)有挖掘機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)改進,選用電比例液壓泵,結(jié)合電氣系統(tǒng)的控制模式,選用一款成本更低的柴油機,充分發(fā)揮其常用轉(zhuǎn)速段性能,在保證整機性能的基礎(chǔ)上,控制油耗,降低成本。

3 柴油機負荷率現(xiàn)狀

某小型挖掘機使用LE01柴油機,選用8臺該小型挖掘機進行柴油機轉(zhuǎn)速、負荷率數(shù)據(jù)用戶使用跟蹤試驗,結(jié)果見表1。從整機控制器導(dǎo)出的遠程傳輸數(shù)據(jù)來看,1 400～1 800 r/min為最常用轉(zhuǎn)速,而負荷率只有50%左右,可見工況負荷都偏低,并沒有發(fā)揮柴油機的性能。

▲圖1 柴油機轉(zhuǎn)速與負荷率曲線

表1 柴油機轉(zhuǎn)速、負荷率數(shù)據(jù)

4 半電控系統(tǒng)設(shè)計

針對上述小型挖掘機進行半電控系統(tǒng)設(shè)計。

該機型所使用的柴油機由LE01改為成本更低的LE02。選用LE02柴油機的原因為該柴油機的燃油經(jīng)濟區(qū)在挖掘機適用轉(zhuǎn)速段內(nèi),并且低于并接近柴油機的扭矩曲線,有利于在充分發(fā)揮柴油機性能時兼顧整機油耗。

在原有挖掘機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,選用LB01電比例液壓泵,通過整機控制器控制LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值來控制其輸入扭矩,即LB01電比例液壓泵的輸入扭矩與LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值一一對應(yīng)。

將挖掘機工作擋位分為12擋,即P1擋至P12擋,設(shè)計常用擋位為P5擋至P8擋。LE02柴油機的最佳燃油經(jīng)濟區(qū)為1 400～1 800 r/min,因此將P5擋至P8擋轉(zhuǎn)速設(shè)置為在1 400～1 800 r/min常用轉(zhuǎn)速段內(nèi),柴油機負荷率設(shè)計為80%左右。整機的主要工作轉(zhuǎn)速在常用轉(zhuǎn)速段,可以充分發(fā)揮柴油機的性能,并且可以有效控制油耗。將P1擋至P4擋轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 400 r/min以下,柴油機負荷率設(shè)計為80%以下,避免低擋位掉速嚴重。將P11擋和P12擋轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 800 r/min以上,柴油機負荷率設(shè)計為80%以上,以應(yīng)對比較少見的惡劣工況。

通過上述設(shè)定的柴油機負荷率扭矩,計算得到相應(yīng)擋位的LB01電比例液壓泵輸入扭矩,根據(jù)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速可以計算得到各擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩、輸入功率。所標(biāo)定的半電控系統(tǒng)輸入扭矩、輸入功率控制曲線如圖2所示。

▲圖2 半電控系統(tǒng)控制曲線

由于LB01電比例液壓泵的輸入扭矩與LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值一一對應(yīng),因此可以得出各擋位LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值。

得到各擋位的轉(zhuǎn)速設(shè)定值及LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值后,通過整機控制器程序?qū)Ω鲹跷坏霓D(zhuǎn)速及LB01電比例液壓泵的電磁閥電流值進行標(biāo)定,從而控制各擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩和輸入功率。

挖掘機工作時工況較為復(fù)雜,受環(huán)境因素影響很大,因此實際測試時柴油機負荷率和設(shè)計值會存在一定偏差,需要根據(jù)實際測試結(jié)果,結(jié)合整機的油耗測試情況,對各擋位的轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的電比例液壓泵電磁閥電流值設(shè)定進行修正。

5 半電控系統(tǒng)應(yīng)用

對小型挖掘機進行半電控系統(tǒng)改裝,將柴油機由LE01改為成本更低的LE02,更改相應(yīng)的安裝部件,并經(jīng)過核對,保留可以通用的排氣消聲系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)。選用合適的LB01電比例液壓泵,更改相關(guān)線束,更新控制程序。

小型挖掘機半電控系統(tǒng)設(shè)計的目的是通過對不同擋位LB01電比例液壓泵的輸入扭矩和輸入功率進行控制,充分發(fā)揮柴油機常用轉(zhuǎn)速段的性能,從而在保證整機性能的基礎(chǔ)上,控制油耗,降低成本,所以要求整機性能滿足產(chǎn)品定義要求,同時重點關(guān)注整機的油耗情況,要求與原控制系統(tǒng)的油耗相當(dāng)。

經(jīng)過多次修正及測試,最終得到半電控系統(tǒng)的測試結(jié)果。

常用轉(zhuǎn)速段柴油機負荷率得到提升,常用擋位的柴油機負荷率提升至75%～80%,充分利用了柴油機的性能。半電控系統(tǒng)的柴油機轉(zhuǎn)速與負荷率曲線如圖3所示。

▲圖3 半電控系統(tǒng)柴油機轉(zhuǎn)速與負荷率曲線

半電控系統(tǒng)整機測試結(jié)果見表2,熱平衡、噪聲、力學(xué)測試等均符合產(chǎn)品定義要求,而且重點關(guān)注的整機油耗效果滿足預(yù)期。

表2 半電控系統(tǒng)整機測試結(jié)果

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種小型挖掘機半電控系統(tǒng),在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上更換柴油機,并更新相應(yīng)程序。應(yīng)用這一半電控系統(tǒng)后,可以充分發(fā)揮柴油機常用轉(zhuǎn)速段的性能,在保證整機性能的基礎(chǔ)上降低成本。