液壓挖掘機高原自適應(yīng)控制方法

文 俊

（徐州徐工礦業(yè)機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

液壓挖掘機是露天礦山施工的主要作業(yè)機具，多采用柴油機驅(qū)動，出廠時均進行了較好的系統(tǒng)匹配，但對于高原地形具有平均海拔高和海拔變化范圍大的特點，挖掘機一旦再次轉(zhuǎn)場施工或者作業(yè)面發(fā)生變化，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)功率輸出及瞬態(tài)響應(yīng)特性發(fā)生變化，將導(dǎo)致發(fā)動機和液壓系統(tǒng)不再匹配，出現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性下降的問題，甚至出現(xiàn)發(fā)動機憋車、掉速、冒黑煙等嚴(yán)重的高原問題，所以，需要對挖掘機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，根據(jù)海拔變化自動匹配，實現(xiàn)高原自適應(yīng)。

1 高原工況對挖掘機動力性的影響

隨著海拔的增高，空氣將變得稀薄，大氣壓以及氧分壓下降，導(dǎo)致挖掘機發(fā)動機進氣量減少，發(fā)動機空燃比降低，燃燒過程惡化，柴油燃燒不完全，導(dǎo)致柴油機排放增加，穩(wěn)態(tài)功率輸出下降，瞬態(tài)響應(yīng)性變差。有研究表明，海拔高度每上升1 000m，發(fā)動機功率降低10%，液壓系統(tǒng)可吸收的功率降低，挖掘機作業(yè)速度將變慢，同時，因為發(fā)動機響應(yīng)變差，挖掘機做動作尤其是有突變負(fù)載時，發(fā)動機掉速將變大，掉速恢復(fù)時間將變長。

2 高原自適應(yīng)控制方法

2.1 大氣壓與海拔變化關(guān)系

在海平面，大氣壓力為101.3kPa，空氣中氧氣含量占比為20.4%，空氣中氧氣所占比例基本不受海拔影響，但大氣壓力因海拔升高而降低。

2.2 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出功率變化

大氣壓力是影響柴油發(fā)動機綜合性能指標(biāo)的重要因素，隨著海拔高度增加，大氣壓力也隨著減小，每個循環(huán)進入氣缸的空氣量隨之下降，直接導(dǎo)致柴油機的燃燒惡化，其動力性和經(jīng)濟性明顯惡化。每個發(fā)動機最大輸出功率因硬件關(guān)系隨海拔的變化關(guān)系各不相同，在此，以徐工XE700DF 配置的珀金斯2206D 發(fā)動機為例，圖1為2206D發(fā)動機最大輸出功率與海拔的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 2206D發(fā)動機最大輸出功率與海拔的對應(yīng)關(guān)系

2.3 發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)特性變化

高海拔施工中，因為大氣壓力的影響，渦輪增壓發(fā)動機因進氣量不足，增壓壓力偏低，對應(yīng)的排氣流量變小，增壓器轉(zhuǎn)速降低，發(fā)動機空燃比偏小，發(fā)動機響應(yīng)時間將變長，由于增壓器效率與葉頂間隙、流道粗糙度、葉輪葉片數(shù)以及葉片厚度等多個因素相關(guān)，所以不同的發(fā)動機因渦輪增壓器的增壓效率不同瞬態(tài)響應(yīng)性能也不同，在此，仍然以2206D 發(fā)動機為例，在5 000m 海拔下，2206D 發(fā)動機在常用轉(zhuǎn)速1 800rpm 時，發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)性能下降了60%，響應(yīng)時間延長了0.6s。參見表1。

表1 2206D發(fā)動機在不同海拔下瞬態(tài)響應(yīng)特性

2.4 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)海拔對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)功率輸出及瞬態(tài)響應(yīng)性能的影響關(guān)系，通過在挖掘機上增加大氣壓力傳感器并接入挖掘機控制器，用于監(jiān)測挖掘機所在地的大氣壓力，挖掘機控制器通過控制比例電磁閥電流從而改變主泵輸出功率，挖掘機控制器和發(fā)動機控制器之間采用CAN 通訊，挖掘機控制器發(fā)送指令控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，發(fā)動機控制器通過CAN 線廣播發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息。高原自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

圖2 高原自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理框圖

2.5 自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)匹配控制

在此，假定發(fā)動機在海平面的穩(wěn)態(tài)最大輸出功率為P，液壓主泵吸收功率為Py，主泵外附件（包括發(fā)電機、空調(diào)、散熱系統(tǒng)等）功率為Patt，則有

式（1）中，η為功率儲備系數(shù)

挖掘機控制器通過大氣壓力傳感器監(jiān)控挖掘機當(dāng)前環(huán)境下的大氣壓力，并根據(jù)表1 換算成對應(yīng)的海拔高度，通過查表法，計算出發(fā)動機穩(wěn)態(tài)最大輸出功率Pw以及功率相對海平面的衰減比例i

假定附件功率Patt不變，功率儲備系數(shù)η不變，則高原環(huán)境下主泵最大吸收功率Py′為

主泵在高原的最大吸收功率相對海平面的比例n為

將式（1）、（2）、（3）代入式（4），可得到

根據(jù)大氣壓力，換算出海拔高度，通過查表法查找出發(fā)動機功率衰減比例i，結(jié)合發(fā)動機在海平面的最大輸出功率P、挖掘機系統(tǒng)功率儲備系數(shù)η、附件功率為Patt可計算出主泵功率吸收比例n，結(jié)合主泵功率與比例電磁閥的電流對應(yīng)關(guān)系，通過控制器呈比例調(diào)整電磁閥電流，從而實現(xiàn)主泵功率的對應(yīng)調(diào)整，實現(xiàn)發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)功率匹配。

2.6 自適應(yīng)瞬態(tài)匹配控制

因為發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)會隨著海拔高度的增加而變差，但液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性不會隨海拔高度的改變而變化，所以隨著海拔高度增加，如果不調(diào)整液壓系統(tǒng)負(fù)載的加載特性，將導(dǎo)致發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)不匹配，出現(xiàn)發(fā)動機掉速大等問題。

圖3 為發(fā)動機在不同海拔下的功率響應(yīng)曲線示意圖，其中曲線1 為海平面的響應(yīng)曲線，曲線2 為高原時的響應(yīng)曲線，發(fā)動機從零功率到輸出最大功率的響應(yīng)時間分別為t1和t2。

圖3 發(fā)動機在不同海拔下的功率響應(yīng)曲線

為保證發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)匹配，主泵功率的加載速率應(yīng)等于或低于發(fā)動機功率的增加速率，在此，不計入附件功率的影響，按主泵功率加載速率與發(fā)動機功率的增加速率相等計算，主泵在海平面的功率加載時間T1可設(shè)定為

主泵在高原的功率加載時間T1可設(shè)定為

設(shè)定主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N為主泵功率在高原加載時間T2與在海平面加載時間T1的比值

將式（2）、（4）、（6）、（7）代入式（8），可得

根據(jù)發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)時間隨海拔高度的變化規(guī)律，通過查表法得到參數(shù)t1和t2，以及根據(jù)式（5）計算的n和發(fā)動機功率衰減比例i，可計算出主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N，由式（8），根據(jù)主泵在海平面設(shè)定的加載時間T1，計算出主泵在高原的加載時間T2，控制器按該加載時間逐步增加主泵輸出功率，實現(xiàn)發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)匹配。

2.7 功率暫態(tài)匹配控制

挖掘機控制器通過CAN 總線監(jiān)控發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速，并設(shè)定發(fā)動機最大允許掉速，當(dāng)發(fā)動機響應(yīng)性未達到要求，發(fā)動機出現(xiàn)嚴(yán)重掉速時，控制器發(fā)送指令改變比例閥電流，修正主泵功率，使得主泵功率響應(yīng)適應(yīng)發(fā)動機功率響應(yīng)；在發(fā)動機功率響應(yīng)達到要求后，則不進行此種暫態(tài)控制，控制器再發(fā)送指令，恢復(fù)主泵功率，保證液壓系統(tǒng)充分發(fā)揮發(fā)動機功率，提高工作效率。

3 實際應(yīng)用

徐工XE700DF 挖掘機配置了珀金斯2206D發(fā)動機，發(fā)動機最大輸出功率P=328kW，附件功率Patt=35kW，功率儲備系數(shù)η=5.5%，在海平面時設(shè)定液壓主泵吸收功率Py=275kW，主泵功率加載時間T1=1.6s。

在5 000m 海拔高原時，根據(jù)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)功率特性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，查表得到功率衰減比例i=12.2%，在常用轉(zhuǎn)速1 800rpm 時，t1=1.0s，t2=1.6s，分別代入式（5）和式（9）可得到，主泵功率吸收比例n=86.2%，主泵高原響應(yīng)特性參數(shù)N=1.57，將N代入式（8），計算可得主泵高原加載時間T2=2.5s。

上述控制參數(shù)實施前，XE700DF 在西藏5 000m 海拔的玉龍銅礦，發(fā)動機掉速超過500rpm，黑煙嚴(yán)重，根據(jù)計算的參數(shù)對程序修訂后，發(fā)動機掉速在150rpm 以內(nèi)，無可見煙，發(fā)動機和液壓系統(tǒng)匹配良好。

增加上述高原自適應(yīng)控制方法之后，根據(jù)大氣壓力傳感器識別海拔高度，并自動調(diào)整主泵吸收功率和主泵高原加載時間，XE700DF 在1 500m 的內(nèi)蒙古烏海工地和4 500m 的青海木里工地轉(zhuǎn)場時，沒有對程序進行二次修訂，發(fā)動機和液壓系統(tǒng)匹配良好，沒有出現(xiàn)憋車、掉速、黑煙等高原問題，實現(xiàn)了挖掘機的高原自適應(yīng)匹配。

4 結(jié)語

通過監(jiān)測挖掘機所在地的大氣壓力，換算成對應(yīng)海拔高度，根據(jù)發(fā)動機不同海拔高度下的穩(wěn)態(tài)功率輸出和瞬態(tài)響應(yīng)特性，自動調(diào)整主泵最大輸出功率和主泵加載時間，同時監(jiān)控發(fā)動機的轉(zhuǎn)速波動，對主泵功率進行實時調(diào)整，實現(xiàn)在不同海拔高度下的發(fā)動機和液壓系統(tǒng)的自動匹配，實現(xiàn)挖掘機高原自適應(yīng)控制。