500 T級吊機發動機的功率匹配優化設計500 T級吊機發動機的功率匹配優化設計

陳 燕，陳 俊

(1. 福建船政交通職業學院 福建福州 350000，2. 三一汽車制造有限公司 湖南長沙 410100)

1 故障現象

根據吊機調試現場的反饋，500 T級吊機在雙泵合流的情況下，高速滿載工作時存在發動機急劇掉速問題，操作人員做動作時感覺速度很慢且無力，作業效率低；而在單泵工作，或者雙泵非滿載或者雙泵低速工況時沒有該現象，故初步判斷為發動機和雙泵合流后的功率曲線匹配可能存在不合理地方，當兩個主油泵均處于最大排量并工作在最高壓力時，如果來自發動機的轉速也很高，會造成兩個主油泵所需的功率超過發動機在當前轉速下能提供的最大功率，從而導致發動機帶不動負載而掉速甚至熄火的情況。

2 工作原理分析

該吊機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，與發動機直接連接，該吊機的液壓動力源由柱塞泵1、柱塞泵2、合流閥組成，主動作1可以只由柱塞泵1供油，也可以由柱塞泵1和柱塞泵2通過合流閥同時供油，來提高主動作1的運行速度。同理，主動作2與主動作1相似，可以由柱塞泵2單獨供油，也可以由柱塞泵1與柱塞泵2通過合流閥來同時供油，以提高主動作2的運行速度。柱塞泵1和柱塞泵2均采用電比例閥控制，通過給定兩個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行機構的功率。

圖1 吊機主液壓泵原理框圖

在理論設計時，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/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——柱塞泵的轉速，單位是r/min；

故柱塞泵的功率公式亦可表達為[1-2]：

(3)

從上式可知，柱塞泵的功率與工作壓力P、柱塞泵的適時排量V、以及柱塞泵的轉速n相關；因此，要匹配好柱塞泵與發動機的功率曲線，就要適時采集上述三個變量并對其進行有效地控制[3]，使其始終保持在圖2所示的發動機輸出功率曲線之下。

圖2是500 T級吊機的發動機廠家給出的轉速-功率曲線，其典型的轉速下輸出的功率值如表1所示。

轉速/(r·min-1)圖2 發動機轉速-功率曲線

表1 發動機轉速與功率對照表

目前的調試邏輯為在初始狀態下，發動機的轉速由油門踏板來控制，同時圖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關按鍵控制。當執行機構做動作時，油泵的工作壓力由負載決定，而隨著手柄的開口逐漸加大，柱塞泵的排量控制電流也呈線性增大，執行機構的速度也會越來越快；同理，當油門踏板越踩越深時，發動機的轉速也相應提高，執行機構的速度也會越來越快。

3 故障原因分析

要弄清楚該故障的原因，首先需要實測出發動機掉速時的柱塞泵的比例閥電流與實時的負載壓力值，因為比例閥的電流決定了柱塞泵的輸出排量，而負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了發動機的額定工作功率[4-5]；表2為實測的發動機有掉速現象時的兩個柱塞泵電流及負載壓力、發動機轉速值的對照表。

表2 實測掉速時的電流值及負載壓力、發動機轉速對照表

而根據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轉換為更直觀的柱塞泵排量、壓力及轉速對照表，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、排量及負載壓力、發動機轉速對照表

根據表3的實測數據，可得到柱塞泵的輸出功率與發動機的各轉速下額定功率的對照表，如表4所示。

表4 實測換算的柱塞泵功率與發動機額定功率對照表

根據表4的發動機各轉速所對應的額定功率，可發現在給定負載的情況下，當柱塞泵的電流大到一定程度后，柱塞泵的功率會超過發動機的額定功率。結合以上現場的測試數據對比分析，可得出發生該故障的最主要原因是：柱塞泵的電流沒有根據負載及發動機的轉速變化而得到有效的控制；從而隨著手柄開口的加大形成了高壓大排量的輸出，使柱塞泵輸出給執行機構的功率超過了發動機在該轉速下的最大功率，導致了發動機背不起負載而掉速或熄火。

4 優化方案

由上述分析可知，引起該故障的最主要原因就是當系統切換到雙泵合流工況下，兩個柱塞泵的電流沒有與發動機的轉速及負載的壓力形成相互影響的制約關系[6]；故解決該故障的主要措施如下。

(1)將發動機標定好的功率曲線數字化，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)從發動機的ECU適時讀取轉速信號，同時通過智能算法，自動匹配發動機的即定功率曲線；

(3)將控制柱塞泵終端電流的手柄信號數字化，并與發動機ECU的即時輸出功率進行適時比較，通過智能算法控制其輸出到柱塞泵的終端電流始終在發動機的固化的功率曲線建立的邊界條件以內，從而實現發動機轉速與手柄輸出電流智能匹配。

實際操作過程，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算公式(3)可知，系統的負載是無法控制的，能控制的只有柱塞泵的排量和發動機的轉速，因此，擬定的解決方案可簡單的表述為：實時采集發動機的轉速和負載壓力值，通過固化算法適時計算出此時的發動機允許的額定功率值內的柱塞泵的最大排量，再反推出柱塞泵的對應電流值，并將該最大電流值賦給控制手柄做為邊界條件，在這個邏輯下，手柄的開口大小不再為一個固定的范圍，而會根據實測的負載壓力與發動機轉速適時自適應變化，即無論手柄開口如何加大，其最大值只能在根據實測的壓力與轉速計算值以內變化，不能突破邊界值，從而有效地控制住雙泵合流時的輸出功率始終在發動機的額定功率曲線以內，避免發動機超載引起掉速和熄火。

例如：當系統檢測到發動機轉速為1500 r/min，負載壓力為23 MPa時，根據發動機功率曲線圖可知，此時的發動機功率最大值為200 kW。

此時，通過公式(3)變形，并代入實測數據可得：

再根據兩個柱塞泵排量平均分配的原則，可得每個柱塞泵的排量應該為173.5 mL/r；此時對應的柱塞泵的電流可從圖3的曲線上查得，也可通過柱塞泵廠家給出的理論公式計算出來[2]：

(4)

當V=173.5 mL/r，i=565 mA時，此時即使將柱塞泵的控制手柄扳至最大開口，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。

轉速/(r·min-1)圖4 優化后的柱塞泵與發動機的轉速-功率對比曲線

因此，通過實時采集負載壓力調節柱塞泵的電比例閥電流最大值，將油泵的實際需求功率始終控制在發動機的目標功率曲線以下，避免了柱塞泵功率溢出導致的發動機掉速及熄火等問題，控制策略優化后的功率對比曲線如圖4所示，在發動機的全轉速范圍內，柱塞泵的功率始終保持在發動機的功率線以下。

5 結語

通過監控系統的實時電流及相應的負載壓力、發動機轉速等關鍵參數，并通過三個參數的相互關系制訂出卓有成效的手柄電流與負載及轉速自適應的控制策略，讓柱塞泵在不超載情況下始終能最大程度吸收發動機功率，從而避免原控制策略導致的超載及掉速引起的工作效率低下甚至熄火問題，也為所有使用電比例泵進行復合動作的工程機械頻繁發生的發動機掉速及憋壓熄火問題提供了一種解決思路。