國外平地機電噴變功率控制模式

國外平地機電噴變功率控制模式

0國外平地機的節(jié)能技術(shù)研究近年來，平地機市一直處于各種傳動產(chǎn)品共存的狀態(tài)。以卡特彼勒(Caterpillar)、沃爾沃(Volvo)和約翰迪爾(JohnDeere)等為代表的歐美平地機生產(chǎn)商,始終堅持在多擋位變速箱基礎(chǔ)上對發(fā)動機進行合理利用的技術(shù)路線,將機械傳動的高效率進行最大程度的發(fā)揮;而以德萊塞(Dresser)、小松(Komatsu)等為代表的液力機械式平地機,則在自動換擋、負載自適應(yīng)方面具有優(yōu)勢。絕大部分國產(chǎn)平地機,如天津中外建、徐工、常林等,也均屬于此種形式;此外,三一重工研制生產(chǎn)的PQ190系列全液壓平地機,也以其新穎的結(jié)構(gòu)、簡易的操作方式,在平地機市場獨樹一幟。無論采用何種傳動方式,平地機生產(chǎn)商在整機性能方面的追求目標(biāo)都是一致的,即盡可能地發(fā)揮傳動方式本身的優(yōu)勢,追求最佳的動力性、經(jīng)濟性及操縱性能,從而獲得最大的作業(yè)生產(chǎn)率。值得注意的是,無論是變速箱直接傳動還是帶有液力變矩器的傳動形式,國外平地機在“經(jīng)濟性”即“節(jié)能”措施方面,基本上都采用了對電噴發(fā)動機進行變功率控制的方法,充分利用了電噴發(fā)動機燃油量可控的特性,整機在擋位、速度及功率利用的設(shè)計上都體現(xiàn)出設(shè)計者在節(jié)能方面的周到考慮。中國平地機的節(jié)能研究剛剛起步,對電噴發(fā)動機的使用也比較晚。因此,研究和借鑒國外平地機的變功率控制方法具有十分重要的理論和實際意義。1發(fā)動機外特性及功率平地機是典型的牽引式作業(yè)機械,工作裝置靠機器行走的牽引力推動。負荷較大時追求大的輸出扭矩(牽引力),負荷較小時則追求高的作業(yè)速度。國外平地機的速度調(diào)節(jié)范圍一般在0~50km/h之間。其中用于作業(yè)的速度范圍通常都在3~10km/h,相應(yīng)地,在擋位設(shè)計上,最低作業(yè)速度擋通常為3km/h左右。在一定功率輸出條件下,較低的作業(yè)速度,可以帶來很大的牽引力,如果不對發(fā)動機進行特殊得控制,機器按照最大功率提供的牽引力往往大于地面附著條件決定的最大牽引力,所以,必然伴隨著一部分功率以輪胎滑轉(zhuǎn)的形式損失掉。國外平地機采用變功率控制的原理是在低速作業(yè)時發(fā)動機在1條功率(或扭矩)較低的特性曲線上工作,如果負載不大,發(fā)動機則工作于調(diào)速段,負載較大,工作在外特性上時,發(fā)動機工作點前移,節(jié)省燃油消耗,發(fā)動機在較低工作曲線上工作時,滑轉(zhuǎn)的頻率降低,功率損失減小,有效節(jié)省了燃油消耗。Cummins非電噴及電噴發(fā)動機外特性曲線見圖1、圖2。圖3所示,如果負載較小,如負載扭矩1,此時與2條曲線都交于調(diào)速段bde,即A點,油耗相差不大;如果負載較大,如負載扭矩2,則與曲線l交于B點,與曲線2交于C點。C點比B點比油耗低,且低轉(zhuǎn)速更不易滑轉(zhuǎn)。由于實際工況不同,配合機器的擋位設(shè)計,一般可預(yù)設(shè)2~4條發(fā)動機特性曲線。表1給出了幾家國外平地機功率及速度、擋位等參數(shù);圖4、圖5分別列舉了Caterpillar160H和VolvoG930平地機的變功率控制曲線。Caterpillar160H采用CAT3360系列6缸增壓發(fā)動機作動力,發(fā)動機本身有較高的扭矩儲備,能在一定程度上適應(yīng)載荷的急劇變化而無需換擋。傳動箱是由Caterpillar為其平地機專門設(shè)計和制造的一種不帶變矩器、人力操縱離合器的直接傳動變速器,與液力機械傳動方式相比,傳動效率可提高15%。前進設(shè)置8個擋位、后退4個擋位,完成0~40.7km/h范圍的調(diào)速,對變化負荷的適應(yīng)通過多擋位和發(fā)動機變功率控制來實現(xiàn)。不同作業(yè)速度對功率的需求可計算如下。由地面附著條件決定的最大牽引力式中:GN——驅(qū)動橋重量;Φ——附著系數(shù),通?？扇?=0.8。已知整機重量15903kg,后橋GN=11265kg,計算得如果按照最大牽引力、最大擋位車速計算最大的功率需求,以1擋為例,該擋位最高車速vm1=3.5km/h=0.9m/s,則理論的最大功率需求為如果發(fā)動機提供的功率超過產(chǎn)生Fm所需要的功率,則車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn),多余的功率被浪費。實際上,滑轉(zhuǎn)并不完全發(fā)生在最高車速(也即最高發(fā)動機轉(zhuǎn)速)時,在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速點時,該點的車速vm2為式中:nTmax——發(fā)動機最大扭矩點轉(zhuǎn)速;nN——發(fā)動機額定點轉(zhuǎn)速。參照圖3Caterpillar發(fā)動機特性曲線,取nTmax=1200r/min,nN=2200r/min,則有則在車速vm2時發(fā)揮最大牽引力(臨界滑轉(zhuǎn)點)所需的功率為依此可計算出其它各作業(yè)擋位的實際所需功率如表2所示(未考慮輔助系統(tǒng)功耗)。凡是對最大功率要求較低的擋位,就可以選擇功率較低的特性曲線工作,降功率使用,從而在不影響機器性能的前提下,有效節(jié)省燃油消耗。節(jié)能效果可用如下方法做理論估算:假設(shè)功率較大和較小的2條特性曲線分別為曲線0和曲線1,2條曲線上某一負載扭矩Tz對應(yīng)的實際輸出功率分別為Ne0和Ne1,比油耗值分別為g0和g1,則在該點計算出的小時油耗理論值分別為其中ne0,ne1分別為該負載下選擇的不同曲線的工作轉(zhuǎn)速。則發(fā)動機工作在2條曲線上的小時油耗相差約為ne0g0/ne1g1。由于ne0>ne1,g0>g1,則同樣工況下,發(fā)動機工作在曲線1與工作在曲線0時相比,小時油耗降低。這種變功率控制的節(jié)能思想在各種傳動方式的平地機上均能使用,但必須結(jié)合合理的擋位與速度范圍設(shè)計才能達到良好的使用效果。3發(fā)動機輸出能力情況,國外平地機在一定變功率控制方法將電噴發(fā)動機循環(huán)供油量這一半可控參數(shù)納入機器的控制過程,在考慮了實際工況對動力系統(tǒng)輸出需求基礎(chǔ)上,功率、扭矩和速度3個參數(shù)得到了合理的調(diào)節(jié)與控制。與分工況對發(fā)動機降轉(zhuǎn)速使用等節(jié)能方法相比,變功率控制的優(yōu)點十分明顯:(1)發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速變化范圍不變。(2)發(fā)動機的速度適應(yīng)性能力沒有改變,扭矩適應(yīng)性能力變化很小,即發(fā)動機適應(yīng)負載的能力沒有減小。(3)控制方法簡單,不需要改變整機的其他參數(shù)匹配。采用變功率控制的平地機,與多擋位變速箱或者液力變矩器等傳動裝置結(jié)合,使機器無論是大負荷低速作業(yè)還是高速行車,始終保持最佳的動力性與經(jīng)濟性工作狀態(tài)。通過對國外平地機的研究,可以看出,國外平地機在設(shè)計思想和加工制造上都十分成熟,同時,機器的生產(chǎn)制造商也在一定程度上引導(dǎo)著用戶對機器的使用理念。目前中國平地