混凝土泵車節能控制系統研究開發

摘 要：節能技術是目前工程機械最主要的控制技術之一，主要體現在發動機與負載相匹配控制方面（用整機節能設計和液壓元件節能兩大方面提高產品的節能性能）。其中功率匹配技術作為節能設計的一部分，具有較高的可操作性。

關鍵詞：混凝土泵車；節能；功率匹配

中圖分類號：TU646文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0168-03

Absrtact：Energy-saving technology is one of the most important control techniques for construction machinery at present，which is mainly embodied in the matching control of engine and load. As a part of energy saving design，power matching technology has high maneuverability.

Keywords：concrete pump truck；energy saving；power matching

0 引 言

隨著國民經濟快速發展，高能耗的工程機械設備越來越多地被運用在經濟建設中。在經濟發展的同時，國民對保護環境及降低能耗的認知大大提高，節能減排的理念越來越深入人心。開發低能耗、高環保的工程設備，是目前國內工程設備生產廠家主要研究方向之一。功率匹配技術的運用是主要解決目前工程設備高能耗、低環保的現象之一。

目前功率匹配技術不僅得到了理論上的論證，也在一定領域得到廣泛的運用。該技術采用壓力、流量與功率綜合控制方式，使負載與發動機的輸出功率盡可能地相匹配，以獲得最佳的功率輸出及最低的燃油消耗量。

本文基于現有功率匹配技術，研究開發了混凝土泵車的節能控制系統，該系統已在混凝土泵車產品上廣泛投入使用。

1 泵車動力系統組成

混凝土泵車動力系統組成如圖1所示，底盤發動機的動力經傳動機構傳遞給液壓泵，液壓泵再將發動機的動力傳遞給液壓系統，從而實現泵送作業。在泵車的泵送過程中，常規的控制模式是將發動機設定在額定的轉速下工作，這會使得發動機和液壓泵的輸出功率在中載或者輕載工況時，大大地高于實際負載所需功率，多余的功率則以各種損失方式在系統中被消耗掉，造成極大的能源浪費，影響泵車的工作可靠性。因此，泵車的輸出功率應根據實際工況的變化而變化。實際工況可以利用泵車的每分鐘換向次數來表征，通過轉速調節機構來調節發動機的輸出功率，同時排量調節機構調節液壓泵的排量來滿足泵送效率，實現發動機—液壓泵—負載之間的匹配，從而提高整機工作效率，減少油耗。

2 節能控制原理

柴油機在不同油門位置時，都存在一個最經濟工作點，如圖2所示的H、I、J、K點，以及一個最大功率點，如圖2所示的A、B、C、D點。當柴油機工作在最大功率點時，柴油機能發揮在此油門位置的最大功率，但最大功率點的油耗不是最省，同時有些油門位置的最大功率點抗過載能力較差，如圖2所示的B、C、D點。當遇到負荷突然加大時容易造成發動機轉速急速下降，甚至導致熄火；當柴油機工作在最佳節能點時，完成相同的工作量油耗最少，但最佳節能點的功率不是此油門位置的最大功率點，不能充分發揮柴油機的功率。因此，在實施功率匹配時，應根據具體的工作需要來匹配功率點。若求單位時間內的最大工作量時，應選擇最大功率點為最佳工作點，但為防止發動機過載，電控系統會加入目前最成熟的極限載荷控制方式。若求在單位時間內完成相同作業量而最節省燃油，應以最佳節能點為工作點。

最大功率點可根據發動機的外部特性曲線直接匹配。最有效的匹配最佳節能點的方法是測試發動機工作狀態，得出了發動機的通用特性曲線，并從中直接找出了最佳節油點（或經濟工作區）。在不同的工作條件下，輸出功率柴油機的ER是不同的。每臺發動機的輸出功率對應于通用特性曲線中的一條等功率曲線，而每條等功率曲線都可以與無數iso交叉。但轉速和油耗的比值均不同，如果存在等功率曲線和等油耗曲線相切點，則該點就是最佳節能點，如圖3所示。

每一條等功曲線都不一定能找到切線等比油耗曲線，但在等比油耗曲線附近總是有一條相等的比油耗曲線。如果發動機可以在等功率曲線和等油耗曲線之間工作，也是最經濟的工作點。

各發動機模型的特性曲線不同，但存在一個經濟油耗區。在該地區的任何時候，發動機都具有良好的經濟性。因此，在實際功率m中如果發動機工作點落在經濟工作區或相應功率的最低油耗點，則可達到節能匹配的目的。

如果把所有功率下的最經濟工作點連起來，就形成了一條經濟工作曲線。無論柴油機輸出功率是多少，只要工作點位于經濟工作曲線附近，燃油利用率就會較高。

3 泵車發動機控制方法

針對泵車在不同場合對泵送的要求和泵車特點，我們將泵車的控制分為以下三種控制方法：

（1）追求單位時間內最大效率的控制（常規控制模式）。追求最大效率的控制，也就是目前使用最多的發動機和泵都工作在最大功率的控制。

（2）追求完成相同工作量最低油耗的控制模式（節能控制模式）。常規控制模式中的排量電位計作為泵送速度給定旋鈕，通過檢測當前泵送速度（一個缸來回一次的時間）和發動機掉速的情況間接地判斷當前的負載狀態，根據以上信息算出最佳工作區域，然后調整發動機轉速及主泵的斜盤開度，使系統能滿足泵送的功率、效率，也達到了最節能的效果。

（3）自動怠速的輔助控制。當壓力傳感器檢測不到負載時，系統自動從當前狀態進入怠速模式，以節省燃油；當重新加負載時，系統自動恢復怠速前的狀態。

4 泵車節能系統具體的測試方法

4.1 負載模擬的測試

在泵車的分配閥出口處安裝截止閥，對泵車進行泵水實驗，通過調節截止閥的開口大小來改變水的通流面積，從而改變負載大小，體現到泵送液壓系統上就是主系統壓力的大小。

4.2 發動機油耗測量

考慮到發動機工作中，既有吸油又有回油，所以分別在吸、回油管路上各安裝一個流量計，二者記錄數據的差值即為發動機的真實油耗。記錄流量計輸出的脈沖個數，一個脈沖對應一定的耗油量，由總的脈沖數就可以計算出泵車發動機總的耗油量。

4.3 發動機轉速檢測與調節

轉速通過CAN總線直接從發動機ECU讀取，避免了從轉速表處讀取有一定的滯后，可以準確地與目標轉速比較判斷瞬時的轉速跌落。

4.4 泵送液壓系統壓力檢測

使用壓力傳感器測量記錄不同工況下主泵的系統壓力。

4.5 主液壓泵排量的檢測與調節

主泵為液控泵，排量大小由先導壓力決定，而先導壓力又由電液比例溢流閥來設定，在電液比例溢流閥的輸入端之前串聯一個萬用表，用來檢測主泵輸入電流，再用一個電位計控制系統輸出電流，則通過調節電位計旋鈕可以改變閥的輸入電流。

4.6 單位時間內混凝土缸泵送次數的檢測

使用泵車原有接近開關，從泵車控制柜中引出接近開關的輸出信號線，記錄單位時間內接近開關的通斷次數，以計算砼活塞每次行程所需時間。

5 泵車節能控制的測試結果及實施

通過試驗測試的數據，我們得到了發動機的油耗曲線圖如圖4所示。

橫坐標為轉速，縱坐標為泵的吸收扭矩的等價形式，即系統平均壓力值（單位MPa）與排量百分比（單位：%）的乘積；圖所示油耗為泵車工作兩分鐘內的油耗。

通過油耗曲線圖我們可得知泵車平均掉速大于60轉后，其油耗比例大幅增加，所以應控制發動機掉速在60轉以內（使發動機工作不吃力），才能有效地降低油耗。若采用人為控制，只能憑感覺調整泵排量和發動機轉速，這種匹配關系雖能滿足用戶對泵送效率的需要，但常常不節能，為了既滿足用戶所需要的泵送效率又能實現節能效果，根據現場測試結果與調研，得出以下控制方法：以效率為標準，人為選擇所需的泵送效率，系統經查表自動輸出相應的初始油門控制電壓與泵控電流。

在一臺泵車上同時具有兩種模式：常規模式與節能模式。由人工來選擇，按動開關即可在兩種模式間方便地切換。

正常模式時采用原系統，用電位計控制泵排量，電位計開關調整轉速。節能模式下采用新系統，原有的電位計此時變成了效率調節器，旋至不同的位置，對應不同的效率，即泵送一次所需的時間，系統通過這個效率查找、計算出對應的轉速與泵控電流；泵送一個周期后，系統進入判斷階段，計算出效率差，再對發動機轉速或泵控電流做相應調整。

經過試驗得到節能前后轉速的對比如圖5所示。

經過試驗得到節能前后油耗的對比如圖6所示。

以上數據表明，油耗明顯降低，效果顯著。低速泵車的節能效果優于高速泵車，這是因為泵車低速負荷低，高速負荷大，發動機輸出功率相同。當負荷較大時，發動機動力效率較高（節油空間）；當負載較小時，發動機動力效率較低。

6 結 論

功率匹配節能技術是以提高發動機功率的利用率、合理匹配動力系統與負載功率、有效降低燃油消耗為技術方案，即根據發動機—液壓泵—負載之間的功率傳遞關系，在不同負載工況下對發動機噴油量以及主泵的流量進行控制，實現泵車節能、降低油耗。該系統已在混凝土泵車上的投入使用，也進一步驗證了該系統的科學性和合理性。

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作者簡介：郭艷萍（1984.06-），女，漢族，江蘇沛縣人，在職研究生。研究方向：泵車電氣。