混凝土泵的自適應節能控制系統開發與試驗研究

陳 玲

（江蘇聯合職業技術學院徐州經貿分院，江蘇徐州 221000）

0 引言

拖式混凝土輸送泵（以下簡稱：混凝土泵）是一種利用管道將混凝土輸送到施工現場的建筑機械。其通過發動機驅動液壓油泵，通過液壓系統驅動兩個油缸及與其剛性相連的兩個輸送缸交替往復運動，使混凝土不斷地從料斗吸入輸送缸并通過輸送管輸送到施工現場。由于混凝土泵具有泵送壓力高、泵送排量大、泵送成本相對低廉等優點，在機場、碼頭、道路、橋梁、建筑房屋等混凝土施工領域，越來越受到用戶的青睞[1]。

混凝土泵屬于大功率、高耗油、負荷多變的工程機械設備，其節能性的好壞直接關系到施工成本的高低及環境污染的程度[2]。目前，隨著國家對環境保護的要求越來越高，加之用戶對設備使用成本的普遍關注，油耗問題逐漸成為混凝土泵的核心性能指標。然而，目前混凝土泵配置的發動機是以設備最大負載要求進行的動力匹配，未考慮不同負載下的動力盈余和燃油消耗?；炷帘迷诠ぷ髦?，發動機轉速往往被控制在一個固定的轉速，這樣在輕、中載荷下發動機的功率利用率很低，造成了極大的能量浪費。

混凝土泵的動力匹配和燃油消耗問題，引起了業內各大廠家的普遍關注，紛紛研究節能控制技術在設備中的應用。通過發動機動力特性和負載特性匹配，混凝土泵在工作中，發動機始終處于經濟油耗區，從而實現節能控制。然而，由于設備在工作中，其負載始終處于動態變化中，當前的節能控制技術在實際應用過程中往往存在泵送速度波動、泵送效率不足、發動機轉速不穩等問題，且在重負荷多變工況下極易引起發動機冒黑煙甚至憋停，致使節能控制的嘗試不僅沒有達到預定的節能效果，反而給正常施工帶來諸多新的問題，嚴重影響了正常泵送施工進度，遭到用戶的普遍抵制，制約了節能技術在混凝土泵的發展和應用推廣。

針對上述問題，本文開發的工況自適應節能控制系統統籌考慮工況適應和節能控制，其總原則為在滿足負載要求及泵送速度要求的前提下，根據當前負載工況和發動機萬有特性曲線，進行發動機轉速和泵排量的匹配調節，從而實現工況自適應的節能控制。

1 整機動力匹配分析

本文以某公司HBTS80混凝土泵進行研究，其整機參數及基本配置如表1所示。發動機采用康明斯發動機，六缸直列、渦輪增壓、中冷進氣散熱，外接散熱器式水冷冷卻系統，缸徑114 mm，排量8.3 L，性能曲線如圖1所示。

表1 HBTS80整機參數及基本配置

圖1 發動機6CTAA8.3－C260性能曲線

發動機輸出端通過飛輪盤和聯軸器與三聯泵相連，進行功率傳遞。三聯泵分別負責泵送系統、擺動系統和攪拌散熱系統回路油液供給?？紤]發動機效率及散熱風扇、發電機等負載消耗，在不同轉速下的最大凈輸出功率均取0.85的系數。由于擺動系統及攪拌散熱系統的負載輸出較平穩，除去兩者功率消耗外，剩下的功率即為泵送系統可取用的最大功率值。動力分配關系按下式進行：

式中：Qp為主泵泵送流量，L/min；ne為發動機轉速，r/min；Vp為主泵排量，mL/r；Pe為當前轉速下的發動機額定輸出功率，kW；Pp、Ppmax分別為主泵的配額功率和當前排量下的最大功率，kW；Tp、Tpmax分別為主泵的配額扭矩和當前排量下的最大扭矩，N·m。

2 發動機萬有特性曲線獲取

發動機萬有特性作為節能控制系統的核心依據，是以發動機轉速為橫坐標，輸出轉矩為縱坐標，由若干條等燃料消耗率曲線族組成。由于該曲線未包含在發動機廠家提供的技術資料中，為此，需要通過試驗獲取，具體方法為：在發動機若干固定轉速下采集多個工況點，記錄轉速、轉矩、單位時間的油耗值，然后將實驗數據擬合成負荷特性曲線，用一系列“等比油耗線”截取各個轉速工況下負荷特性曲線，取出所得交點的扭矩和曲線自身的轉速參數，將離散點擬合得萬有特性曲線[3]。

測試步驟如下。

（1）在混凝土泵的分配閥出口處安裝開度可調的水閥，對混凝土泵進行泵水試驗，通過調節水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。

（2）在發動機燃油管路上設置油液流量計，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。

（3）發動機轉速值通過CAN總線讀取；通過調節發動機油門加、減開關來改變發動機轉速大小，逐漸調節至所需要的目標轉速。

通過正交試驗獲得不同系統壓力和不同發動機轉速下的油耗曲線，如表2所示。

表2 發動機萬有特性測試數據

通過表2中的數據，運用Origin軟件即可制作萬有特性曲線，如圖2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，所示油耗為混凝土泵工作2 min內的油耗。

圖2 發動機6CTAA8.3－C260萬有特性曲線

3 工況自適應節能控制系統實施

節能控制系統框圖如圖3所示，控制器的輸入為負載壓力pL，油門執行器位移l，發動機轉速ne和設定的流量QL，控制器的輸出為控制發動機轉速的油門執行器電壓信號和控制主泵排量的排量閥電流信號。

圖3 節能控制系統框圖

在進行初始參數分配時，按下式進行：

式中：QpN為系統當量泵送速度；ne0為發動機初始轉速，r/min；Vp0為主泵初始排量，mL/r。

將泵送速度從10%～100%分10個擋位，形成發動機轉速和主泵排量的10種組合，初始分配情況如表3所示。從表中可以看出，在較低泵送速度（QpN≤50%）階段，發動機輸出的主泵配額扭矩大于當前工況下主泵最大取用扭矩，表明在此階段，發動機具備充足的扭矩儲備，定義為輕載工況，在此階段作業時，控制策略僅考慮使發動機工作在最佳燃油工作點。當泵送速度較高時（QpN＞50%），發動機輸出的主泵配額扭矩低于當前工況下主泵最大取用扭矩，此時分兩種情況：（1）主泵實際取用功率小于配額功率時，定義為中載工況，在此階段作業時，控制策略在考慮發動機最佳燃油工作點的同時，兼顧發動機轉速，當發動機轉速因負載原因出現幅度大于200 r/min的掉速時，適當減小主泵輸出排量，相對發動機最佳工作點來說，尋求新的次優工作點；（2）主泵實際取用功率大于配額功率時，定義為重載工況，在此階段作業時，為避免發動機出現大幅度掉速甚至熄火現象，控制策略僅考慮系統功率匹配，保證發動機穩定工作，不失速、不熄火。

表3 初始工況參數分配表

這樣，通過動力系統分析，定義輕、中、重3種工況并分段給予不同的控制策略，實現了工況自適應節能控制的目標。

4 試驗研究及效果驗證

整機系統設置正常模式（原系統）與節能模式（本方案）兩種模式。通過選擇開關即可在兩種模式間方便切換。在泵送次數相同、泵送壓力相同的情況下，通過兩種模式的試驗對比，進行節能效果分析，具體方法如下。

記錄正常模式下1 min泵送次數、壓力和油耗、發動機轉速，然后在節能模式下，調整排量旋鈕，使其工作在泵送次數與正常模式下相同，然后記錄當前泵送次數、壓力、油耗、發動機轉速。通過不同負載，不同泵送速度的測試數據整合，得到對比數據如圖4所示。試驗數據表明，混凝土泵采用節能控制后，燃油消耗明顯降低?？偟墓澞苄Ч?%～26%，平均節能效果在15%左右，用戶常用泵送速度下（如1 min泵送10、12、14、16次）節能效果約為16.5%。

圖4 節能效果對比曲線

5 結束語

研究節能控制技術在混凝土泵設備中的應用，首先應該根據設備工況做好負載的動力匹配，在此基礎上進行油耗分析和節能控制，才能有效實現節能控制的目的。本文針對現有節能控制技術在實際應用中的問題，進行了混凝土泵自適應節能控制技術研究和系統開發，總結如下。

（1）提出了基于設備工況的穩健型節能控制策略，解決了現有節能控制中重載荷情況下的失速、熄火等問題的出現。

（2）提出了泵送設備獲取發動機萬有特性曲線的具體實施方法，為節能控制策略提供了準確的數據基礎。

（3）闡釋了燃油消耗測試具體方法，以及不同工況節能效果的對比驗證。

（4）結果表明，通過該節能系統的實施，各個工況下設備運行平穩，節油效果顯著，對節能技術在混凝土泵的開發應用具有很好的借鑒和參考意義。