港口移動起重機發動機功率智能分配方法

崔益華 李文鋒 金 建 任進勇 王 建

南通潤邦重機有限公司 南通 226013

0 引言

港口移動起重機相較于軌道式起重機具備自重輕、多功能、通過性好和轉場方便等優點，這主要得益于起重機自帶動力，采用了發動機驅動的設計形式。港口移動起重機的動力系統主要由發動機、分動箱和發電機組成。考慮到各方面的綜合因素，往往發動機的實際最大輸出功率跟整機最大瞬時使用功率之間是有一定差距的。在某種特殊情況下，發動機會因為無法滿足設備瞬時功率請求而快速降低轉速并導致電壓降低甚至發動機停機。

龍建強[1]探討了銑刨機發動機功率分配的原則應結合發動機工作的特性曲線，認為功率分配的原則應為保證各系統功率之和與發動機目標值功率相一致，使機器有最好的動力性、經濟性和作業生產率。李侃等[2]提出重型平板車液壓系統功率分配應綜合考慮發動機、泵的最佳工作點與匹配等問題，分析了發動機和液壓泵的工作特性，探討了利用液壓系統的反饋控制發動機的轉速的思路。王鑫[3]分析了刨煤機功率自動分配的原理，提出了電液控制-過程控制和轉速控制2種方式，通過調節行走的機構速度來實現功率的自動分配。他們提出了研究方向及控制思路，但在底層邏輯控制方法的研究方面還不夠深入詳細。

本文結合新型港口移動起重機車的特性，針對移動起重機的3機構建立功率分配模型。本方法分析了新型港口移動起重機車各機構功率的算法和線性控制方法，實時計算應分配到分機構的功率，再根據此功率折算出應分配的速度和控制信號，最終在輸出端通過控制信號的限制避免發動機的瞬時過載。

1 港口移動起重機工作原理

1.1 港口移動起重機工作組成部分介紹

港口移動起重機可分為動力系統、控制系統和執行機構3部分。港口移動起重機由行走機構、轉向機構、支腿機構、回轉機構、變幅機構、起升機構等組成。在正常工作模式下，只有起升、變幅和回轉3個機構動作。該系統發動機采用恒轉速控制模式的機型。通過圖1、圖2可以了解港口移動起重機的外形和內部驅動模型。

圖1 港口移動起重機總圖

圖2 系統起升、變幅、回轉機構的模型示意圖

1.2 港口移動起重機各機構功率計算

港口移動起重機工作3機構（起升、變幅、回轉）一般采用2種驅動方式：液壓系統和電氣變頻。由于電氣變頻驅動系統功率計算相當簡單，可以直接讀取變頻器的數據，故本文只介紹液壓驅動系統。

針對液壓系統的特性，液壓泵功率為

式中：P0為液壓泵輸出功率；p0為液壓泵輸出壓力可通過壓力傳感器讀取實際數值；q0為液壓泵的流量；η0為系統傳動效率，一般使用經驗系數。

將式（1）和式（2）整理轉換得

式中：P為機構功率，Cref為請求控制電流，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉速，p為泵的壓力，η為機構的機械系統傳動效率。

針對起升、變幅、回轉單個機構，已知量為Cmax、Cmin、q、n、p、η，變量為Cref，通過式（3）可分別求出起升、變幅、回轉的功率。

2 港口移動起重機發動機智能分配方法

2.1 控制原理

所有的控制計算部分均由控制器（PLC）內的軟件部分完成。當操作人員通過操作手柄來請求機構速度，控制器接收到速度請求，控制器根據速度請求計算預期需要的功率，并根據發動機目前的負載情況判斷是否能夠滿足所需要的請求，若能滿足則直接輸出為改變液壓泵組的電流值為請求值。如果判斷發動機無法滿足請求值，則需要計算最大允許的各機構速度；根據計算限制各機構的電流和速度輸出，輸出至液壓泵組的電流值。在整個過程中實時讀取液壓泵壓力、發動機的扭矩百分比等?？刂圃砣鐖D3所示。

2.2 控制原理解析

2.2.1 控制步驟

如圖2和圖3所示，本文介紹的港口移動起重機發動機功率智能分配方法，包含以下步驟：

圖3 控制原理圖

1）讀取發動機實時扭矩百分比Tact、怠速扭矩百分比Tidle、起升加減速時間th（預設）；

2）讀取手柄起升動作請求值Jr、變幅動作請求值Jb、回轉動作的請求值Js；

3）根據手柄起升動作請求值計算起升請求速度vh、回轉機構液壓泵的電流請求值cs和變幅機構液壓泵的電流請求值cb；

4）計算起升請求功率Ph，根據回轉和變幅的請求電流通過流量與電流的正比關系計算流量q，記錄回轉的泵頭壓力p，計算變幅的請求功率Prb和回轉的請求功率Prs；

5）通過起升請求功率Prh、變幅的請求功率Prb、回轉的請求功率Prs和怠速功率Pidle之和與發動機的總功率Pt計算出與發動機總功率的比值s，若s＜1則未超過發動機最大功率，直接給定請求值；若s≥1則已經超過發動機最大功率，計算超出發動機需求的額外功率需求Pex；

6）根據此時起升機構、變幅機構、回轉機構的速度比例關系按比例減去相應比例的額外功率需求，單個機構動作時，起升所允許的極限功率為Pmh、變幅所允許的極限功率為Pmb和回轉所允許的極限功率為Pms計算出起升機構、變幅機構、回轉機構允許最大功率Pmhl、Pmbl、Pmsl；

7）根據允許的最大功率需求計算出起升最大工作速度vmh、回轉最大工作電流cms、變幅最大工作電流cmb，并最終給定。

2.2.2 各機構請求輸入計算

根據手柄起升動作請求值Jr計算起升機構請求速度和變幅、回轉機構液壓泵比例閥請求電流。

起升請求速度為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，vmax為手柄最大值時對應的最大速度值。

式中：C為電流請求值，Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值；Cmax、Cmin為已知的參數值。

根據式（2）計算回轉機構液壓泵的電流請求值Cs和變幅機構液壓泵的電流請求值Cb。

2.2.3 各機構請求功率計算

起升請求的加速時間為

式中：Jmax為手柄最大值，Jr為手柄起升動作請求值，th為起升從0到最大值加減速時間（系統預設值）。

起升機構的加速度ah為

起升機構負載提升所需要的力為

式中：m為起升機構當前吊重質量（通過稱重系統測量取得數值），g為重力加速度。

起升請求功率為

式中：vh為負載的速度，ηh為起升機構的機械系統傳動效率。

通過式（7）變形得到式（8）。

式中：P0為液壓泵輸出功率，p0為液壓泵輸出壓力，q0為液壓泵的流量，η0為系統傳動效率，Pref為請求功率， Cref為請求控制電流，Cmax為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉速，p為泵的壓力，η為機構的機械系統傳動效率。

通過式（8）計算得到變幅的請求功率Prb和回轉的請求功率Prs。

2.2.4 各機構請求額外功率計算

港口移動起重機發動機功率智能分配方法，其特征在于：所述步驟5）具體為

通過式（9）計算當前發動機所消耗怠速功率為

式中：Pt為發動機總功率，Tidle為怠速扭矩百分比。

通過起升請求功率Prh、變幅的請求功率Prb、回轉的請求功率Prs和當前使用功率之和Pact與發動機的總功率Pt計算出與發動機總功率的比值為

如果比值s小于1則未超過發動機最大功率，直接給定請求值；

如果比值s大于等于1則已經超過發動機最大功率，此時計算超出發動機需求的額外功率需求為

2.2.5 各機構功率智能分配

某一機構當前所使用的功率占最多使用功率的百分比為

式中：Pact為此機構當前所使用功率值，通過讀取發動機實時的扭矩百分比計算得出；Pmax為此機構使用功率極限值，為已知給定值。

根據此時3機構的速度比例關系按比例減去相應比例的額外功率需求，單個機構動作時，起升所允許的極限功率為

式中：Prh為單機構所請求功率，Sh為起升占比，Sb為變幅占比，Ss為回轉占比，Pex為超出發動機總功率的請求功率。

2.2.6 根據所分配功率計算最終控制信號輸出

式中：Cmac為電流最大值，Cmin為電流最小值，q為泵單圈的額定排量，n為泵的轉速，p為泵的壓力，η為機構的機械系統傳動效率，ηh為起升機構的機械系統傳動效率，Pmb為變幅所允許的極限功率，Pms為回轉所允許的極限功率。變幅和回轉的泵控電流值可以直接輸出至泵控比例閥。

起升機構如果采用變頻驅動即是限制電動機速度輸出（根據起升機構的傳動比換算出電動機的轉速對應變頻器相應的控制數值），如果采用液壓系統驅動就可以采用與式（20）相同的方式限制液壓泵的電流輸出，變幅和回轉為液壓驅動，通過限制電流輸出和速度輸出限制了功率輸出，實現功率智能分配。

3 結論

本文介紹的港口移動起重機發動機功率智能分配方法，通過功率分配技術可以大大降低港口移動起重機的發動機功率選型，同時降低整機質量，降低產品的制造成本和使用成本，提高產品的市場競爭力。在不需要3機構聯動的工況下，單個或2個機構可以充分發揮最大運行效率，在需要3機構聯動的工況下確保3個機構可以最大比例的發揮效率。該技術應用在印度PICT和VIZAG 2個港口的4臺港口移動起重機中取得了很好的使用效果。