四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 研究背景

隨著世界能源短缺的日益加重,如何提高能源利用率并節(jié)省能源,成為業(yè)內(nèi)研究的重點。液壓傳動具有功率密度大、布置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易實現(xiàn)直線運動、易過載保護(hù)、操作方便等優(yōu)點,在工程機(jī)械中普遍應(yīng)用[1-3]。由于自身的工作特性,液壓系統(tǒng)存在效率較低、能量損失較大等缺點。工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)在比較嚴(yán)苛的條件下工作,面臨功率大、換向頻繁、調(diào)速范圍寬等一系列要求,因此工作時的能量損失較大。柴油機(jī)負(fù)荷率高,沖擊大。裝載機(jī)、鏟運機(jī)類的最大負(fù)荷工況與平均負(fù)荷之比為 1.6～2.0,其中一個工作循環(huán)內(nèi)的大負(fù)荷時間為20～80 s。推土機(jī)、單斗挖掘機(jī)類的最大負(fù)荷工況與平均負(fù)荷之比為2～3,一個工作循環(huán)內(nèi)的大負(fù)荷時間為10～15 s[4]?？梢?柴油機(jī)作為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的原動機(jī),負(fù)荷變化大,輸出功率大,在將自身能量傳遞至液壓系統(tǒng)的同時,也會產(chǎn)生較大的能量損失?；谝陨戏治隹梢?如何最大限度利用柴油機(jī)的功率,提高柴油機(jī)的功率利用率,具有重要意義。筆者對柴油機(jī)的特性進(jìn)行分析,并對柴油機(jī)的恒功率控制進(jìn)行研究。

2 柴油機(jī)特性分析

柴油機(jī)供油拉桿在不同位置時測得的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線如圖1所示,橫坐標(biāo)為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速,縱坐標(biāo)為柴油機(jī)有效轉(zhuǎn)矩。曲線Ⅰ′為供油拉桿在超額定供油位置,即超負(fù)荷時的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線,此時雖然轉(zhuǎn)矩也有所增大,但是由于供油過多,燃燒不充分,因此燃油經(jīng)濟(jì)性較差,不適合長時間工作。曲線Ⅰ為供油拉桿在額定供油位置時的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線,表征柴油機(jī)允許發(fā)出的最大轉(zhuǎn)矩,通常稱為外特性曲線。由曲線Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可見,循環(huán)供油量減小時,有效轉(zhuǎn)矩減小[5]。n0為柴油機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

圖1 供油拉桿不同位置時柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線

由圖1可以看出,柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線較為平緩,這意味著柴油機(jī)負(fù)荷發(fā)生輕微變化就會引起轉(zhuǎn)速較大變化。如圖2所示,當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷變化,使轉(zhuǎn)矩從T0減小至T1時,轉(zhuǎn)速由n0增大至n1。顯然,柴油機(jī)的這種特性無法滿足工程作業(yè)的要求,而且不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速也會降低燃油的燃燒效率和使用經(jīng)濟(jì)性。為了保證柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,滿足工程機(jī)械作業(yè)的要求,同時為了提高燃油的燃燒效率,在柴油機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時,需要對循環(huán)供油量進(jìn)行調(diào)整,以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷變化,使轉(zhuǎn)矩由T1增大至T0時,如果將供油拉桿由位置b調(diào)整至位置a,那么就可以增大供油量,在滿足負(fù)荷要求的同時保持轉(zhuǎn)速n0不變。反之,當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷變化,使轉(zhuǎn)矩由T0減小至T1時,如果將供油拉桿位置a調(diào)整至位置b,那么就可以減小供油量,同時維持轉(zhuǎn)速n0不變。工程機(jī)械的負(fù)荷變化十分復(fù)雜,單純依靠駕駛員通過操縱供油拉桿來改變循環(huán)供油量是不切實際的,對此,柴油機(jī)廣泛使用調(diào)速器以實時改變循環(huán)供油量,滿足作業(yè)要求。

圖2 負(fù)荷變化時柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線

基于單制式調(diào)速器分析柴油機(jī)的工作特性。柴油機(jī)在工作過程中,負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T0時,轉(zhuǎn)速為n0。柴油機(jī)負(fù)荷減小,負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩由T0減小至T1時,供油量超過了負(fù)荷的需求,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速會從n0逐漸增大,鋼球的離心力同時增大。增大后的離心力破壞了彈簧的平衡狀態(tài),迫使推力盤移動,并最終帶動供油拉桿移動,減小供油量,直至調(diào)整后的供油量與負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩T1重新適應(yīng)。如圖3所示,此時,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)從n0增大至n′0并趨于穩(wěn)定,推力盤也停止移動,調(diào)速器重新回到平衡狀態(tài)。反之,柴油機(jī)負(fù)荷增大,負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩由T1增大至T0時,供油量無法滿足負(fù)荷的需求,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速就會從n′0逐漸減小至n0。由于調(diào)速器的作用,供油拉桿移動,增大供油量,直至調(diào)整后的供油量與負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩T0重新適應(yīng)。

圖3 采用調(diào)速器后柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線

應(yīng)用調(diào)速器后,在柴油機(jī)工作過程中,負(fù)荷變化導(dǎo)致循環(huán)供油量變化,同時轉(zhuǎn)速也會出現(xiàn)少許變化。發(fā)動機(jī)有效功率Pe為:

Pe=Ten/9 550

(1)

式中:Te為發(fā)動機(jī)有效轉(zhuǎn)矩;n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

供油拉桿處于位置c,柴油機(jī)有效轉(zhuǎn)矩為T0,轉(zhuǎn)速為n0,此時柴油機(jī)的有效功率Pec為:

Pec=T0n0/9 550

(2)

調(diào)速器發(fā)揮作用以后,供油拉桿處于位置d,此時柴油機(jī)有效轉(zhuǎn)矩為T1,轉(zhuǎn)速為n′0,有效功率Ped為:

Ped=T1n′0/9 550

(3)

由式(2)、式(3)可見,如果柴油機(jī)負(fù)荷發(fā)生較大變化,那么其有效功率也將發(fā)生較大變化。

3 功率利用率分析

工程機(jī)械在工作時,由液壓系統(tǒng)驅(qū)動,液壓系統(tǒng)的能量則來自于柴油機(jī)。由于工程機(jī)械作業(yè)時的負(fù)荷常常發(fā)生變化,即柴油機(jī)所受的負(fù)荷常常發(fā)生變化,因此柴油機(jī)傳遞至液壓系統(tǒng)的有效功率也常常發(fā)生變化。另一方面,內(nèi)燃機(jī)的特性決定了耗油量和可使用的最大功率并不會因負(fù)荷或有效功率的變化而產(chǎn)生線性變化。換言之,液壓系統(tǒng)所受的負(fù)荷不同,即柴油機(jī)所受的負(fù)荷不同,液壓系統(tǒng)對柴油機(jī)的功率利用率也就不同。功率利用率反映了液壓系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)功率的利用程度,同時也是衡量工程機(jī)械整機(jī)效率的一個指標(biāo)。工程機(jī)械工作時,不斷變化的柴油機(jī)負(fù)荷意味著不均勻的功率利用率,這就使柴油機(jī)的功率選擇面臨難題。如果選擇的柴油機(jī)功率太小,那么顯然無法滿足柴油機(jī)高負(fù)荷工作時的要求。如果選擇的柴油機(jī)功率太大,那么液壓系統(tǒng)將長時間處于低負(fù)荷狀態(tài),會產(chǎn)生較低的功率利用率和較大的能量損耗。事實上,為了滿足工程機(jī)械作業(yè)任務(wù)的要求,柴油機(jī)功率按照最大負(fù)荷選取,這在變負(fù)荷工況下更易造成較大的功率損失。

4 恒功率控制研究

為了最大限度降低柴油機(jī)的功率損耗,節(jié)約燃料和能量,可以對工程機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行功率控制。功率控制是根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力信號,使泵的功率按照預(yù)定規(guī)律變化的一種控制形式。對于變量泵而言,常用的功率控制方法為恒功率控制,即通過控制使泵壓力與流量的乘積保持不變,根據(jù)液壓泵的功率計算式,泵的功率也將保持不變。

變量泵恒功率控制原理如圖4所示,特性曲線如圖5所示[6]。恒功率控制一般通過功率調(diào)節(jié)器實現(xiàn),功率調(diào)節(jié)器的活塞桿一側(cè)與液壓泵的變量機(jī)構(gòu)相連,另一側(cè)與泵的出口相連?；钊麠U一側(cè)設(shè)置了彈簧,具有一定的預(yù)緊力,泵的出口壓力作用在活塞的右側(cè)。液壓泵工作時,不考慮各類壓力損失,出口壓力由其所受的負(fù)荷決定。當(dāng)由負(fù)荷產(chǎn)生的出口壓力較小時,油液對活塞右側(cè)的作用力不足以克服功率調(diào)節(jié)器彈簧的預(yù)緊力,活塞處于最右端位置,此時變量泵的斜盤傾角α具有最大值αmax,泵的排量為最大,同時流量q達(dá)到最大值qmax。隨著負(fù)荷的增大,壓力開始增大。當(dāng)壓力增大至p0時,作用在活塞右側(cè)的作用力和彈簧力相平衡,此時彈簧有被壓縮的趨勢,壓力p0也被稱為起調(diào)壓力,調(diào)節(jié)器處于調(diào)節(jié)起始位置。隨著壓力的進(jìn)一步增大,彈簧被壓縮,活塞桿沿軸向向左移動?；钊麠U移動后,通過變量泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變泵的斜盤傾角,使斜盤傾角變小,變量泵的排量隨之減小。在轉(zhuǎn)速不變的前提下,泵的輸出流量相應(yīng)減小。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增大使泵的輸出壓力達(dá)到最大值pmax時,彈簧的壓縮量達(dá)到最大,pmax被稱為調(diào)節(jié)終了壓力,調(diào)節(jié)器處于調(diào)節(jié)終了位置。在活塞桿的推動下,泵的斜盤傾角達(dá)到最小值αmin,排量也為最小值,流量自然降至最小值qmin。

圖4 變量泵恒功率控制原理

圖5 恒功率控制特性曲線

泵的出口壓力從p0開始增大至pmax的區(qū)間稱為功率調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍。由于泵的出口壓力和彈簧的壓縮量近似成定比線性關(guān)系,彈簧的壓縮量和泵的斜盤傾角近似成反比關(guān)系,因此泵的出口壓力和斜盤傾角近似成反比關(guān)系。對于變量泵而言,其排量直接取決于斜盤傾角的大小,因此泵的出口壓力與排量近似成反比關(guān)系。在轉(zhuǎn)速不變的前提下,泵的排量決定流量,泵的出口壓力與流量可看作成反比關(guān)系,即壓力和流量的乘積保持不變。這就意味著在調(diào)節(jié)范圍內(nèi),泵的功率保持恒定。通過恒功率控制,變量泵流量的變化可適應(yīng)壓力的變化,兩者成雙曲線變化關(guān)系。由于泵的壓力由負(fù)荷決定,因此恒功率控制可以確保工程機(jī)械作業(yè)時工作裝置可應(yīng)對負(fù)荷變化做出實時調(diào)整。

5 結(jié)束語

在液壓傳動技術(shù)中,節(jié)能是一項重要的課題。在當(dāng)今創(chuàng)建節(jié)約型社會和節(jié)能型企業(yè)的過程中,將節(jié)能意識融于液壓系統(tǒng)設(shè)計與改造中,是非常有必要的[7]。工程機(jī)械柴油機(jī)在工作時,有效功率隨負(fù)荷變化而變化?，F(xiàn)代液壓控制系統(tǒng)正在向高壓、大功率方向發(fā)展,要求更多地使用功率調(diào)節(jié),目的是實現(xiàn)動力源和負(fù)荷之間的功率適應(yīng)與功率匹配,使原動機(jī)能工作在最佳工況下[8-10]。恒功率控制可以使工程機(jī)械在負(fù)荷變化的范圍內(nèi),保持功率近似不變,并充分利用柴油機(jī)的功率,同時使柴油機(jī)的功率選擇更為合理。當(dāng)然,恒功率控制要求變量泵的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靈敏可靠,由此帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大等一些問題。另一方面,對于定量泵系統(tǒng),恒功率控制是無法使用的,需要研究其它的節(jié)能方式。