張啟軍

(三一汽車制造有限公司泵送電控研究所，湖南 長沙 410100)

0 引 言

混凝土機械的需求量很大，廣泛應用于工業(yè)、民用建筑以及國防施工等工程建設，其生產的先進程度也標志著一個國家的制造業(yè)水平。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國混凝土機械已成為建設機械的重要組成部分。中國頒布的《散裝水泥發(fā)展“十五”規(guī)劃》要求：直轄市、省會城市、沿海開放城市要積極發(fā)展預拌混凝土；其他城市從2005年底起，禁止在城區(qū)現(xiàn)場攪拌混凝土。這給混凝土機械行業(yè)提供了巨大的發(fā)展機會。

隨著混凝土泵在基礎建設中的應用越來越普遍，國家對工程機械的環(huán)保要求也越來越高，因此對混凝土泵的節(jié)能降噪性能要求也越來越高。發(fā)動機是為混凝土泵提供動力的裝置，是混凝土泵的心臟，決定了混凝土泵的能耗和經(jīng)濟性。發(fā)動機的功率、扭矩、噴油量與負載的合理匹配以及發(fā)動機轉速，是影響發(fā)動機能耗與噪聲的重要因素[1-5]。常規(guī)的柴油發(fā)動機混凝土泵送設備通常沒有進行發(fā)動機的負載功率匹配，造成發(fā)動機在使用過程中油耗高，噪聲大。本文主要依據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線與混凝土泵的負載進行科學合理匹配的控制研究，在滿足混凝土泵泵送施工工藝要求的前提下，使發(fā)動機轉速控制在噪聲低的經(jīng)濟區(qū)域，大大降低發(fā)動機的能耗，提高混凝土泵的經(jīng)濟效益。

1 存在的問題與原因分析

目前柴油機在混凝土泵等工程機械上的應用主要存在油耗高、噪聲大的問題。分析原因，主要是工程機械上應用的柴油機采用簡單的發(fā)動機轉速控制方式：不管負載多大，柴油機都使用比較高的固定轉速，沒有作科學合理的負載功率匹配，導致柴油機在使用過程中油耗高、噪聲大，長期在高轉速下運行，增加了性能銳減的風險，也增加了用戶的運營維護成本，給混凝土泵用戶帶來不必要的經(jīng)濟損失。因此，柴油機使用的燃油經(jīng)濟性以及噪聲控制是亟待解決的問題[6 -9]。

2 柴油機功率匹配原理

2.1 硬件系統(tǒng)設計

2.1.1 硬件系統(tǒng)組成

混凝土泵總線電噴發(fā)動機上使用的節(jié)能降噪控制硬件系統(tǒng)的組成主要為：CAN總線電噴發(fā)動機、電子恒功率油泵、工程機械車載運動控制器、壓力傳感器、顯示屏及輸入輔助裝置(如鈕子開關)等。系統(tǒng)通訊一般采用CAN總線通訊方式，通訊速度快，抗干擾能力強。

硬件系統(tǒng)各組成部分的主要功能為：CAN總線發(fā)動機給系統(tǒng)油泵提供動力；電子恒功率油泵給整個混凝土泵提供動力油；車載運動控制器主要采集和接收發(fā)動機的實時轉速、扭矩、功率或噴油量、油泵的系統(tǒng)壓力以及油泵的排量指令，并處理運算控制發(fā)動機的轉速以及油泵的排量等，是整個系統(tǒng)的運算處理控制中心；壓力傳感器實時檢測油泵的壓力，并反饋給控制器；顯示屏為人機顯示界面，顯示發(fā)動機的實時轉速、系統(tǒng)壓力以及手動排量設定值；鈕子開關用于輸入油泵排量，控制泵送速度。其硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

圖2 發(fā)動機萬有特性曲線

2.1.2 控制系統(tǒng)原理

圖2為發(fā)動機的萬有特性曲線，橫坐標為發(fā)動機的轉速值，縱坐標為發(fā)動機的扭矩值，虛線為發(fā)動機的功率值，圓形云圖為發(fā)動機的比油耗，深色區(qū)域是油耗高區(qū)域，顏色越深油耗越高，淺色區(qū)域為油耗低區(qū)域?；炷帘每偩€電噴發(fā)動機的節(jié)能降噪控制，主要是為了讓發(fā)動機在使用過程各種運行參數(shù)盡量靠攏圖2中的淺色區(qū)域，達到節(jié)能降噪的目的。

根據(jù)圖2可以看出，發(fā)動機能耗比較低的區(qū)域為轉速在1 100～1 300 r·min-1，且功率在110～150 kW之間，混凝土泵的動力要滿足泵送的要求，即滿足在一定負載壓力下的泵送換向次數(shù)(泵送速度)要求。一般油泵的泵送額定轉速為2 000 r·min-1，在不考慮能耗的情況下，發(fā)動機轉速設置為2 000 r·min-1，通過調節(jié)油泵的開度(排量)來控制泵送速度。在這種工作模式下，如果排量低，油泵的使用功率(負載)比較小，發(fā)動機就會出現(xiàn)高轉速、低負載、高能耗的情況。沒有對發(fā)動機與油泵的排量進行功率匹配，造成了不必要的能源浪費，也大大增加了混凝土泵使用單位的運營成本。為了對發(fā)動機的功率特性與油泵負載進行科學合理的匹配，本文對基于CAN總線發(fā)動機與油泵負載的功率匹配進行了深入研究，使發(fā)動機保持在萬有特性曲線中的經(jīng)濟省油區(qū)域工作。

系統(tǒng)控制工作的基本原理為：根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線與混凝土泵的負載變化進行功率匹配，在滿足混凝土泵施工工藝的基礎上，使發(fā)動機在轉速低的經(jīng)濟省油區(qū)運行。選用的油泵是電子恒功率油泵，最大功率為150 kW，額定轉速為2 000 r·min-1，最大開度排量為280 mL·r-1，額定最大壓力為40 MPa。根據(jù)油泵在不同排量的負載情況下所需功率不同，對發(fā)動機轉速與油泵排量進行功率特性匹配，使發(fā)動機負荷率控制在80%左右，實時監(jiān)測、采集發(fā)動機的負荷率情況(功率、扭矩、噴油量等)以及負載壓力。當發(fā)動機負荷率超過90%時，將適當調整發(fā)動機轉速，使其動力功率匹配控制在80%左右，保證發(fā)動機在泵送施工過程中轉速在經(jīng)濟省油區(qū)域內，且不掉速、不熄火，穩(wěn)定可靠。常規(guī)調速過程為：發(fā)動機轉速隨著油泵排量的增加而提高，最大排量對應最大油泵額定轉速2 000 r·min-1；轉速隨著油泵排量的減小而下降，最小排量對應匹配的油泵最小轉速為1 200 r·min-1。發(fā)動機轉速與排量匹配計算如式(1)所示。

V=8F0+1 200

(1)

式中：V為發(fā)動機的設定轉速(r·min-1)；F0為油泵的設定排量比例(%)。

由于在相同排量下轉速的降低將影響泵送速度，為了保證在發(fā)動機轉速降低時的泵送速度，可將油泵排量設定值直接轉化為流量設定值，此時可以推算出設定后發(fā)動機轉速對應匹配的油泵排量。

F1=2 000F0/V

(2)

式中：F1為轉速匹配后油泵的設定排量比例(%)。

經(jīng)過上述發(fā)動機與油泵排量的負載功率匹配處理，既保證了油泵流量(即泵送速度)，又降低了發(fā)動機轉速，使發(fā)動機在經(jīng)濟省油區(qū)工作，達到了節(jié)能降噪的目的。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計主要包括上位機與下位機的軟件系統(tǒng)設計。上位機顯示屏的主要功能是顯示泵送設備的運行參數(shù)，主要包括發(fā)動機的運行信息(發(fā)動機轉速、功率、扭矩以及噴油量)、系統(tǒng)壓力、排量、系統(tǒng)運行狀態(tài)以及報警提示信息與存儲等；下位機軟件系統(tǒng)主要包括發(fā)動機轉速控制模塊、智能泵送控制模塊、發(fā)動機CAN通訊與功率匹配控制模塊。通過結構化文本進行控制程序編寫設計，具體的控制程序設計流程如圖3所示。

圖3 控制程序設計編寫流程

2.3 發(fā)動機保護措施

在泵送施工過程中，由于有的混凝土泵送比較容易，有的比較困難，因此在相同轉速與排量下，泵送系統(tǒng)負載變化，發(fā)動機可能在設定轉速的功率下不能滿足所有工況的需求，造成泵送乏力、堵管、發(fā)動機掉速甚至熄火等一系列問題。所以需要系統(tǒng)具有相應的保護措施，保證混凝土泵的正常工作。

本系統(tǒng)通過控制器的CAN總線實時接收電噴發(fā)動機ECU發(fā)送的轉速、扭矩、功率、噴油量以及油泵上的系統(tǒng)壓力傳感器采集的系統(tǒng)壓力，把發(fā)動機實時工作轉速下的扭矩、功率或噴油量與當前轉速外特性允許的最大扭矩、功率或噴油量進行比較：當采集到的轉速、扭矩、功率或噴油量大于外特性允許的最大扭矩、功率或噴油量時，控制器將自動調節(jié)發(fā)動機至一個滿足泵送工況需求的固定轉速；當控制器檢測到油泵壓力大于恒功率壓力點時，系統(tǒng)將自動限制油泵排量，保證油泵系統(tǒng)恒功率輸出。通過采取上述系統(tǒng)保護措施，可以保證混凝土泵在各種復雜工況下都能正常、平穩(wěn)地工作，以免給混凝土泵的用戶帶來不必要的損失。其保護系統(tǒng)的控制原理如圖4所示。

圖4 保護系統(tǒng)控制原理

3 結 語

綜上所述，經(jīng)過發(fā)動機與負載功率匹配以及采取復雜工況下的發(fā)動機保護措施，混凝土泵可以適應各種復雜工況的泵送施工?；炷帘每偩€發(fā)動機的節(jié)能降噪控制研究成果在筆者所在單位的混凝土車載泵上批量應用，工程實踐表明，以上方法可以達到使混凝土泵總線發(fā)動機節(jié)能降噪的效果。

經(jīng)過售后客戶走訪、設備跟蹤調研以及客戶在使用過程中的油耗統(tǒng)計，在垂直100 m及以下高度可以用低壓節(jié)能模式泵送，綜合油耗為0.5 mL·m-3左右，相比沒有節(jié)能控制的泵(油耗為0.7～1.0 mL·m-3)，節(jié)油比例在30%以上。一臺車載泵每年按泵送50 000 m3混凝土來計算，可以節(jié)省柴油10 000 L，

則每臺設備每年可為用戶節(jié)約使用成本6萬多元，降低了運營成本，帶來了經(jīng)濟效益；同時，發(fā)動機轉速從2 000 r·min-1降到了1 500 r·min-1左右，施工噪聲下降5 dB以上，大大降低了混凝土設備對操作手的身心健康的影響以及對環(huán)境的噪聲污染，得到了廣大混凝土泵用戶及操作手的認可。