混凝土泵車(chē)閉式液壓系統(tǒng)節(jié)能控制策略研究與實(shí)施

1、59CONSTRUCTION MACHINERY 2013.1專(zhuān)題研究SPECIAL RESEARCH混凝土泵車(chē)閉式液壓系統(tǒng)節(jié)能控制策略研究與實(shí)施石 峰,沈千里,安東亮(徐州徐工混凝土機(jī)械有限公司,江蘇 徐州 221004摘要根據(jù)閉式混凝土泵車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)探討了其節(jié)能控制策略,在保證系統(tǒng)負(fù)載流量和系統(tǒng)功率需求的基礎(chǔ)上,通過(guò)不同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量的復(fù)合控制,實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能效果,為工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的實(shí)施提供參考。關(guān)鍵詞混凝土泵車(chē);節(jié)能;復(fù)合控制中圖分類(lèi)號(hào)TU646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B 文章編號(hào)1001-554X (201301-0059-03Research and conduct

2、of power saving strategy on closed hydraulic systemfor mounted concrete pump truckSHI Feng ,SHEN Qian -li ,AN Dong -liang為貫徹國(guó)家節(jié)能減排的環(huán)保政策,降低混凝土機(jī)械使用成本,動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)成為混凝土機(jī)械廠家的新課題。由于結(jié)構(gòu)緊湊、沖擊小、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),閉式液壓系統(tǒng)混凝土泵車(chē)為業(yè)界廣泛采用。為此,本文針對(duì)采用閉式系統(tǒng)的混凝土泵車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出采用自適應(yīng)PID 控制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和閉式泵排量進(jìn)行復(fù)合控制的節(jié)能方法,并具體介紹其控制策略和實(shí)施方法。1 動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理目前,柴油機(jī)動(dòng)

3、力系統(tǒng)在各種工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性通常通過(guò)其萬(wàn)有特性來(lái)衡量。以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo),以輸出轉(zhuǎn)矩或汽缸平均輸出壓力為縱坐標(biāo),可以繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)等功率曲線簇和等燃油消耗曲線簇,顯然,在某一功率下等功率曲線和等燃油消耗曲線的切點(diǎn)為該功率下的最經(jīng)濟(jì)燃油點(diǎn),沿切點(diǎn)形成的線即為發(fā)動(dòng)機(jī)在不同功率下的最經(jīng)濟(jì)工作曲線。動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的目標(biāo),就是通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量,使系統(tǒng)在不同功率下工作時(shí)都處在最經(jīng)濟(jì)工作曲線上。發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵有如下動(dòng)力學(xué)關(guān)系P e =T e n e (1P p =T p n p =p L Q L (2Q L =Vn p pv (3T e =T p i /m (4n e =n p /i (5P

4、e =T e n e =T p n p /m =p L Vn p /m Pm =p L Q L /pv Pm m(6式中 P e ,P p 發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵輸出功率;T e ,T p 發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵輸出轉(zhuǎn)矩;n e ,n p 發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵輸出軸轉(zhuǎn)速;pv ,Pm 變量泵容積效率和機(jī)械效率; m 發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵之間的傳動(dòng)效率;i發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵之間的傳動(dòng)比; V變量泵排量;p L 變量泵負(fù)載壓力;Q L 變量泵輸出流量。泵車(chē)泵送過(guò)程中,通常模式是使發(fā)動(dòng)機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速下工作,負(fù)載流量Q L 僅與變量泵排量V 成正收稿日期2012-06-18通訊地址石峰,江蘇省徐州市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)桃山路29號(hào)60建筑機(jī)械

5、2013.1(上半月刊專(zhuān)題研究SPECIAL RESEARCH比關(guān)系,而負(fù)載壓力p L 由外負(fù)載決定,當(dāng)系統(tǒng)處于中載或輕載工況時(shí),泵送系統(tǒng)所需功率大大低于泵的輸出功率,多余的功率以各種形式在系統(tǒng)中消耗,造成極大的能量浪費(fèi)。由式(6可以看出,在不同負(fù)載壓力p L 下,通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n e 和變量泵排量V ,在滿(mǎn)足同樣負(fù)載流量Q L 和系統(tǒng)所需功率P p 的情況下,可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)工作曲線上,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的目的。2 節(jié)能控制策略閉式泵送液壓系統(tǒng)采用雙向變量泵,變量機(jī)構(gòu)為位移-力反饋結(jié)構(gòu)的伺服機(jī)構(gòu),泵的排量正比于閥的先導(dǎo)控制壓力,通過(guò)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行泵送排量和換向的控制。其節(jié)能控

6、制系統(tǒng)框圖如圖1所示,控制器的輸入為負(fù)載壓力p L ,比例閥的先導(dǎo)控制壓力p c ,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n e 和設(shè)定的負(fù)載流量Q L ,控制器通過(guò)p c 和泵排量之間的關(guān)系間接得到泵的排量,并計(jì)算滿(mǎn)足系統(tǒng)負(fù)載和流量要求的最經(jīng)濟(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量匹配,分別輸出控制信號(hào);通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)開(kāi)度,通過(guò)控制比例溢流閥的比例電磁鐵控制泵的斜盤(pán)位置,并通過(guò)實(shí)測(cè)n e 和p c 進(jìn)行閉環(huán)反饋PID 調(diào)節(jié),考慮混凝土泵送作業(yè)的復(fù)雜多變工況,為避免控制系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào)和振蕩,控制系統(tǒng)采用PID 參數(shù)可調(diào)的自適應(yīng)控制。p C p L Q Ln e控制器發(fā)動(dòng)機(jī)速度編碼器圖1 閉式混凝土泵送系統(tǒng)節(jié)能控制系

7、統(tǒng)框圖具體控制過(guò)程如下:(1啟動(dòng)系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵分別工作在控制系統(tǒng)設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速n e 0和初始排量V 0;(2根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載p L 和設(shè)定的負(fù)載流量Q L 由式(2、式(6計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率;(3根據(jù)確定的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作曲線,得出在此負(fù)載下的最佳工作轉(zhuǎn)速,作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo);(4根據(jù)式(3、式(5得出相應(yīng)的泵排量,作為泵排量的控制目標(biāo)。在控制過(guò)程中,需要注意以下幾點(diǎn):(1考慮動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)效率和泵送負(fù)載的波動(dòng)等因素,在不同的系統(tǒng)負(fù)載下,發(fā)動(dòng)機(jī)功率都應(yīng)留有5%10%左右的功率儲(chǔ)備;(2在某些輕載大流量場(chǎng)合,如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下,將無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)流量要求,此時(shí)需要犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性能,通

8、過(guò)增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以滿(mǎn)足系統(tǒng)流量要求;(3考慮控制系統(tǒng)為閉環(huán),負(fù)載信號(hào)的過(guò)大波動(dòng)有可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等故障,為此,負(fù)載信號(hào)的采集應(yīng)避開(kāi)換向過(guò)程中的壓力波動(dòng)階段,從換向后延時(shí)一段時(shí)間開(kāi)始采集,并連續(xù)采集若干值,去極值后進(jìn)行算術(shù)平均濾波;(4正常泵送過(guò)程中,若混凝土料變稠或發(fā)生堵管,系統(tǒng)負(fù)載會(huì)突然變大,此時(shí)通過(guò)降低主泵排量來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載,保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)避免熄火。3 節(jié)能效果試驗(yàn)將開(kāi)發(fā)的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用于52m泵車(chē)上進(jìn)行節(jié)能對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證該系統(tǒng)的節(jié)能效果。整車(chē)主要相關(guān)參數(shù)如下:底盤(pán)型號(hào)CYH51Y 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 6WF1D 發(fā)動(dòng)機(jī)功率/kW/(r/min287/1800發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/Nm/(r

9、/min1863/1100主泵排量/(mL/r250發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速(節(jié)能前/(r/min1600通過(guò)打水試驗(yàn)進(jìn)行節(jié)能前后的燃油消耗測(cè)試。為分別研究負(fù)載及系統(tǒng)流量變化對(duì)節(jié)能性的影響,進(jìn)行了兩組對(duì)比試驗(yàn)。3.1 不同負(fù)載流量的節(jié)能試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)料斗出口水閥的開(kāi)度進(jìn)行負(fù)載設(shè)置,本次試驗(yàn)將主泵出口壓力調(diào)節(jié)為p L=150MPa,表1為選擇不同排量擋位時(shí)的燃油數(shù)據(jù)。將表中數(shù)據(jù)處理為節(jié)能率曲線以便于分析,如圖2所示。圖中可以看出,負(fù)載流量較小時(shí),節(jié)能效果明顯,在負(fù)載流量小于400L/min時(shí),平均達(dá)到15%左右;而在負(fù)載流量達(dá)到400L/min之后,隨流量增加節(jié)能率迅速減小,至最大流量時(shí)節(jié)能效果已經(jīng)不明顯。

10、表1 不同負(fù)載流量下的節(jié)能對(duì)比負(fù)載流量/(L/min節(jié)能前燃油消耗/(L/30min節(jié)能后燃油消耗/(L/30min2007.4505 6.5103 2507.3497 6.3957 3007.2384 6.2808 3507.134 6.1695 4007.0173 6.0678 450 6.8913 6.0084 500 6.7368 6.0072 550 6.5775 6.066 600 6.4314 6.1527 2007.4505 6.5103 2507.3497 6.39571816141210864200250300350400450500550600650負(fù)載流量/(L/min

11、節(jié)能率/%圖2 恒定負(fù)載下不同負(fù)載流量的節(jié)能率3.2 不同負(fù)載下的節(jié)能試驗(yàn)將系統(tǒng)排量擋位設(shè)為7擋(對(duì)應(yīng)系統(tǒng)流量約QL=400L/min,調(diào)節(jié)水閥開(kāi)度進(jìn)行不同負(fù)載情況下的燃油消耗對(duì)比試驗(yàn)。表2為試驗(yàn)燃油數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為節(jié)能率如圖3。圖中可以看出,在負(fù)載p L從100200MPa的變化過(guò)程中,節(jié)能前后的節(jié)能情況與圖2有類(lèi)似特點(diǎn),負(fù)載小于150MPa時(shí),節(jié)能率較高,平均達(dá)到15%左右;負(fù)載大于此值后,隨負(fù)載增加節(jié)能率迅速減小,至200MPa時(shí),節(jié)能率不足10%。表2 不同負(fù)載下的節(jié)能對(duì)比系統(tǒng)負(fù)載/MPa節(jié)能前燃油消耗/(L/30min節(jié)能后燃油消耗/(L/30min 1007.003 6.064110

12、6.913 6.014120 6.797 6.001130 6.671 6.027140 6.542 6.084150 6.430 6.154160 6.353 6.219170 6.321 6.266180 6.347 6.303190 6.449 6.333200 6.626 6.364以上兩組實(shí)驗(yàn)表明:通過(guò)節(jié)能控制后,系統(tǒng)節(jié)能效果明顯,特別是在負(fù)載處于中小功率段時(shí),(下轉(zhuǎn)第66頁(yè)61CONSTRUCTION MACHINERY 2013.166建筑機(jī)械 2013.1(上半月刊專(zhuān)題研究SPECIAL RESEARCH表2 所測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果攪拌方式攪拌電機(jī)電流平均值/A攪拌電機(jī)電流方差振動(dòng)攪

13、拌29.6021.57普通強(qiáng)制攪拌31.3738.08值降低了5.64%。這表明振動(dòng)攪拌時(shí)產(chǎn)生的能量場(chǎng)使物料顆粒間的摩擦力和粘著力減小,進(jìn)而物料作用于攪拌裝置上的運(yùn)動(dòng)阻力降低,使攪拌電流明顯降低,可有效減小攪拌裝置的磨損,提高其使用壽命;與普通強(qiáng)制攪拌相比,振動(dòng)攪拌電流波動(dòng)性小,電流方差降低了約43.4%,表明其攪拌過(guò)程更加平穩(wěn)。4 結(jié)論(11m 3雙臥軸振動(dòng)工業(yè)樣攪拌機(jī)在攪拌速度1.6m/s ,激振頻率29.4Hz 時(shí),較佳的攪拌時(shí)間為40s ,比普通強(qiáng)制攪拌縮短了10s ,且強(qiáng)度提高了38.76%,振動(dòng)攪拌能夠有效提高混凝土的攪拌質(zhì)量和效率。(2在攪拌時(shí)間為40s ,減水泥量為10%時(shí),振

14、動(dòng)攪拌的混凝土抗壓強(qiáng)度仍?xún)?yōu)于不減水泥的普通強(qiáng)制攪拌,且強(qiáng)度提高了3.9%。說(shuō)明振動(dòng)攪拌的確可以有效減少水泥的用量,實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù) 發(fā)展。(3振動(dòng)攪拌工業(yè)樣機(jī)不僅能夠有效地降低攪拌電機(jī)的電流值,減小攪拌裝置的磨損,提高其使用壽命,而且能夠很好地減小攪拌過(guò)程中的電流波動(dòng),攪拌過(guò)程更加平穩(wěn)。參考文獻(xiàn)1 張海旺. 重視房?jī)r(jià)上漲對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響N . 人民日?qǐng)?bào),2005-2-22(8.2 馮忠緒. 混凝土攪拌理論與設(shè)備M . 北京:人民交通出版社,2001.3 趙利軍,張磊,馮忠緒等. 混凝土振動(dòng)攪拌的合理振動(dòng)參數(shù)J . 混凝土,2009,(12:126-128. 4 趙利軍,馮忠緒. 雙臥軸攪拌機(jī)葉片排

15、列的試驗(yàn)J .長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2004,(2:94-96.5 趙利軍,張磊,馮忠緒. 混凝土振動(dòng)攪拌合理激振方式研究J . 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(7:51- 54.1816141210864100120140160180200220系統(tǒng)負(fù)載/MPa節(jié)能率/%圖3 恒定流量下不同負(fù)載的節(jié)能率節(jié)能達(dá)15%以上。本系統(tǒng)中,當(dāng)負(fù)載流量Q L =400L/min ,p L =140MPa 時(shí),節(jié)能效果最佳,節(jié)能接近16%。而類(lèi)似的負(fù)載工況,為現(xiàn)場(chǎng)施工中很常見(jiàn)的情況,從而可為實(shí)際施工中較高節(jié)能率的實(shí)現(xiàn)提供有力保障。4 結(jié)論本文根據(jù)閉式混凝土泵車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)探討了其節(jié)能控制策略,結(jié)果表明:根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和燃油消耗曲線,通過(guò)在不同工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量進(jìn)行復(fù)合控制可以在滿(mǎn)足工況要求的前提下實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果,特別是在負(fù)載處于中小功率段,節(jié)能效果明顯,平均節(jié)能達(dá)15% 以上。參考文獻(xiàn)1 烏建中,牛新旺. 工程機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能控制策略. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)J ,1997,(12.2 武四輩,曾發(fā)林. 混凝土泵車(chē)節(jié)能用油門(mén)模糊PID