混凝土泵车闭式液压系统节能控制策略研究与实施

1、59CONSTRUCTION MACHINERY 2013.1专题研究SPECIAL RESEARCH混凝土泵车闭式液压系统节能控制策略研究与实施石 峰,沈千里,安东亮(徐州徐工混凝土机械有限公司,江苏 徐州 221004摘要根据闭式混凝土泵车动力系统的特点探讨了其节能控制策略,在保证系统负载流量和系统功率需求的基础上,通过不同工况下对发动机转速和变量泵排量的复合控制,实现了较好的节能效果,为工程机械动力系统节能的实施提供参考。关键词混凝土泵车;节能;复合控制中图分类号TU646 文献标识码B 文章编号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为贯彻国家节能减排的环保政策,降低混凝土机械使用成本,动力系统节能技术成为混凝土机械厂家的新课题。由于结构紧凑、冲击小、节能等优点,闭式液压系统混凝土泵车为业界广泛采用。为此,本文针对采用闭式系统的混凝土泵车结构特点,提出采用自适应PID 控制对发动机转速和闭式泵排量进行复合控制的节能方法,并具体介绍其控制策略和实施方法。1 动力系统节能机理目前,柴油机动

3、力系统在各种工况下的燃油经济性通常通过其万有特性来衡量。以发动机转速为横坐标,以输出转矩或汽缸平均输出压力为纵坐标,可以绘制出发动机等功率曲线簇和等燃油消耗曲线簇,显然,在某一功率下等功率曲线和等燃油消耗曲线的切点为该功率下的最经济燃油点,沿切点形成的线即为发动机在不同功率下的最经济工作曲线。动力系统节能的目标,就是通过调节发动机转速和变量泵排量,使系统在不同功率下工作时都处在最经济工作曲线上。发动机和变量泵有如下动力学关系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 发动机和变量泵输出功率;T e ,T p 发动机和变量泵输出转矩;n e ,n p 发动机和变量泵输出轴转速;pv ,Pm 变量泵容积效率和机械效率; m 发动机和变量泵之间的传动效率;i发动机和变量泵之间的传动比; V变量泵排量;p L 变量泵负载压力;Q L 变量泵输出流量。泵车泵送过程中,通常模式是使发动机在恒定转速下工作,负载流量Q L 仅与变量泵排量V 成正收稿日期2012-06-18通讯地址石峰,江苏省徐州市经济开发区桃山路29号60建筑机械

5、2013.1(上半月刊专题研究SPECIAL RESEARCH比关系,而负载压力p L 由外负载决定,当系统处于中载或轻载工况时,泵送系统所需功率大大低于泵的输出功率,多余的功率以各种形式在系统中消耗,造成极大的能量浪费。由式(6可以看出,在不同负载压力p L 下,通过改变发动机转速n e 和变量泵排量V ,在满足同样负载流量Q L 和系统所需功率P p 的情况下,可以使发动机工作在最经济工作曲线上,从而实现动力系统节能的目的。2 节能控制策略闭式泵送液压系统采用双向变量泵,变量机构为位移-力反馈结构的伺服机构,泵的排量正比于阀的先导控制压力,通过调节变量机构进行泵送排量和换向的控制。其节能控

6、制系统框图如图1所示,控制器的输入为负载压力p L ,比例阀的先导控制压力p c ,发动机转速n e 和设定的负载流量Q L ,控制器通过p c 和泵排量之间的关系间接得到泵的排量,并计算满足系统负载和流量要求的最经济的发动机转速和变量泵排量匹配,分别输出控制信号;通过控制步进电机调节发动机的油门开度,通过控制比例溢流阀的比例电磁铁控制泵的斜盘位置,并通过实测n e 和p c 进行闭环反馈PID 调节,考虑混凝土泵送作业的复杂多变工况,为避免控制系统产生大的超调和振荡,控制系统采用PID 参数可调的自适应控制。p C p L Q Ln e控制器发动机速度编码器图1 闭式混凝土泵送系统节能控制系

7、统框图具体控制过程如下:(1启动系统,发动机和变量泵分别工作在控制系统设定的初始转速n e 0和初始排量V 0;(2根据系统负载p L 和设定的负载流量Q L 由式(2、式(6计算发动机功率;(3根据确定的发动机最佳工作曲线,得出在此负载下的最佳工作转速,作为发动机转速的控制目标;(4根据式(3、式(5得出相应的泵排量,作为泵排量的控制目标。在控制过程中,需要注意以下几点:(1考虑动力系统传动效率和泵送负载的波动等因素,在不同的系统负载下,发动机功率都应留有5%10%左右的功率储备;(2在某些轻载大流量场合,如果发动机工作在最佳经济转速下,将无法满足系统流量要求,此时需要牺牲一定的经济性能,通

8、过增大发动机转速以满足系统流量要求;(3考虑控制系统为闭环,负载信号的过大波动有可能导致系统失稳和发动机熄火等故障,为此,负载信号的采集应避开换向过程中的压力波动阶段,从换向后延时一段时间开始采集,并连续采集若干值,去极值后进行算术平均滤波;(4正常泵送过程中,若混凝土料变稠或发生堵管,系统负载会突然变大,此时通过降低主泵排量来降低发动机负载,保护发动机避免熄火。3 节能效果试验将开发的节能控制系统应用于52m泵车上进行节能对比试验,验证该系统的节能效果。整车主要相关参数如下:底盘型号CYH51Y 发动机型号 6WF1D 发动机功率/kW/(r/min287/1800发动机最大转矩/Nm/(r

9、/min1863/1100主泵排量/(mL/r250发动机工作转速(节能前/(r/min1600通过打水试验进行节能前后的燃油消耗测试。为分别研究负载及系统流量变化对节能性的影响,进行了两组对比试验。3.1 不同负载流量的节能试验通过调节料斗出口水阀的开度进行负载设置,本次试验将主泵出口压力调节为p L=150MPa,表1为选择不同排量挡位时的燃油数据。将表中数据处理为节能率曲线以便于分析,如图2所示。图中可以看出,负载流量较小时,节能效果明显,在负载流量小于400L/min时,平均达到15%左右;而在负载流量达到400L/min之后,随流量增加节能率迅速减小,至最大流量时节能效果已经不明显。

10、表1 不同负载流量下的节能对比负载流量/(L/min节能前燃油消耗/(L/30min节能后燃油消耗/(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负载流量/(L/min

11、节能率/%图2 恒定负载下不同负载流量的节能率3.2 不同负载下的节能试验将系统排量挡位设为7挡(对应系统流量约QL=400L/min,调节水阀开度进行不同负载情况下的燃油消耗对比试验。表2为试验燃油数据,转换为节能率如图3。图中可以看出,在负载p L从100200MPa的变化过程中,节能前后的节能情况与图2有类似特点,负载小于150MPa时,节能率较高,平均达到15%左右;负载大于此值后,随负载增加节能率迅速减小,至200MPa时,节能率不足10%。表2 不同负载下的节能对比系统负载/MPa节能前燃油消耗/(L/30min节能后燃油消耗/(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以上两组实验表明:通过节能控制后,系统节能效果明显,特别是在负载处于中小功率段时,(下转第66页61CONSTRUCTION MACHINERY 2013.166建筑机械 2013.1(上半月刊专题研究SPECIAL RESEARCH表2 所测数据处理结果搅拌方式搅拌电机电流平均值/A搅拌电机电流方差振动搅

13、拌29.6021.57普通强制搅拌31.3738.08值降低了5.64%。这表明振动搅拌时产生的能量场使物料颗粒间的摩擦力和粘着力减小,进而物料作用于搅拌装置上的运动阻力降低,使搅拌电流明显降低,可有效减小搅拌装置的磨损,提高其使用寿命;与普通强制搅拌相比,振动搅拌电流波动性小,电流方差降低了约43.4%,表明其搅拌过程更加平稳。4 结论(11m 3双卧轴振动工业样搅拌机在搅拌速度1.6m/s ,激振频率29.4Hz 时,较佳的搅拌时间为40s ,比普通强制搅拌缩短了10s ,且强度提高了38.76%,振动搅拌能够有效提高混凝土的搅拌质量和效率。(2在搅拌时间为40s ,减水泥量为10%时,振

14、动搅拌的混凝土抗压强度仍优于不减水泥的普通强制搅拌,且强度提高了3.9%。说明振动搅拌的确可以有效减少水泥的用量,实现资源的可持续 发展。(3振动搅拌工业样机不仅能够有效地降低搅拌电机的电流值,减小搅拌装置的磨损,提高其使用寿命,而且能够很好地减小搅拌过程中的电流波动,搅拌过程更加平稳。参考文献1 张海旺. 重视房价上涨对经济的影响N . 人民日报,2005-2-22(8.2 冯忠绪. 混凝土搅拌理论与设备M . 北京:人民交通出版社,2001.3 赵利军,张磊,冯忠绪等. 混凝土振动搅拌的合理振动参数J . 混凝土,2009,(12:126-128. 4 赵利军,冯忠绪. 双卧轴搅拌机叶片排

15、列的试验J .长安大学学报(自然科学版,2004,(2:94-96.5 赵利军,张磊,冯忠绪. 混凝土振动搅拌合理激振方式研究J . 武汉理工大学学报,2010,32(7:51- 54.1816141210864100120140160180200220系统负载/MPa节能率/%图3 恒定流量下不同负载的节能率节能达15%以上。本系统中,当负载流量Q L =400L/min ,p L =140MPa 时,节能效果最佳,节能接近16%。而类似的负载工况,为现场施工中很常见的情况,从而可为实际施工中较高节能率的实现提供有力保障。4 结论本文根据闭式混凝土泵车动力系统的特点探讨了其节能控制策略,结果表明:根据发动机的功率和燃油消耗曲线,通过在不同工况下对发动机转速和变量泵排量进行复合控制可以在满足工况要求的前提下实现较好的节能效果,特别是在负载处于中小功率段,节能效果明显,平均节能达15% 以上。参考文献1 乌建中,牛新旺. 工程机械动力系统节能控制策略. 同济大学学报J ,1997,(12.2 武四辈,曾发林. 混凝土泵车节能用油门模糊PID