挖掘機(jī)的動(dòng)力匹配及性能優(yōu)化

蔡李軍

（卡特彼勒（中國）投資有限公司，上海200050）

挖掘機(jī)的動(dòng)力匹配及性能優(yōu)化

蔡李軍

（卡特彼勒（中國）投資有限公司，上海200050）

主要針對(duì)挖掘機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)的布置匹配和性能匹配進(jìn)行闡述。具體介紹相關(guān)挖掘機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)的布置要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與挖掘機(jī)的動(dòng)力匹配進(jìn)行了優(yōu)化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)使用油耗下降了5%。

挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配優(yōu)化

1 概述

隨著中國國內(nèi)工程機(jī)械快速發(fā)展的步伐，國內(nèi)的挖掘機(jī)市場(chǎng)也在最近3年井噴式的發(fā)展，至去年已達(dá)16.77萬臺(tái)，也打破了原來挖機(jī)市場(chǎng)由外資品牌一家獨(dú)大的格局，三一重工、玉柴重工、柳工等也逐漸建立了自己的市場(chǎng)。然而隨著市場(chǎng)保有量的提高，挖掘機(jī)市場(chǎng)會(huì)從一個(gè)快速增長期過渡到一個(gè)持續(xù)穩(wěn)健的發(fā)展期。在此期間挖掘機(jī)主機(jī)廠和用戶會(huì)越來越關(guān)注產(chǎn)品的使用維護(hù)成本和操作維護(hù)的舒適性。發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配合理與否，直接關(guān)系到整車的性能和后期的使用維護(hù)成本及舒適性。

2 動(dòng)力結(jié)構(gòu)匹配

挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)布置匹配是否合理，不僅僅關(guān)系到整車后期的維護(hù)保養(yǎng)和使用舒適性，也關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)是否能達(dá)到最佳工作狀態(tài)、發(fā)揮它最大的功率[1,2]。下面本文就以配套挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)系統(tǒng)匹配要求進(jìn)行介紹。

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

空濾器的選擇需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的進(jìn)氣量要求進(jìn)行合理匹配。進(jìn)氣量的計(jì)算可參照公式：

總空氣流量=發(fā)動(dòng)機(jī)功率×單位功率所消耗的空氣

注：單位功率所消耗的空氣為5.7m3/(kw·h)

發(fā)動(dòng)機(jī)空濾器布置時(shí)盡量靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管或者增壓器，挖掘機(jī)的空濾器大多布置在車架上，以降低機(jī)罩高度；空濾器進(jìn)氣口需要高于機(jī)罩15 mm，遠(yuǎn)離熱源，減少灰塵進(jìn)入空濾器?？諡V器需要帶阻力報(bào)警開關(guān)。

進(jìn)氣管路與空濾器的阻力應(yīng)低于5 kPa。進(jìn)氣阻力過大會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的功率和扭矩輸出，同時(shí)也會(huì)增加燃油消耗，廢氣排放超標(biāo)。

2.2 排氣系統(tǒng)

消聲器需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流量進(jìn)行選取，接近進(jìn)氣量。降噪效果不小于15 dB(A)。消聲器常布置在飛輪殼上方，降低發(fā)動(dòng)機(jī)布置高度。

排氣管路與消聲器的排氣背壓低于10 kPa。排氣背壓過大也會(huì)與進(jìn)氣阻力一樣影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

2.3 冷卻系統(tǒng)

目前在挖掘機(jī)上應(yīng)用較多的是傳統(tǒng)的非獨(dú)立式散熱系統(tǒng)，部分高端機(jī)上采用獨(dú)立智能型散熱系統(tǒng)。獨(dú)立智能型散熱系統(tǒng)，能較好地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理，降低風(fēng)扇消耗的功率，達(dá)到一個(gè)降低燃油消耗的目的。特別是在環(huán)境溫度相對(duì)較低時(shí)，獨(dú)立智能型散熱系統(tǒng)的降油耗效果會(huì)更明顯。

風(fēng)扇的選取：吸風(fēng)式風(fēng)扇由于進(jìn)氣溫度低，相對(duì)于吹風(fēng)風(fēng)扇而言冷卻效果更好，在挖掘機(jī)上應(yīng)用較普遍。風(fēng)扇葉尖的線速度不要超過86 m/s。風(fēng)扇葉片應(yīng)進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)2/3。

由于挖掘機(jī)空間限制，水箱和中冷器通常采用并聯(lián)布置，其他空調(diào)冷凝器、液壓油散熱器可再與水箱中冷器串聯(lián)。

冷卻系統(tǒng)需要滿足產(chǎn)品在46℃環(huán)境下的使用要求，中冷器要保證中冷后的空氣溫度不能高于環(huán)境溫度25℃。

2.4 潤滑系統(tǒng)

油底殼需要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)35°橫傾和縱傾使用要求，帶放油開關(guān)。部分用戶需要滿足45°的使用要求。

2.5 其他相關(guān)系統(tǒng)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)支撐：發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用彈性4點(diǎn)支撐。

（2）冷起動(dòng)能力：對(duì)于使用環(huán)境溫度在-25℃以上的，需要加裝進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)，目前較成熟的是乙醚加熱和電加熱；環(huán)境溫度在-25℃以下的，還需要加裝燃油加熱，機(jī)油加熱和缸體冷卻液加熱。電瓶也需要換裝低溫高放電電池。

（3）其他：考慮到挖掘機(jī)是單側(cè)維護(hù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油濾清器和機(jī)油濾清器都需要遠(yuǎn)程布置，布置在較易接觸維護(hù)的車架上。油尺需要采用長油尺，機(jī)油加油口需要布置在氣缸蓋罩殼上。起動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)也要盡量布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)側(cè)。

進(jìn)油阻力不能超過17 kPa（在燃油輸送泵前）。進(jìn)油阻力過大會(huì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩輸出。

3 動(dòng)力性能優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)的布置匹配是基礎(chǔ)，性能合理匹配直接關(guān)系到挖掘機(jī)的作業(yè)能力和使用成本。目前挖掘機(jī)市場(chǎng)主要外資品牌動(dòng)力有卡特彼勒、五十鈴、三菱、康明斯、鉑金斯、日野和道依茨。隨著產(chǎn)品競爭的日趨激烈，動(dòng)力總成性能匹配的合理性，將是發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功推廣使用的關(guān)鍵因素。本文就以國內(nèi)某品牌的10 t挖掘機(jī)的性能匹配為例，介紹其分析、設(shè)計(jì)過程，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

前期的發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓傳動(dòng)工作系統(tǒng)匹配計(jì)算、組裝樣試車、產(chǎn)品的應(yīng)用安裝測(cè)試等就可以模擬挖掘機(jī)的正常作業(yè)工況。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)配置

采集發(fā)動(dòng)機(jī)在1小時(shí)內(nèi)的工況運(yùn)行參數(shù)。目前挖掘機(jī)配套動(dòng)力后端連接柱塞式串聯(lián)變量泵，雙泵按全功率變量進(jìn)行控制，兩泵功率之和保持恒定，當(dāng)執(zhí)行單泵動(dòng)作時(shí)，此泵可吸收另一不工作泵的功率，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。整理挖掘機(jī)正常工作時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此數(shù)據(jù)可以通過對(duì)柴油機(jī)的ECM（電控單元）的數(shù)據(jù)整理而得，如表2所示。

燃油消耗率計(jì)算：

燃油消耗率=加權(quán)燃油消耗/加權(quán)功率總和

加權(quán)功率總和＝41.1 kW

加權(quán)燃油消耗＝10.1 kg/h

單位循環(huán)油耗＝245 g/(kW·h)

實(shí)際使用燃油消耗＝12.2 L/h

為了更直觀地研究發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，將表2的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為扭矩、轉(zhuǎn)速與時(shí)間的氣泡圖，見圖1。從圖中可以很明顯地看出發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在1 850 r/min至2 050 r/min的區(qū)間范圍內(nèi)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作區(qū)域

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

然后通過此款柴油機(jī)的萬有特性曲線圖，可以看出挖掘機(jī)常用工況區(qū)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的最低油耗區(qū)。發(fā)動(dòng)機(jī)沒有工作在低油耗區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性較差，影響整機(jī)的使用成本，參見圖2。由于進(jìn)氣增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)的最低油耗區(qū)常在發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩點(diǎn)附近，而本文中配套的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)在1 300 r/min至1 500 r/min之間。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗區(qū)與常用工況區(qū)

所以為了追求最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳油耗特性區(qū)間內(nèi)，就需要調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速至1 900 r/min，其它性能保持不變；同時(shí)還需要對(duì)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，相比原來狀態(tài)，需要選用高流量的液壓泵，液壓系統(tǒng)壓力適當(dāng)增大，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的功率損失。

優(yōu)化后，按相同的試驗(yàn)方法采集相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)，整理的氣泡圖如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后，在挖掘機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在1 650 r/min至1 850 r/min之間。與優(yōu)化前的產(chǎn)品相比，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行扭矩有適當(dāng)提高，轉(zhuǎn)速已大幅度向最低油耗區(qū)靠近。

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率計(jì)算：

加權(quán)功率總和＝41.1 kW

圖3 優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作區(qū)域

加權(quán)燃油消耗＝9.6 kg/h

單位循環(huán)油耗＝234 g/(kW·h)

實(shí)際使用燃油消耗＝11.6 L/h

計(jì)算結(jié)果顯示實(shí)際使用燃油消耗從原來的12.2 L/h降至目前的11.6 L/h，挖掘機(jī)實(shí)際工作油耗下降5%，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，也達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)論

通過對(duì)挖掘機(jī)配套發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化匹配，提高整機(jī)的操作舒適性和使用維護(hù)的成本。

1 Wang D Y,Guan C,Pan S X,et al.Performance Analysis Of Hydraulic Excavator Powertrain Hybridization[J]．Automation in Construction，2009，18(3)．

2 Uehara K,Tominaga H，Energy Saving on Hydraulic Systems of Excavators[C]，SAE 821057．

Match and Optimization of Engine for Excavator Application

Cai Lijun
（Caterpillar(China)Investment Co.,Ltd.,Shanghai 200050,China)

Engine layout and engine performance optimization for excavator application is presented, detailing layout requirement and power match,with which the fuel consumption is reduced by 5%.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.005

來稿日期：2012-07-27

蔡李軍（1983－），男，本科，主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械的動(dòng)力匹配和應(yīng)用。