混凝土泵的自適應(yīng)節(jié)能控制系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究

陳 玲

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州經(jīng)貿(mào)分院，江蘇徐州 221000）

0 引言

拖式混凝土輸送泵（以下簡稱：混凝土泵）是一種利用管道將混凝土輸送到施工現(xiàn)場的建筑機(jī)械。其通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)油缸及與其剛性相連的兩個(gè)輸送缸交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使混凝土不斷地從料斗吸入輸送缸并通過輸送管輸送到施工現(xiàn)場。由于混凝土泵具有泵送壓力高、泵送排量大、泵送成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)場、碼頭、道路、橋梁、建筑房屋等混凝土施工領(lǐng)域，越來越受到用戶的青睞[1]。

混凝土泵屬于大功率、高耗油、負(fù)荷多變的工程機(jī)械設(shè)備，其節(jié)能性的好壞直接關(guān)系到施工成本的高低及環(huán)境污染的程度[2]。目前，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，加之用戶對(duì)設(shè)備使用成本的普遍關(guān)注，油耗問題逐漸成為混凝土泵的核心性能指標(biāo)。然而，目前混凝土泵配置的發(fā)動(dòng)機(jī)是以設(shè)備最大負(fù)載要求進(jìn)行的動(dòng)力匹配，未考慮不同負(fù)載下的動(dòng)力盈余和燃油消耗?；炷帘迷诠ぷ髦?，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速往往被控制在一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，這樣在輕、中載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率很低，造成了極大的能量浪費(fèi)。

混凝土泵的動(dòng)力匹配和燃油消耗問題，引起了業(yè)內(nèi)各大廠家的普遍關(guān)注，紛紛研究節(jié)能控制技術(shù)在設(shè)備中的應(yīng)用。通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性和負(fù)載特性匹配，混凝土泵在工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。然而，由于設(shè)備在工作中，其負(fù)載始終處于動(dòng)態(tài)變化中，當(dāng)前的節(jié)能控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中往往存在泵送速度波動(dòng)、泵送效率不足、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)等問題，且在重負(fù)荷多變工況下極易引起發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙甚至憋停，致使節(jié)能控制的嘗試不僅沒有達(dá)到預(yù)定的節(jié)能效果，反而給正常施工帶來諸多新的問題，嚴(yán)重影響了正常泵送施工進(jìn)度，遭到用戶的普遍抵制，制約了節(jié)能技術(shù)在混凝土泵的發(fā)展和應(yīng)用推廣。

針對(duì)上述問題，本文開發(fā)的工況自適應(yīng)節(jié)能控制系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮工況適應(yīng)和節(jié)能控制，其總原則為在滿足負(fù)載要求及泵送速度要求的前提下，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載工況和發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和泵排量的匹配調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)工況自適應(yīng)的節(jié)能控制。

1 整機(jī)動(dòng)力匹配分析

本文以某公司HBTS80混凝土泵進(jìn)行研究，其整機(jī)參數(shù)及基本配置如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，六缸直列、渦輪增壓、中冷進(jìn)氣散熱，外接散熱器式水冷冷卻系統(tǒng)，缸徑114 mm，排量8.3 L，性能曲線如圖1所示。

表1 HBTS80整機(jī)參數(shù)及基本配置

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)6CTAA8.3－C260性能曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端通過飛輪盤和聯(lián)軸器與三聯(lián)泵相連，進(jìn)行功率傳遞。三聯(lián)泵分別負(fù)責(zé)泵送系統(tǒng)、擺動(dòng)系統(tǒng)和攪拌散熱系統(tǒng)回路油液供給?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)效率及散熱風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)等負(fù)載消耗，在不同轉(zhuǎn)速下的最大凈輸出功率均取0.85的系數(shù)。由于擺動(dòng)系統(tǒng)及攪拌散熱系統(tǒng)的負(fù)載輸出較平穩(wěn)，除去兩者功率消耗外，剩下的功率即為泵送系統(tǒng)可取用的最大功率值。動(dòng)力分配關(guān)系按下式進(jìn)行：

式中：Qp為主泵泵送流量，L/min；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Vp為主泵排量，mL/r；Pe為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出功率，kW；Pp、Ppmax分別為主泵的配額功率和當(dāng)前排量下的最大功率，kW；Tp、Tpmax分別為主泵的配額扭矩和當(dāng)前排量下的最大扭矩，N·m。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線獲取

發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性作為節(jié)能控制系統(tǒng)的核心依據(jù)，是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，輸出轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)，由若干條等燃料消耗率曲線族組成。由于該曲線未包含在發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的技術(shù)資料中，為此，需要通過試驗(yàn)獲取，具體方法為：在發(fā)動(dòng)機(jī)若干固定轉(zhuǎn)速下采集多個(gè)工況點(diǎn)，記錄轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、單位時(shí)間的油耗值，然后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成負(fù)荷特性曲線，用一系列“等比油耗線”截取各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下負(fù)荷特性曲線，取出所得交點(diǎn)的扭矩和曲線自身的轉(zhuǎn)速參數(shù)，將離散點(diǎn)擬合得萬有特性曲線[3]。

測試步驟如下。

（1）在混凝土泵的分配閥出口處安裝開度可調(diào)的水閥，對(duì)混凝土泵進(jìn)行泵水試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)水閥的開口大小來改變水的通流面積，從而改變負(fù)載大小，體現(xiàn)到泵送液壓系統(tǒng)上就是主系統(tǒng)壓力的大小。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管路上設(shè)置油液流量計(jì)，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，既有吸油又有回油，所以分別在吸、回油管路上各安裝一個(gè)流量計(jì)，二者記錄數(shù)據(jù)的差值即為發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)油耗。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值通過CAN總線讀??；通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門加、減開關(guān)來改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小，逐漸調(diào)節(jié)至所需要的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

通過正交試驗(yàn)獲得不同系統(tǒng)壓力和不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的油耗曲線，如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性測試數(shù)據(jù)

通過表2中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin軟件即可制作萬有特性曲線，如圖2所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為泵的吸收扭矩的等價(jià)形式，即系統(tǒng)平均壓力值（單位：MPa）與排量百分比（單位：%）的乘積，所示油耗為混凝土泵工作2 min內(nèi)的油耗。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)6CTAA8.3－C260萬有特性曲線

3 工況自適應(yīng)節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)施

節(jié)能控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，控制器的輸入為負(fù)載壓力pL，油門執(zhí)行器位移l，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne和設(shè)定的流量QL，控制器的輸出為控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的油門執(zhí)行器電壓信號(hào)和控制主泵排量的排量閥電流信號(hào)。

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)框圖

在進(jìn)行初始參數(shù)分配時(shí)，按下式進(jìn)行：

式中：QpN為系統(tǒng)當(dāng)量泵送速度；ne0為發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速，r/min；Vp0為主泵初始排量，mL/r。

將泵送速度從10%～100%分10個(gè)擋位，形成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和主泵排量的10種組合，初始分配情況如表3所示。從表中可以看出，在較低泵送速度（QpN≤50%）階段，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的主泵配額扭矩大于當(dāng)前工況下主泵最大取用扭矩，表明在此階段，發(fā)動(dòng)機(jī)具備充足的扭矩儲(chǔ)備，定義為輕載工況，在此階段作業(yè)時(shí)，控制策略僅考慮使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油工作點(diǎn)。當(dāng)泵送速度較高時(shí)（QpN＞50%），發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的主泵配額扭矩低于當(dāng)前工況下主泵最大取用扭矩，此時(shí)分兩種情況：（1）主泵實(shí)際取用功率小于配額功率時(shí)，定義為中載工況，在此階段作業(yè)時(shí)，控制策略在考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油工作點(diǎn)的同時(shí)，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載原因出現(xiàn)幅度大于200 r/min的掉速時(shí)，適當(dāng)減小主泵輸出排量，相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)來說，尋求新的次優(yōu)工作點(diǎn)；（2）主泵實(shí)際取用功率大于配額功率時(shí)，定義為重載工況，在此階段作業(yè)時(shí)，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)大幅度掉速甚至熄火現(xiàn)象，控制策略僅考慮系統(tǒng)功率匹配，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，不失速、不熄火。

表3 初始工況參數(shù)分配表

這樣，通過動(dòng)力系統(tǒng)分析，定義輕、中、重3種工況并分段給予不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)了工況自適應(yīng)節(jié)能控制的目標(biāo)。

4 試驗(yàn)研究及效果驗(yàn)證

整機(jī)系統(tǒng)設(shè)置正常模式（原系統(tǒng)）與節(jié)能模式（本方案）兩種模式。通過選擇開關(guān)即可在兩種模式間方便切換。在泵送次數(shù)相同、泵送壓力相同的情況下，通過兩種模式的試驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)行節(jié)能效果分析，具體方法如下。

記錄正常模式下1 min泵送次數(shù)、壓力和油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后在節(jié)能模式下，調(diào)整排量旋鈕，使其工作在泵送次數(shù)與正常模式下相同，然后記錄當(dāng)前泵送次數(shù)、壓力、油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過不同負(fù)載，不同泵送速度的測試數(shù)據(jù)整合，得到對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，混凝土泵采用節(jié)能控制后，燃油消耗明顯降低?？偟墓?jié)能效果在3%～26%，平均節(jié)能效果在15%左右，用戶常用泵送速度下（如1 min泵送10、12、14、16次）節(jié)能效果約為16.5%。

圖4 節(jié)能效果對(duì)比曲線

5 結(jié)束語

研究節(jié)能控制技術(shù)在混凝土泵設(shè)備中的應(yīng)用，首先應(yīng)該根據(jù)設(shè)備工況做好負(fù)載的動(dòng)力匹配，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行油耗分析和節(jié)能控制，才能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的目的。本文針對(duì)現(xiàn)有節(jié)能控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問題，進(jìn)行了混凝土泵自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)，總結(jié)如下。

（1）提出了基于設(shè)備工況的穩(wěn)健型節(jié)能控制策略，解決了現(xiàn)有節(jié)能控制中重載荷情況下的失速、熄火等問題的出現(xiàn)。

（2）提出了泵送設(shè)備獲取發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線的具體實(shí)施方法，為節(jié)能控制策略提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）闡釋了燃油消耗測試具體方法，以及不同工況節(jié)能效果的對(duì)比驗(yàn)證。

（4）結(jié)果表明，通過該節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)施，各個(gè)工況下設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)油效果顯著，對(duì)節(jié)能技術(shù)在混凝土泵的開發(fā)應(yīng)用具有很好的借鑒和參考意義。