CN102312827A - 混凝土泵及其泵送控制装置与泵送控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土泵及其泵送控制装置与泵送控制方法，泵送控制装置用于混凝土泵的发动机、主油泵及泵送系统的泵送控制，包括：多个传感器，用于采集转速、排量、泵送次数及压力信号；控制器判断泵送工况是否稳定，是则以节能工作单元的输出进行转速与排量控制；否则以快速响应单元的输出进行转速与排量的控制；快速响应单元，输出能够使泵送系统快速响应泵送工况要求的转速信号与排量信号；所述节能工作单元，计算满足泵送工况要求的所需功率，根据最佳燃油消耗曲线，计算并输出经济转速及相应的主油泵排量。本发明不仅在满足施工要求的前提下大大节约能耗而且可以延长泵车的泵送系统使用寿命。

Description

混凝土泵及其泵送控制装置与泵送控制方法

技术领域

本发明涉及混凝土泵，尤其涉及混凝土泵的泵送控制装置、混凝土泵的泵送控制方法及具有该泵送控制装置的混凝土泵。

背景技术

现有技术中，以柴油发动机为动力单元的混凝土泵(也称为混凝土输送泵)，包括混凝土泵车、拖泵、车载泵等。这些混凝土泵，利用柴油机输出动力，通过与柴油机相连的恒功率变量泵及与之相连的液压系统将能量传递至泵送液压缸，通过液压缸活塞的往复运动将混凝土泵送至要求位置，即泵送过程中存在“发动机——泵”，“泵——液压系统”之间的能量传递。

现有技术中，为了使发动机输出功率及扭矩均能满足泵送系统各种泵送工况要求，常以系统最大输出功率为基准进行柴油发动机工作状态的设定，其主要特征为预设发动机处于某固定转速下，发动机处于该固定转速下时其输出的功率可满足混凝土泵送所有工况要求，此种方法虽然可以满足混凝土泵应用要求，但在80％以上的使用过程中柴油发动机均处于高油耗率工作状态，因而造成较高的油耗，并且对周边环境也会产生不必要的排放及噪音污染。

为降低油耗及排放，现有技术中通常的做法是简单设定发动机功率模式，对发动机转速进行分档设置，针对典型工况划分为重载、经济和轻载等几个转速区间，重载模式用于提供最大泵送速度，轻载模式主要用于小方量泵送施工，经济模式能提供中等泵送速度，但混凝土施工非一般单一工况作业，要求泵送系统根据要求随时改变泵送速度，采用简单设定发动机功率方法难以对泵送工况的改变进行快速自适应响应。

公开号为CN101086232A(发明名称为“一种混凝土输送泵的节能控制方法”、公开日为2007年12月12日)的中国专利，其为解决该问题采用根据负载压力及泵送速度，通过数据库查询法去选择不同的油门位置以对应不同的发动机转速和主油泵排量范围以实现发动机输出功率与泵送施工要求工况自适应响应。

但是该方法没有在满足施工要求的前提下使发动机完全工作于低油耗率状态，且由于数据库容量及数据采集量的限制，使数据库内容难以完全覆盖泵送系统全部实际工况，节能效果没有达到最优。

为实现最佳节油降噪效果，公开号为US7,322,802B2(专利名称为THICKMATTER PUMP COMPRISING A CONVEYANCE CAPCITY CONTROLSYSTEM)的美国专利，公开了“发动机——主油泵——负载”的完全匹配法，即在泵送开始前事先确定泵送工况，车载计算机通过节能计算，自动给出最佳发动机与泵的功率匹配模式以实现最佳节能效果。

但是该方法是以追求节能最大化而制定的，要求操作人员首先输入确定的混凝土泵送速度、混凝土标号等参数，实际工作过程中操作较为繁琐，对泵工有较高的技术要求，需要对泵工进行较细致的技术培训。

综上，目前国内混凝土泵送行业急需一种既能适应国内混凝土施工条件、操作简单便利、可以快速响应施工要求、满足施工速度并且可以达到较高的节油效果的混凝土泵送系统控制技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种泵送控制装置，以适应国内混凝土施工条件、操作简单便利、可以快速响应施工要求、满足施工速度并且可以达到较高的节油效果。

本发明的目的还在于提供一种泵送控制方法，以适应国内混凝土施工条件、操作简单便利、可以快速响应施工要求、满足施工速度并且可以达到较高的节油效果。

本发明的另一目的为提供一种具有本发明泵送控制装置的混凝土泵。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种泵送控制装置，用于混凝土泵的发动机、主油泵及混凝土泵送系统的泵送控制，其特征在于，所述泵送控制装置包括：多个传感器，用于采集发动机转速、主油泵的排量、泵送系统的泵送次数及泵送压力信号，并将所采集信号传送于控制器；控制器，所述控制器包括快速响应单元及节能工作单元；判断泵送工况是否稳定，若是，则以所述节能工作单元的输出控制所述发动机转速与主油泵排量；若否，则以所述快速响应单元的输出控制所述发动机转速与主油泵排量；所述快速响应单元，输出能够使所述泵送系统快速响应泵送工况要求的发动机转速信号与主油泵排量信号；所述节能工作单元，计算满足泵送工况要求的所需功率，根据现场试验获得的最佳燃油消耗曲线，计算并输出使得发动机工作在该所需功率要求下的经济转速及相应的主油泵排量。

本发明的泵送控制装置，优选的，所述多个传感器包括采集发动机转速信号的转速传感器、采集主油泵排量电流信号的排量传感器、采集泵送系统压力的压力传感器及用以计算混凝土泵送系统当前泵送速度的泵送次数计数器。

本发明的泵送控制装置，优选的，所述泵送控制装置还具有：发动机控制单元，接收所述转速传感器的转速信号与控制器输出的转速信号，以PID控制方式控制发动机ECU驱动油门执行器使发动机转速保持在稳定范围内；主油泵控制单元，接收所述排量传感器的主油泵排量电流信号与控制器输出的排量信号，以PID控制方式对主油泵的实时排量进行精确控制。

本发明的泵送控制装置，优选的，所述控制器根据泵送次数信号、泵送压力信号和主油泵斜盘开度信号判断泵送工况是否稳定。

一种泵送控制方法，用于混凝土泵的发动机、主油泵及混凝土泵送系统的泵送控制，所述泵送控制方法包括步骤：通过传感器采集发动机转速、主油泵的排量、混凝土泵送系统的泵送次数及泵送压力信号；控制器接收所述发动机转速、主油泵的排量、混凝土泵送系统的泵送次数及泵送压力信号后，通过计算判断泵送工况是否稳定，若否，则进入快速响应模式，迅速提升发动机转速与主油泵排量，使泵送系统快速响应泵送工况要求；若是，则进入节能工作模式，计算满足泵送工况要求的所需功率，根据现场试验获得的最佳燃油消耗曲线，计算并输出使得发动机工作在该所需功率要求下的经济转速及相应的主油泵排量。

本发明的泵送控制方法，优选的，所述泵送系统开机时，控制器进行参数初始化，并根据泵送施工要求以所述快速响应模式控制发动机转速及主泵排油量。

本发明的泵送控制方法，优选的，进入节能工作模式后，控制器继续监控泵送状态，通过对发动机转速及主油泵排量的微调来修正与泵送工况要求的偏差。

本发明的泵送控制方法，优选的，通过PID控制方式对所述发动机转速及主油泵排量进行微调。

本发明的泵送控制方法，优选的，所述泵送压力超过泵送系统承受压力的一警戒值时，所述控制器降低所述主油泵排量以保护所述泵送系统。

一种混凝土泵，该混凝土泵具有本发明的泵送控制装置。

本发明的有益效果在于，本发明的泵送控制装置及泵送控制方法，是一种具有节能功能的混凝土泵送机构控制系统及控制策略，其特点在于具有快速响应模式和节能工作模式，并且系统可以自动在两种模式间快速转换，以满足对施工要求的快速响应及节能减排的要求。本发明的泵送控制装置和控制方法，采用PID控制方式来稳定发动机转速及主油泵排量，采用数学模型计算方式合理匹配发动机——泵——负载之间关系。不仅在满足施工要求的前提下大大节约能耗而且可以延长泵车的泵送系统使用寿命。

附图说明

图1A：为本发明优选实施例的泵送控制装置的示意图。

图1B：为本发明另一实施例的泵送控制装置的示意图。

图2：为本发明优选实施例的泵送控制方法的流程图。

图3：为本发明实施例的泵送控制方法的发动机最佳燃油消耗曲线图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的混凝土泵，具有本发明实施例的泵送控制装置。本发明实施例的混凝土泵优选的为混凝土泵车，也可为其他类型的混凝土泵，例如拖泵和车载泵。

下面以混凝土泵车为例具体介绍本发明实施例的泵送控制装置及泵送控制方法。

本发明实施例的泵送控制装置及泵送控制方法，用于混凝土泵车的发动机、主油泵(又称主变量液压泵)及泵送系统的泵送控制。

本发明为解决现有技术中存在的问题，提供泵送控制装置及泵送控制方法，可以使以柴油机为动力单元的混凝土泵送系统，在工作过程中有较快的响应速度来满足实时变化的泵送工况；在泵送工况稳定(或称泵送系统进入稳定工作状态)时，即泵送系统以稳定的泵送次数进行泵送作业时，按照匹配模型的运算，使发动机转速和主油泵排量合理匹配，在满足驱动要求和协调泵送系统控制运转的前提下，降低发动机的油耗量和排放。

根据本发明的泵送控制方法及泵送控制装置，当以柴油机为动力单元的泵送系统启动后，该控制装置按快速响应模式控制泵送系统按照施工要求进行快速响应，发动机以较高转速(相对于经济转速而言的较高转速)运行使泵送系统能在较短时间进入稳定工作状态；当泵送系统进入稳定工作状态后根据系统各个工作参数调整发动机转速和主油泵排量使之合理匹配进入节能工作模式。

本发明实施例的泵送控制装置中，包括多个传感器，具体为：主油泵排量电流传感器，向控制器反馈变量泵排量电流；泵送系统压力传感器，向控制器反馈泵送系统压力，及反馈泵送系统的负载情况；泵送次数计数器，自动计算当前泵送速度，并向控制器反馈。

本发明实施例的泵送控制装置具有发动机控制单元和主油泵控制单元，用于在泵送稳定状态下实现对发动机转速进行稳速控制和对主油泵排量进行精确调节，以上的稳速控制和精确调节，也可称之为对发动机转速和主油泵排量的微调。

所述发动机控制单元，其作用是接收发动机转速传感器传来的表示发动机实时转速的转速信号以及控制器传来的经过匹配计算所给定的发动机目标转速(在泵送工况稳定状态下，该目标转速通常为经济转速)，通过PID控制方式，控制柴油机油门执行器动作以使所述发动机维持所述目标转速，使发动机以经济转速稳定运行以减小排放及环境噪音；其中，在处于泵送非稳定状态时，转速传感器需同时向控制器反馈发动机的实时转速；而达到泵送稳定状态后，转速传感器可以不向控制器反馈发动机的实时转速。

所述发动机控制单元，其作用是接收排量传感器传来的表示主油泵实时转速的排量电流信号以及控制器传来的经过匹配计算所给定的相应的主油泵排量，通过PID控制方式，对主油泵的实时排量进行精确调节；其中，在处于泵送非稳定状态时，排量传感器需同时向控制器反馈主油泵的实时排量；而达到泵送稳定状态后，排量传感器可以不向控制器反馈主油泵的实时排量。

同样，本发明的泵送控制装置也可以不具有上述起微调作用的发动机控制单元和主油泵控制单元，而由控制器直接控制发动机及主油泵的转速。其结构如图1B所示。该实施例，只是不具有微调的功能。

本发明的泵送控制装置，在进入泵送稳定状态以后，需要根据发动机——泵——负载最佳匹配数学模型进行匹配计算。该最佳匹配数学模型，例如为如图3所示的利用现场试验数据制作的柴油机最佳燃油消耗曲线图，该曲线图的横坐标代表转速，纵坐标代表扭矩。通过以上的发动机——泵——负载最佳匹配数学模型计算得到的最佳发动机转速及主油泵排量，在满足泵送各子系统正常运行的前提下达到最佳功率匹配效果以实现节能减排。

本发明所涉及的混凝土泵车泵送控制系统及控制策略主要目的是以满足泵送工况要求为前提，在满足泵送工况要求的情况下，根据本发明所构建的柴油机——泵最佳匹配模型计算得到合理的经济转速、发动机扭矩、主油泵排量，并通过本发明所述发动机控制单元控制发动机的转速保持在最佳工作转速上，并控制主油泵排量到最佳匹配值，使整个泵送系统实现功率及扭矩的合理匹配，达到节能减排的目的。

以下结合附图1A、图2和图3对本发明的泵送控制装置及泵送控制方法做进一步详细说明。

首先介绍快速响应模式：

如图1A和图2所示，本发明的泵送控制装置，系统启动开机后，作为泵送系统主控模块的控制器进行参数初始化，控制器根据现场施工要求，以控制发动机转速及主油泵排量，泵送系统将快速响应泵送要求，迅速提升发动机转速及主油泵排量以满足泵送次数、泵送压力、臂架移动等泵车各系统工作要求。当系统泵送速度稳定且臂架移动到位后，系统根据稳定判据判定泵车已进入泵送稳定状态后，系统将以节能工作模式运行。进入泵送稳定状态后，其实质应是泵送次数的稳定，以及发动机转速及主油泵排量在微调与修改范围内的稳定。

其中判断泵车已进入泵送稳定状态的稳定判据，可以来自对泵送次数信号、泵送压力信号及主油泵斜盘开度信号(表示主油泵的排量信息)之中至少一方检测信息的稳定。

下面再介绍泵送稳定状态下的节能工作模式：

当泵送系统进入泵送稳定状态以后，本发明的泵送控制装置将以节能工作模式运行，即泵送速度、系统压力、发动机转速、主油泵排量输入到本发明所构建的泵送系统理论匹配计算模型及发动机最佳燃油消耗模型，计算得到此泵送工况条件下发动机最佳工作转速(以节油为目的的最佳)、主油泵排量，实现泵送系统的转速与扭矩的最佳匹配。通过PID控制发动机转速及主油泵排量，对转速与扭矩进行微调。同时控制器继续监控泵送状态，计算节能匹配后泵送系统运行状态与快速响应模式中系统稳定状态的差别，通过对发动机转速及主油泵排量的微调来修正由泵送系统和节能匹配数学模型上的误差造成的节能匹配后系统工作参数与施工要求的偏差。

当泵工调整泵送参数(通过按动排量增减按钮实现，这也是国内混凝土施工条件的局限性)，如增加、减小泵送次数，移动泵车臂架时，本发明所述泵送控制装置将跳出节能工作模式，转回到快速响应模式，使泵送系统快速响应泵送施工要求的改变，即快速响应新的泵送工况要求。

本发明的泵送控制方法，可设定一警戒值，该警戒值代表泵送系统所能承受的最大压力，当系统发生故障泵送压力超过该警戒值时，控制器将降低主油泵排量，以保护泵送系统。

最后，介绍一下如何通过泵送系统理论匹配计算模型及发动机最佳燃油消耗模型，进行相关的匹配计算：

泵车液压泵送系统的动力来源包括主油泵(功率P1)、换向油泵(功率P2)、搅拌系统油泵(功率P3)、臂架运动油泵(功率P4)，各泵通过分动箱与泵车动力输出系统相连(PTO，功率P5)，因此发动机取力器功率可有以下的公式1表示：

P5＝(P1+P2+P3+P4)/η_i    公式1

其中，η_i为各油泵传递总效率。

另外，设发动机输出有效功率为P，则有公式2：

P＝P5/η_j    公式2

其中，η_j为取力器效率。

因此，通过主油泵压力传感器和液压子系统压力传感器传来的压力值，可以计算得到泵送系统所需扭矩Me，而所需发动机扭矩可有公式3表示：

Mb＝Me/Nj    公式3

其中，Nj为分动箱传动比。

根据式上述的公式1、公式2和公式3，发动机转速n_e与发动机功率P及发动机扭矩Mb、泵送液压系统效率η_k之间的的函数表达式为：

n_e＝f1(P，Mb，η_k，N)＝f2(V，p，η_k，N)    公式4

其中的函数f1由上述的公式1、公式2和公式3推导得到。其中函数f2为本发明所述的发动机——泵——负载最佳匹配数学模型所确定的函数，其中V代表排量，p代表泵送系统压力(即负载)，N代表泵送次数，该函数f2例如为图3所确定的发动机最佳燃油消耗曲线中选取的局部曲线所代表的函数。以上公式中的各效率取值通常是由设备的本身属性所确定的，与泵送系统的运行状况无关。

通过公式4即可计算出需要输出的发动机转速值与主油泵排量值。因此，本发明的泵送控制方法，是一种模型匹配的方法，而并不是现有技术中的数据库查询法。同时，本发明也不要求操作人员首先输入确定的混凝土泵送速度、混凝土标号等参数，本发明实际工作过程中的操作不再繁琐，对泵工不需要较高的技术要求，更无须对泵工进行技术培训。

通过对泵送系统在满足泵送工况要求时所需发动机功率的计算，根据系统压力、泵送实时次数、及各液压系统工作效率计算得相应的主油泵排量及发动机转速，使发动机工作在该功率要求下的经济转速附近。而对于发动机而言，在相同功率下，转速越低，则越省油。例如在快速响应模式下，较高转速为1500时，在节能工作模式下的转速则为1300，可以省油约15％，达到了节能减排的目的。

本发明的技术方案已由优选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泵送控制装置，用于混凝土泵的发动机、主油泵及混凝土泵送系统的泵送控制，其特征在于，所述泵送控制装置包括：

多个传感器，用于采集发动机转速、主油泵的排量、泵送系统的泵送次数及泵送压力信号，并将所采集信号传送于控制器；

控制器，所述控制器包括快速响应单元及节能工作单元；判断泵送工况是否稳定，若是，则以所述节能工作单元的输出控制所述发动机转速与主油泵排量；若否，则以所述快速响应单元的输出控制所述发动机转速与主油泵排量；

所述快速响应单元，输出能够使所述泵送系统快速响应泵送工况要求的发动机转速信号与主油泵排量信号；

所述节能工作单元，计算满足泵送工况要求的所需功率，根据现场试验获得的最佳燃油消耗曲线，计算并输出使得发动机工作在该所需功率要求下的经济转速及相应的主油泵排量。

2.如权利要求1所述的泵送控制装置，其特征在于，所述多个传感器包括采集发动机转速信号的转速传感器、采集主油泵排量电流信号的排量传感器、采集泵送系统压力的压力传感器及用以计算混凝土泵送系统当前泵送速度的泵送次数计数器。

3.如权利要求2所述的泵送控制装置，其特征在于，所述泵送控制装置还具有：

发动机控制单元，接收所述转速传感器的转速信号与控制器输出的转速信号，以PID控制方式控制发动机ECU驱动油门执行器使发动机转速保持在稳定范围内；

主油泵控制单元，接收所述排量传感器的主油泵排量电流信号与控制器输出的排量信号，以PID控制方式对主油泵的实时排量进行精确控制。

4.如权利要求2所述的泵送控制装置，其特征在于，所述控制器根据泵送次数信号、泵送压力信号或主油泵斜盘开度信号判断泵送工况是否稳定。

5.一种泵送控制方法，用于混凝土泵的发动机、主油泵及混凝土泵送系统的泵送控制，其特征在于，所述泵送控制方法包括步骤：

通过传感器采集发动机转速、主油泵的排量、混凝土泵送系统的泵送次数及泵送压力信号；

控制器接收所述发动机转速、主油泵的排量、混凝土泵送系统的泵送次数及泵送压力信号后，通过计算判断泵送工况是否稳定，若否，则进入快速响应模式，迅速提升发动机转速与主油泵排量，使泵送系统快速响应泵送工况要求；

若是，则进入节能工作模式，计算满足泵送工况要求的所需功率，根据现场试验获得的最佳燃油消耗曲线，计算并输出使得发动机工作在该所需功率要求下的经济转速及相应的主油泵排量。

6.如权利要求5所述的泵送控制方法，其特征在于，所述泵送系统开机时，控制器进行参数初始化，并根据泵送施工要求以所述快速响应模式控制发动机转速及主泵排油量。

7.如权利要求5或6所述的泵送控制方法，其特征在于，进入节能工作模式后，控制器继续监控泵送状态，通过对发动机转速及主油泵排量的微调来修正与泵送工况要求的偏差。

8.如权利要求7所述的泵送控制方法，其特征在于，通过PID控制方式对所述发动机转速及主油泵排量进行微调。

9.如权利要求5或6所述的泵送控制方法，其特征在于，所述泵送压力超过泵送系统承受压力的一警戒值时，所述控制器降低所述主油泵排量以保护所述泵送系统。

10.一种混凝土泵，其特征在于，该混凝土泵具有权利要求1-4任一所述的泵送控制装置。

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