CN110905674A - 起重机功率匹配控制方法及系统、起重机 - Google Patents

起重机功率匹配控制方法及系统、起重机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种起重机功率匹配控制方法及系统、起重机，其中，控制方法包括：根据操作手柄的角度，输出与操作手柄的角度成比例的控制电流来控制多路阀的开口度；根据控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率；根据预设的发动机的最佳工作曲线，获得需求功率对应的发动机最佳转速，以使发动机的油耗最小；以最佳转速控制发动机运行。该控制方法根据使用者对操作手柄和油门踏板的操作，通过功率匹配算法，使发动机始终工作在燃油经济性最佳的工况，避免发动机工作在低速大负载或发动机高速小负载的工况；而且无需依赖使用者的经验，可降低操作难度。

Description

起重机功率匹配控制方法及系统、起重机
技术领域
本发明涉及工程机械控制领域，尤其涉及一种起重机功率匹配控制方法及系统、起重机。
背景技术
目前采用电控比例多路阀和负载敏感泵系统的汽车起重机有如下特点：手柄和油门分别单独控制比例多路阀的开度和发动机的转速；负载敏感泵的设定压差为定值；由比例多路阀开口度决定的系统流量与由泵的排量和发动机转速所决定的系统流量相等。
当用户操作的发动机转速足够高时，为了使泵决定的流量与比例多路阀决定的流量相适应，泵的排量就要小于泵的最大排量，而如果恰巧此时是轻负载，发动机就工作在了高速小负载扭矩的工况，燃油经济性差。
目前采用电控比例多路阀和负载敏感泵系统的汽车起重机使用过程中，为了获得较好的发动机燃油经济性，需要凭经验匹配手柄倾角和油门倾角，司机的操作难度大，且难以使发动机工作在燃油经济性最佳的工况。
发明内容
本发明的实施例提供了一种起重机功率匹配控制方法及系统、起重机，能够提高发动机工作的燃油经济性。
本发明的实施例一方面提供了一种起重机功率匹配控制方法，包括：
根据操作手柄的角度，输出与操作手柄的角度成比例的控制电流来控制多路阀的开口度；
根据控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率；
根据预设的发动机的最佳工作曲线，获得需求功率对应的发动机最佳转速，以使发动机的油耗最小；
以最佳转速控制发动机运行。
在一些实施例中，根据控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率的步骤包括：
根据操作手柄的角度计算出由多路阀的开口度决定的流量需求；
根据油门踏板的位置、最大发动机转速和液压泵的最大排量计算出由油门踏板决定的液压泵可提供的最大流量；
将流量需求和最大流量中偏小的流量值确定为液压系统的实际需求流量；
根据实际需求流量和液压泵的出口压力计算出液压泵的需求功率。
在一些实施例中，多路阀的开口度决定的流量需求Q1通过如下公式计算：
Q1＝kα
其中，k为操作手柄的角度与流量需求对应的比例系数，α为操作手柄的角度。
在一些实施例中，由油门踏板的位置决定的液压泵可提供的最大流量Q2通过如下公式计算：
Figure BDA0002339836980000021
其中，Vmax为液压泵的最大排量，nmax为发动机的最大转速，nmin为发动机的最小转速，θ为油门踏板位置，θmax为油门踏板最大位置。
在一些实施例中，控制方法还包括预设发动机的最佳工作曲线，具体包括：
绘制发动机的等比油耗曲线；
绘制发动机的功率曲线；
将等比油耗曲线与功率曲线的形成的切点，确定为当前功率时的最佳工作点；
将不同功率下对应的最佳工作点相连获得最佳工作曲线。
在一些实施例中，考虑液压泵的工作效率绘制发动机的等比油耗曲线，等比油耗曲线的横坐标为液压泵的转速，纵坐标为液压泵的等效输出扭矩。
在一些实施例中，在考虑液压泵的工作效率的情况下，绘制发动机的等比油耗曲线的步骤包括：
通过测功机测得发动机比油耗ge与发动机转速n和输出扭矩T的第一对应关系ge＝f(T,n)；
将比油耗数据的扭矩T乘以液压泵的总效率η、发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的等效输出扭矩Tp；
将发动机的转速n除以发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的转速np＝n/z；
根据第一对应关系求出发动机比油耗ge与液压泵的转速np、液压泵的等效输出扭矩Tp的第二对应关系
Figure BDA0002339836980000031
根据第二对应关系绘制发动机的等比油耗曲线。
在一些实施例中，若液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax不能达到等比油耗曲线中的最大等效输出扭矩，在确定最佳工作曲线时，对于超过液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax的曲线段，纵坐标恒定为最大等效输出扭矩Tpmax。
在一些实施例中，控制方法还包括：
将预设的发动机的最佳工作曲线转化为发动机最佳转速与需求功率之间的函数关系。
本发明另一方面提供了一种起重机功率匹配控制系统，用于执行上述实施例的起重机功率匹配控制方法。
本发明再一方面提供了一种起重机，包括液压系统上述实施例的起重机功率匹配控制系统，所述液压系统用于控制所述起重机的上车作业。
本发明实施例的起重机功率匹配控制方法，根据使用者对操作手柄和油门踏板的操作，通过功率匹配算法，使发动机始终工作在燃油经济性最佳的工况，避免发动机工作在低速大负载或发动机高速小负载的工况；而且无需依赖使用者的经验，可降低操作难度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明起重机功率匹配控制方法的一些实施例的流程示意图；
图2为本发明起重机功率匹配控制方法的工作原理图；
图3为的发动机等比油耗曲线；
图4为考虑液压泵的工作效率的等比油耗曲线。
具体实施方式
以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被起重机认为是优选的或有利的特征组合。
本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。
此外，当元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者可以间接地在所述另一元件上并且在它们之间插入有一个或更多个中间元件。另外，当元件被称作“连接到”另一元件时，该元件可以直接连接到所述另一元件，或者可以间接地连接到所述另一元件并且在它们之间插入有一个或更多个中间元件。在下文中，同样的附图标记表示同样的元件。
本发明中采用了“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系的描述，这仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
现有电控比例多路阀和负载敏感泵系统汽车起重机的速度控制方法及系统是：手柄控制比例多路阀的换向，电子油门踏板控制发动机的转速，并且两者互不影响。用户在使用时，会存在发动机低速大负载或发动机高速小负载的工况，此工况下发动机的燃油经济性较差。
有鉴于此，本发明提供了一种起重机功率匹配控制方法，后续简称“控制方法”，用于控制起重机的上车作业，包括起重臂的变幅、伸缩和回转。该控制方法可由控制器执行。
在驾驶室内设有操作手柄和油门踏板，起重臂不同的作业类型可通过操作不同的操作手柄实现，通过操作手柄和踩踏油门踏板均可控制作业速度，这两种操作综合作用决定作业速度，两种操作的先后顺序不限，亦可同时工作。例如，在操作手柄达到最大角度后仍未达到所需的作业速度，可通过油门踏板提高发动机的转速区间；或者也可踩踏油门踏板，再通过操作手柄调节作业速度。
在一些实施例中，如图1所示，该控制方法包括：
步骤101、根据操作手柄的角度，输出与操作手柄的角度成比例的控制电流来控制多路阀的开口度；
步骤102、根据控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率；
步骤103、根据预设的发动机的最佳工作曲线，获得需求功率对应的发动机最佳转速，以使发动机的油耗最小；
步骤104、以最佳转速控制发动机运行。
步骤101至104顺序执行。当操作手柄的角度和油门踏板的位置改变时，重新计算发动机最佳转速。该实施例的起重机功率匹配控制方法，根据使用者对操作手柄和油门踏板的操作，控制器通过功率匹配算法，使发动机始终工作在燃油经济性最佳的工况，避免发动机工作在低速大负载或发动机高速小负载的工况；而且无需依赖使用者的经验，可降低操作难度。
在一些实施例中，步骤102根据控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率的步骤包括：
步骤201、根据操作手柄的角度计算出由多路阀的开口度决定的流量需求Q1；
步骤202、根据油门踏板的位置、最大发动机转速和液压泵的最大排量计算出由油门踏板决定的液压泵可提供的最大流量Q2；
步骤203、将流量需求Q1和最大流量Q2中偏小的流量值Q＝min(Q1，Q2)确定为液压系统的实际需求流量；
步骤204、根据实际需求流量和液压泵的出口压力计算出液压泵的需求功率，液压泵的出口压力通过压力传感器检测。
步骤202至204顺序执行，操作手柄的控制量决定了液压泵的流量需求，油门踏板的控制量决定了液压泵的供油能力，即可提供的最大流量。在流量需求较小时，可提供的最大流量冗余，只需要按照流量需求确定液压泵的需求功率；在流量需求较大，但可提供的最大流量小于需求流量时，也只能在液压泵的工作能力范围内按照可提供的最大流量供油。因此，选择两者中偏小的流量值可以准确地确定实际的流量需求，以使发动机工作在燃油消耗量较小的工况。
其中，步骤201中多路阀的开口度决定的流量需求Q1通过如下公式计算：
Q1＝kα
其中，k为操作手柄的角度与流量需求对应的比例系数，α为操作手柄的角度，由于操作手柄的角度与控制电流呈线性关系，也就相当于根据控制电流计算流量需求。
步骤202由油门踏板的位置决定的液压泵可提供的最大流量Q2通过如下公式计算：
Figure BDA0002339836980000061
其中，Vmax为液压泵的最大排量；nmax为发动机的最大转速；nmin为发动机的最小转速，在不踩踏油门踏板时，发动机仍会以一定速度转动；θ为油门踏板位置；θmax为油门踏板最大位置。
在一些实施例中，该控制方法还包括：
步骤100、预设发动机的最佳工作曲线；步骤100可在步骤103之前执行，具体包括：
步骤100A、绘制发动机的等比油耗曲线，包括一系列油耗曲线，每一条油耗曲线上的油耗相同，参考图3；
步骤100B、绘制发动机的功率曲线，包括一系列功率曲线，每一条曲线上发动机的功率消耗相同；
步骤100C、将等比油耗曲线与功率曲线的形成的切点，确定为当前功率时的最佳工作点；参考图4，对于任意一条油耗曲线和与之相切的功率曲线，在同等功率下，以切点对应的转速为基准增加或减小转速时，功率曲线位于油耗曲线外侧，燃油消耗量与切点相比均会增加，由此在最佳工作点的燃油消耗量最小；
步骤100D、将不同功率下对应的最佳工作点相连获得最佳工作曲线，参考图4。
该实施例通过等比油耗曲线与功率曲线共同确定发动机的最佳工作点，以此确定出发动机在燃油消耗最小的情况下的工作转速，能够通过功率匹配算法，使发动机始终工作在燃油经济性最佳的工况，避免发动机工作在低速大负载或发动机高速小负载的工况。
在一些实施例中，如图4所示，考虑液压泵的工作效率绘制发动机的等比油耗曲线，等比油耗曲线的横坐标为液压泵的转速n，纵坐标为液压泵的等效输出扭矩Tp。
通过考虑液压泵的工作效率，能够更准确地确定出基于液压泵转速和等效输出扭矩的等比油耗曲线，以便根据液压泵的需求功率确定发动机的转速。其中，液压泵的工作效率受到转速、排量和输出压力的影响，可通过对液压泵进行测试获得。
在考虑液压泵的工作效率的情况下，步骤100A绘制发动机的等比油耗曲线的步骤包括：
通过测功机测得发动机比油耗ge与发动机转速n和输出扭矩T的第一对应关系ge＝f(T,n)；
将比油耗数据的扭矩T乘以液压泵的总效率η、发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的等效输出扭矩Tp；
将发动机的转速n除以发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的转速np＝n/z；
根据第一对应关系求出发动机比油耗ge与液压泵的转速np、液压泵的等效输出扭矩Tp的第二对应关系
Figure BDA0002339836980000081
根据第二对应关系绘制发动机的等比油耗曲线，如图4所示。
在该实施例中，根据液压泵不同转速np与等效输出扭矩Tp时，发动机的比油耗数据，绘制发动机的等比油耗曲线，功率曲线与发动机的等比油耗曲线的切点，就是当前功率W(i)时的最佳工作点(Tp(i,j),np(i,j))，W(i)通过如下公式得到：
Figure BDA0002339836980000082
其中Tp(i,j)、np(i,j)受如下条件约束：
Figure BDA0002339836980000083
(C(i)为常数，i＝1、2、3、…，j＝1、2、3、…)
将不同功率的最佳工作点相连可以求出最佳工作曲线。
在另一些实施例中，本发明的控制方法还包括：将预设的发动机的最佳工作曲线转化为发动机最佳转速与需求功率之间的函数关系n＝g(W)。该实施例能够在获得需求功率后，可直接通过函数关系确定发动机的最佳转速，可简化控制方式，提高控制效率。
在一个具体的实施例中，如图4所示，为最佳工作曲线求解的实例：发动机的等比油耗曲线如图3所示，为通过测功机对发动机进行测试取得。
通过公式Tp＝T×z×η与np＝n/z可以得出以液压泵的转速np为横坐标和等效输出扭矩Tp为纵坐标的发动机等比油耗曲线，如图4所示。图4中的实线为等比油耗曲线，虚线为等功率曲线。等功率曲线与等比油耗曲线的切点就是最佳工作点，将最佳工作点连接在一起就是最佳工作曲线。
在实际中，受限于液压泵的排量和出口压力大小，若液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax不能达到图4曲线中的最大等效输出扭矩，在确定最佳工作曲线时，对于超过液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax的曲线段，其纵坐标恒定为最大等效输出扭矩Tpmax。
其次，本发明还提供了一种起重机功率匹配控制系统，用于执行上述实施例的起重机功率匹配控制方法。
该功率匹配控制系统保留了传统起重机的操作手柄和油门踏板，操作方法与传统起重机相比无明显差别。控制器会自动匹配比例多路阀控制电流和发动机转速，达到节能的目的。
再次，本发明还提供了一种起重机，包括液压系统和上述实施例的起重机功率匹配控制系统，液压系统用于控制起重机的上车作业。
下面通过图2来说明此种控制系统的工作原理。操作者通过操作手柄和油门踏板同时发出对上车作业进行控制的信号，根据操作手柄的角度α，输出与操作手柄的角度α成比例的控制电流来控制多路阀的开口度，以控制液压系统中的负载工作。控制器同时接收多路比例阀的控制电流、油门踏板的位置θ和液压系统压力P，通过全局功率匹配算法，由最佳工作曲线确定出发动机的最佳转速n。
以上对本发明所提供的一种起重机功率匹配控制方法及系统、起重机进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种起重机功率匹配控制方法，包括：
根据操作手柄的角度，输出与所述操作手柄的角度成比例的控制电流来控制多路阀的开口度；
根据所述控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率；
根据预设的发动机的最佳工作曲线，获得所述需求功率对应的发动机最佳转速，以使所述发动机的油耗最小；
以所述最佳转速控制所述发动机运行。
2.根据权利要求1所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，根据所述控制电流、油门踏板的位置和液压泵的出口压力，计算出液压泵的需求功率的步骤包括：
根据所述操作手柄的角度计算出由多路阀的开口度决定的流量需求；
根据油门踏板的位置、最大发动机转速和液压泵的最大排量计算出由所述油门踏板决定的液压泵可提供的最大流量；
将所述流量需求和所述最大流量中偏小的流量值确定为液压系统的实际需求流量；
根据所述实际需求流量和所述液压泵的出口压力计算出液压泵的需求功率。
3.根据权利要求2所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，多路阀的开口度决定的流量需求Q1通过如下公式计算：
Q1＝kα
其中，k为所述操作手柄的角度与所述流量需求对应的比例系数，α为操作手柄的角度。
4.根据权利要求2所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，由所述油门踏板的位置决定的液压泵可提供的最大流量Q2通过如下公式计算：
Figure FDA0002339836970000021
其中，Vmax为液压泵的最大排量，nmax为发动机的最大转速，nmin为发动机的最小转速，θ为油门踏板位置，θmax为油门踏板最大位置。
5.根据权利要求1所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，还包括预设发动机的最佳工作曲线，具体包括：
绘制发动机的等比油耗曲线；
绘制发动机的功率曲线；
将所述等比油耗曲线与所述功率曲线的形成的切点，确定为当前功率时的最佳工作点；
将不同功率下对应的所述最佳工作点相连获得所述最佳工作曲线。
6.根据权利要求5所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，考虑所述液压泵的工作效率绘制发动机的等比油耗曲线，所述等比油耗曲线的横坐标为所述液压泵的转速，纵坐标为液压泵的等效输出扭矩。
7.根据权利要求6所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，在考虑液压泵的工作效率的情况下，绘制发动机的等比油耗曲线的步骤包括：
通过测功机测得发动机比油耗ge与发动机转速n和输出扭矩T的第一对应关系ge＝f(T,n)；
将比油耗数据的扭矩T乘以液压泵的总效率η、发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的等效输出扭矩Tp；
将发动机的转速n除以发动机与液压泵的传动比z，得到液压泵的转速np＝n/z；
根据所述第一对应关系求出发动机比油耗ge与液压泵的转速np、液压泵的等效输出扭矩Tp的第二对应关系
Figure FDA0002339836970000022
根据所述第二对应关系绘制发动机的等比油耗曲线。
8.根据权利要求6所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，若液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax不能达到等比油耗曲线中的最大等效输出扭矩，在确定所述最佳工作曲线时，对于超过液压泵的最大等效输出扭矩Tpmax的曲线段，纵坐标恒定为最大等效输出扭矩Tpmax。
9.根据权利要求1所述的起重机功率匹配控制方法，其特征在于，还包括：
将预设的发动机的最佳工作曲线转化为发动机最佳转速与所述需求功率之间的函数关系。
10.一种起重机功率匹配控制系统，其特征在于，用于执行权利要求1～9任一所述的起重机功率匹配控制方法。
11.一种起重机，其特征在于，包括液压系统和权利要求10所述的起重机功率匹配控制系统，所述液压系统用于控制所述起重机的上车作业。
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