CN113062397A - 一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法，属于工程机械挖掘机技术领域。本方法利用万有特性曲线、调速特性曲线和最佳油耗曲线，并使主控制器在预设的工况和功率下，不断调整发动机的转速，直到寻找到工作模式对应的功率下油耗最小的转速，并将油耗最小的转速设为该工作模式下的转速目标值。根据各参数构建多元参数矩阵，以实现任意泵出口压力下，发动机‑液压泵‑阀之间的最佳匹配关系。最终通过匹配关系实现实时功率的匹配。

Description

一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法
技术领域
本发明属于工程机械挖掘机技术领域，具体涉及一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法。
背景技术
液压挖掘机是我国基础设施建设的主要工程机械设备，广泛应用于道路施工，桥梁架设，建筑施工，矿山开采等各种工程领域中。液压挖掘机挖掘的物料主要是以煤矿石、土壤、岩石、以及经过预松后的土壤和泥沙为主，其作业工况比较恶劣，负载变化大，动力系统输出功率和需求功率不匹配，容易过热，发动机经常不在经济耗油区域，无法以经济模式进行作业，排放污染较大，燃料消耗率高，能量利用率低。
在挖掘机实际的作业过程中，由于挖掘机经常工作在不同的作业工况下，矿山挖掘时需要发动机功率输出高，精细平整作业时变量泵需求功率小，发动机扭矩经常工作在最佳油耗曲线之外，存在着大量的能量损失，包括节流损失、溢流损失、动臂下降过程中的势能损失和节流损失、操作阀中位时的能量损失、发动机与液压系统功率匹配不好而引起的损失等。因此根据作业工况的不同，需要设置不同的工况以充分发挥发动机的动力性以及经济性，对发动机和液压泵匹配进行优化，满足不同需求。
参考文献(尚涛,赵丁选,肖英奎,国香恩,金立生,张红彦.液压挖掘机功率匹配节能控制系统[J].吉林大学学报(工学版),2004(04):592-596.)以转速传感控制方式实现了发动机-泵的功率匹配，由微机控制调节多路阀阀口开度,实现了负载-泵的功率匹配。参考文献(柳波,何清华,杨忠炯.发动机-变量泵功率匹配极限负荷控制[J].中国机械工程,2007(04):500-503.)基于电比例控制变量泵跟随发动机转速偏差变化的吸收功率的匹配控制原理，提出了变量泵随发动机功率变化进行功率匹配的动态调节方法。参考文献(李嫒敏.液压挖掘机分工况功率匹配研究[D].吉林大学,2020.)分别从泵-负载、发动机-液压泵两方面进行匹配，一方面通过对发动机油门的控制，改变发动机扭矩，进而控制发动机的输出功率；另一方面从负载出发，使发动机的输出转速和扭矩适应负载的需求。
由此可以看出，现阶段的技术大部分都是根据当前的压力直接调整发动机转速，避免掉速，再控制液压泵的排量使发动机功率与液压泵功率匹配，随后控制阀的开度，实现发动机-液压泵-阀的匹配。但是这样往往会存在一个问题，发动机-液压泵-阀的匹配都可能不在最佳油耗曲线上，导致其油耗还是比较大。本发明充分考虑到这一点，提供了一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法，通过建立功率匹配规则库，实现任意时刻挖掘机的发动机-液压泵-阀的匹配都处于最佳油耗线上。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法，能利用动力系统的功率满足挖机作业需求，从而达到提高作业效率及减少能量损耗的目的。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是提供了一种挖掘机节能控制方法，其步骤是：
(1)压力传感器检测挖掘机先导手柄的先导压力和挖掘机的泵出口压力，主控制器判断当前工况；
(2)主控制器根据挖掘机的工况以及对应工况下预设的泵出口压力范围设置不同的工作模式、工作挡位，以及该挡位下的功率；
(3)将具有坐标一致的万有特性曲线和调速特性曲线叠加起来，并使最佳油耗曲线与调速特性曲线相交，在交点上能反映以下几种信息，包括发动机的转速、输出扭矩、调速杆位置、输出功率。其中，转速n和输出扭矩M，或者输出功率P和调速杆位置
Figure BDA0002993589360000031
每一对数据都能唯一地确定最佳油耗点的位置，将最佳油耗曲线以转速n和输出扭矩M数据对，或输出功率P和调速杆位置
Figure BDA0002993589360000032
数据对存储在主控制器中。
(4)主控制器在预设的工况和功率下，不断调整发动机的转速，直到寻找到步骤(2)中工作模式对应的功率下油耗最小的转速，并将油耗最小的转速设为该工作模式下的转速目标值；
(5)主控制器在步骤(2)所设工作挡位下的功率以及步骤(4)确认的油耗最小转速条件下，以步骤(4)的转速目标值运转设定的时间后，由主控制器获取运转时间内主泵比例减压阀的电流值以及发动机平均油耗值；
(6)重复步骤(1)至步骤(5)；获得每个工作模式下不同工作挡位下对应的最佳油耗工作点，通过最佳油耗工作点获得相应的泵出口压力、发动机的功率、发动机的扭矩、发动机的转速、比例减压阀电流、主阀开度之间的参数关系，构建多元参数矩阵，即功率匹配规则库，以实现任意泵出口压力下，发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系；
(7)在挖掘机工作时，压力传感器检测先导手柄的先导压力和挖掘机的泵出口压力，主控制器判断所处工况、工作模式和工作挡位，根据步骤(6)确定的功率匹配规则库中发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系，匹配其他的参数值；主控制器将匹配后的参数值作为目标值，来控制挖掘机的转速、比例减压阀电流、主阀开度，实现工作模式下挖掘机的发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配。
(8)当挖掘机工作突然负载剧增时，此时压力传感器检测泵出口压力的变化值，同时转速传感器检测发动机转速变化，并利用步骤(6)确定的功率匹配规则库中发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系，得到当前泵出口压力下的液压泵比例减压阀电流和发动机转速、扭矩的目标值；然后根据减压阀实际电流与目标值的偏差大小，采用模糊PID控制方法，偏差越大，则减小电流，减小扭矩，增大转速，控制发动机转速以及扭矩，稳步达到目标值，使液压泵的功率等于发动机在当前转速下的最佳油耗工作点的功率值，从原最佳油耗工作点转变到另一最佳油耗工作点。
本发明的有益效果是：
1.建立了挖掘机的功率匹配规则库，有效地解决了挖掘机在实际工作时的功率不匹配问题。
2.实现了挖掘机可以在任意时刻快速稳定地达到挖掘机的发动机-液压泵-阀的最佳功率匹配，降低了能量损耗。
3.实现了自动选择工作模式、挡位，解决了操作人员由于经验不足而导致的挡位设定不对，从而造成的输出功率过大导致的燃油浪费的问题。
附图说明
图1是发动机工作特性曲线图。
图2是发动机不同模式下转矩示意图。
图3是挖掘机整机控制流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明基于这样的原理：由于液压挖掘机外负载具有多变性，尤其是在高转速，小负载的情况下；另一方面，操作人员对工况估计不足，不可能时刻精确调节发动机油门位置液压挖掘机的发动机经常工作在非经济区域。本发明通过建立挖掘机动态匹配规则库，并实时监测当前工况下的泵出口压力、转速的变化，实时比较计算规则库中预设的目标值，判断此时的排量/流量需求。
本发明提供了一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法，其步骤是：
(1)检测挖掘机先导手柄的先导压力和挖掘机的泵出口压力，主控制器判断当前工况以及对应的工作模式，挖掘机的工作模式根据其工况，一般设为轻载模式，重载模式，经济模式，怠速模式，破碎模式；
(2)挖掘机功率控制器根据挖掘机的工况以及对应工况下预设的泵出口压力范围设置不同的工作模式，工作挡位，以及该挡位下的功率，怠速模式设置1-3挡，功率设为60kW；轻载模式设为4-8挡，功率设为75-175kW；经济模式设为9挡，功率设为185kW；重载模式设为10-12挡，功率设为200-235kW；破碎模式设为13-15挡，功率设为100-120kW。
(3)将万有特性曲线和调速特性曲线叠加起来(两者坐标是一致的)，使经济工作曲线与调速特性曲线相交，在交点上能反映出柴油机转速、输出扭矩、调速杆位置、输出功率。其中，转速n和扭矩M，或者功率P和发动机调速杆位置
Figure BDA0002993589360000051
每一对数据都能唯一地确定最经济工作点的位置，将这条曲线上的转速n和扭矩M或功率P和调速杆位置
Figure BDA0002993589360000061
以数据组的形式存储在控制器中。
(4)主控制器在预设的工况和功率下，不断调整发动机的转速直到寻找到该模式功率下油耗最小的转速，并将其设为该功率模式下的转速目标值；
(5)主控制器在该预设功率和转速下，以该目标值运转设定时间后，由主控制器获取转速传感器中发动机转速、主泵比例减压阀的电流值以及发动机平均油耗值，建立起每个工作模式下泵出口压力与功率，发动机扭矩、转速，比例减压阀电流，主阀开度的节能工作点之间的参数关系，构建多元参数矩阵，即功率匹配规则库，以实现任意泵出口压力下，发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系；
(6)在液压挖掘机工作时，压力传感器检测控制手柄的先导压力和主泵出口压力，主控制器判断所处工况模式以及操作者期望加载速度，根据功率和调速杆位置公式
Figure BDA0002993589360000062
确定当前油门调速杆位置，转化得到挖掘机转速，根据期望加载速度计算得到挖掘机液压泵的流量/排量，从而确定比例减压阀电流，主阀开度，采取模糊PID控制策略控制其快速稳定达到当前模式下的目标值，实现工作模式下挖掘机的最佳功率匹配。
(7)当液压挖掘机正常工作负载突然变化时，此时检测液压泵出口压力的变化值，同时检测发动机转速变化和先导操作手柄压力信号的变化，通过功率匹配规则库分析计算可以得到当前泵出口压力下的液压泵比例减压阀电流和发动机转速、扭矩目标值，此时根据减压阀实际电流与目标值的偏差大小，采用模糊PID控制优化比例减压阀电流增加速度，则控制电流减小速度，调整液压泵的排量，控制发动机转速以及扭矩稳步达到新目标值，防止发动机掉速率过大导致憋车，使变量泵的吸收功率等于发动机在当前转速下的最佳经济工作点的功率值，同时，控制主阀开度，使负载吸收功率稳步等于变量泵输出功率，挖掘机从原经济工作点转变到另一经济工作点。
(8)当挖掘机处于轻载模式时，控制器采取降低发动机的最大输出扭矩同时减少泵的控制电流的方式来调整泵的排量，以降低油耗减少能量损失。

Claims (1)

1.一种基于功率匹配规则库的挖掘机功率匹配的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)压力传感器检测挖掘机先导手柄的先导压力和挖掘机的泵出口压力，主控制器判断当前工况；
(2)主控制器根据挖掘机的工况以及对应工况下预设的泵出口压力范围设置不同的工作模式、工作挡位，以及该挡位下的功率；
(3)将具有坐标一致的万有特性曲线和调速特性曲线叠加起来，并使最佳油耗曲线与调速特性曲线相交，在交点上能反映以下几种信息，包括发动机的转速、输出扭矩、调速杆位置、输出功率；其中，转速n和输出扭矩M，或者输出功率P和调速杆位置
Figure FDA0002993589350000011
每一对数据都能唯一地确定最佳油耗点的位置，将最佳油耗曲线以转速n和输出扭矩M数据对，或输出功率P和调速杆位置
Figure FDA0002993589350000012
数据对存储在主控制器中；
(4)主控制器在预设的工况和功率下，不断调整发动机的转速，直到寻找到步骤(2)中工作模式对应的功率下油耗最小的转速，并将油耗最小的转速设为该工作模式下的转速目标值；
(5)主控制器在步骤(2)所设工作挡位下的功率以及步骤(4)确认的油耗最小转速条件下，以步骤(4)的转速目标值运转设定的时间后，由主控制器获取运转时间内主泵比例减压阀的电流值以及发动机平均油耗值；
(6)重复步骤(1)至步骤(5)；获得每个工作模式下不同工作挡位下对应的最佳油耗工作点，通过最佳油耗工作点获得相应的泵出口压力、发动机的功率、发动机的扭矩、发动机的转速、比例减压阀电流、主阀开度之间的参数关系，构建多元参数矩阵，即功率匹配规则库，以实现任意泵出口压力下，发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系；
(7)在挖掘机工作时，压力传感器检测先导手柄的先导压力和挖掘机的泵出口压力，主控制器判断所处工况、工作模式和工作挡位，根据步骤(6)确定的功率匹配规则库中发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系，匹配其他的参数值；主控制器将匹配后的参数值作为目标值，来控制挖掘机的转速、比例减压阀电流、主阀开度，实现工作模式下挖掘机的发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配；
(8)当挖掘机工作突然负载剧增时，此时压力传感器检测泵出口压力的变化值，同时转速传感器检测发动机转速变化，并利用步骤(6)确定的功率匹配规则库中发动机-液压泵-阀之间的最佳匹配关系，得到当前泵出口压力下的液压泵比例减压阀电流和发动机转速、扭矩的目标值；然后根据减压阀实际电流与目标值的偏差大小，采用模糊PID控制方法，偏差越大，则减小电流，减小扭矩，增大转速，控制发动机转速以及扭矩，稳步达到目标值，使液压泵的功率等于发动机在当前转速下的最佳油耗工作点的功率值，从原最佳油耗工作点转变到另一最佳油耗工作点。
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