小型挖掘机半电控系统的设计和应用

□ 孙培艳 □ 彭 彦

柳工常州机械有限公司 江苏常州 213168

1 设计背景

长期以来,小型挖掘机常用转速段的柴油机负荷率一般为55%～75%,而理想状态下柴油机负荷率以70%～85%为最佳,由此存在大马拉小车的现象,未能充分发挥柴油机的性能。随着非道路柴油移动机械污染物排放要求越来越严格,小型挖掘机的整机使用成本随后处理技术的升级而不断增加。为解决上述问题,笔者对小型挖掘机半电控系统进行设计,合理选用柴油机,通过提升柴油机的负荷率,充分发挥柴油机的性能,合理控制油耗,在保证整机性能的基础上有效控制整机的使用成本。

2 存在的问题

小型挖掘机大多使用液控,液压系统的总扭矩在全转速段内基本恒定,造成在常用转速段内柴油机的负荷率为55%～75%,而理想状态下柴油机的负荷率以70%～85%为最佳,由此未能充分发挥柴油机的性能。对某小型挖掘机进行试验场测试,由于试验场土地工况较为恶劣,造成柴油机的负荷率相比一般用户使用情况偏高,而在1 400～1 800 r/min常用转速段,柴油机负荷率为55%左右。柴油机转速与负荷率曲线如图1所示。目前,柴油机的使用情况相对理想状态而言,在常用转速段存在浪费。

另一方面,我国将于2022年底实施国Ⅳ排放标准,以某机型为例,现使用LE01柴油机,后续需要升级后处理技术,成本增幅很大,而且油耗也会增加,所以需要采取措施来控制整机使用成本,提升产品竞争力。笔者设计了一种小型挖掘机半电控系统,在现有挖掘机控制系统的基础上进行适当改进,选用电比例液压泵,结合电气系统的控制模式,选用一款成本更低的柴油机,充分发挥其常用转速段性能,在保证整机性能的基础上,控制油耗,降低成本。

3 柴油机负荷率现状

某小型挖掘机使用LE01柴油机,选用8台该小型挖掘机进行柴油机转速、负荷率数据用户使用跟踪试验,结果见表1。从整机控制器导出的远程传输数据来看,1 400～1 800 r/min为最常用转速,而负荷率只有50%左右,可见工况负荷都偏低,并没有发挥柴油机的性能。

▲图1 柴油机转速与负荷率曲线

表1 柴油机转速、负荷率数据

4 半电控系统设计

针对上述小型挖掘机进行半电控系统设计。

该机型所使用的柴油机由LE01改为成本更低的LE02。选用LE02柴油机的原因为该柴油机的燃油经济区在挖掘机适用转速段内,并且低于并接近柴油机的扭矩曲线,有利于在充分发挥柴油机性能时兼顾整机油耗。

在原有挖掘机控制系统的基础上,选用LB01电比例液压泵,通过整机控制器控制LB01电比例液压泵的电磁阀电流值来控制其输入扭矩,即LB01电比例液压泵的输入扭矩与LB01电比例液压泵的电磁阀电流值一一对应。

将挖掘机工作挡位分为12挡,即P1挡至P12挡,设计常用挡位为P5挡至P8挡。LE02柴油机的最佳燃油经济区为1 400～1 800 r/min,因此将P5挡至P8挡转速设置为在1 400～1 800 r/min常用转速段内,柴油机负荷率设计为80%左右。整机的主要工作转速在常用转速段,可以充分发挥柴油机的性能,并且可以有效控制油耗。将P1挡至P4挡转速设置为1 400 r/min以下,柴油机负荷率设计为80%以下,避免低挡位掉速严重。将P11挡和P12挡转速设置为1 800 r/min以上,柴油机负荷率设计为80%以上,以应对比较少见的恶劣工况。

通过上述设定的柴油机负荷率扭矩,计算得到相应挡位的LB01电比例液压泵输入扭矩,根据输入扭矩和转速可以计算得到各挡位LB01电比例液压泵的输入扭矩、输入功率。所标定的半电控系统输入扭矩、输入功率控制曲线如图2所示。

▲图2 半电控系统控制曲线

由于LB01电比例液压泵的输入扭矩与LB01电比例液压泵的电磁阀电流值一一对应,因此可以得出各挡位LB01电比例液压泵的电磁阀电流值。

得到各挡位的转速设定值及LB01电比例液压泵的电磁阀电流值后,通过整机控制器程序对各挡位的转速及LB01电比例液压泵的电磁阀电流值进行标定,从而控制各挡位LB01电比例液压泵的输入扭矩和输入功率。

挖掘机工作时工况较为复杂,受环境因素影响很大,因此实际测试时柴油机负荷率和设计值会存在一定偏差,需要根据实际测试结果,结合整机的油耗测试情况,对各挡位的转速和相应的电比例液压泵电磁阀电流值设定进行修正。

5 半电控系统应用

对小型挖掘机进行半电控系统改装,将柴油机由LE01改为成本更低的LE02,更改相应的安装部件,并经过核对,保留可以通用的排气消声系统、进气系统及散热系统。选用合适的LB01电比例液压泵,更改相关线束,更新控制程序。

小型挖掘机半电控系统设计的目的是通过对不同挡位LB01电比例液压泵的输入扭矩和输入功率进行控制,充分发挥柴油机常用转速段的性能,从而在保证整机性能的基础上,控制油耗,降低成本,所以要求整机性能满足产品定义要求,同时重点关注整机的油耗情况,要求与原控制系统的油耗相当。

经过多次修正及测试,最终得到半电控系统的测试结果。

常用转速段柴油机负荷率得到提升,常用挡位的柴油机负荷率提升至75%～80%,充分利用了柴油机的性能。半电控系统的柴油机转速与负荷率曲线如图3所示。

▲图3 半电控系统柴油机转速与负荷率曲线

半电控系统整机测试结果见表2,热平衡、噪声、力学测试等均符合产品定义要求,而且重点关注的整机油耗效果满足预期。

表2 半电控系统整机测试结果

6 结束语

笔者设计了一种小型挖掘机半电控系统,在原有系统的基础上更换柴油机,并更新相应程序。应用这一半电控系统后,可以充分发挥柴油机常用转速段的性能,在保证整机性能的基础上降低成本。