挖掘机起动性能提升的方法研究_张成兰.pdf

68 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算0 引 言本文所述的极端环境指高原或高寒环境，例如海拔高于 4000 米的高原地区，或者气温低于-20的寒冷地区。目前挖掘机基本上采用柴油发动机，低温低气压对发动机性能产生很大影响1，在极端环境下的起动过程比普通环境下要困难得多。挖掘机的冷起动能力，受进气温度、冷却液温度、机油温度、燃油特性、蓄电池容量、等多种因素的影响3。总结其电气相关的原因包含有：（1）进气系统的空气温度偏低，预热时间不足，无法持续给进气加热；（2）起动机控制不合理，不能在合适的时间内工作或停止，使起动过程中断；（3）蓄电池容量不足，冷起动能力不够，其输出电流无法维持起动机持续工作；（4）电缆线径偏小，线路电阻偏大，在低温时导致系统电压压降较大；此外，液压系统中液压油路负载也是发动机负载的一部分，也需要考虑对其进行优化。不论是从安全性方面，还是机器的操作体验方面，挖掘机的起动性能尤为重要2。因此有必要设计一种方法，使机器在各种环境下均能可靠的起动。1 总体方案针对上述问题，本文设计了一种控制系统及方法，其硬件包含控制器、显示器、开关和传感器、继电器、钥匙开关、电池电缆，还包含发动机自带的起动机、预热器，及液压系统换向阀。系统原理如图 1 所示。基于此电气控制系统，还进行了相关软件逻辑设计和电气元件选型计算，包括对预热器的预热时间控制，起动机的动作时间控制，蓄电池和电缆等的选型计算，以及对电磁阀的控制逻辑。2 预热器控制模块预热器的工作时间，与如下几个因素有关：大气环境温度，冷却液温度，预热器的极限工作时间。假设预热时间为Ypre(S)，大气温度为Tair()，冷却液温度为TCoolant（）。预热器极限工作时间为 Ymax(s)。为保证极端环境下预热器的效果，需要精确的计算预热所需的时间，控制策略如下：（1）起动前预热在起动前机器可能处于这几种状态：一、大气气温极低（例如-20），机器静置超过数小时，冷却液已经彻底挖 掘 机 起 动 性 能 提 升 的方法 研 究Study on the Method of Improving Starting Performance of Excavator张成兰 余天超 宫永辉 欧中林 唐标（中联重科土方机械有限公司，湖南 长沙 410000）摘要：为解决挖掘机在极端环境下起动困难问题，本文对影响发动机起动的几个重要因素：预热器、起动机的控制参数，蓄电池、电缆的选型参数，液压泵控制回路等，进行了详细分析。在某款挖掘机上应用本文所述的方法，起动性能得到保证，验证了本方案的可行性。关键词：起动；预热；参数匹配；选型计算中图分类号：TP29 文献标识码：B图 1电气系统原理DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0182023.01建设机械技术与管理 69设计计算降温，此时需要较长时间的预热；二、大气气温极低，但是机器刚停机不久，冷却液温度还较高；三、大气气温不太低（例如 0），机器冷却液温度也接近。因此预热时间需根据两个温度变量进行动态调节，采用如下算法：Ypre=Kair *Tair+Kcoolant *TCoolant，（Kair和 Kcoolant分别为每个变量的影响因子，单位为 S/）（2）起动中预热由于预热器的温度会被源源不断的进气逐渐降低，为保证在起动过程中预热器的效果，有必要持续的为预热器接通电源提供热量。此过程的预热时间与起动钥匙开关的 ST档时间相关即：Ypre=Kst，(Kst为钥匙在 START 档的时间)（3）起动后预热为改善发动机的缸内燃烧状况，降低尾气排放值，当大气温度低于设定值时，发动机起动后继续给予一定时间的预热。即：Ypre=5，(该数值可在显示器上进行设置)（4）预热限制值为保护好预热器不被长时间通电而烧毁，预热器的最大工作时间不应该超过厂商规格的极限值。即：Ypre Ymax(s)。预热控制程序采用图 2 所示的逻辑，可以达到良好的预热效果。3 起动机控制模块起动机的工作状态，需要考虑如下几个参数：发动机的实时转速，起动机的极限工作时间，以及液压系统先导阀状态。为提高极端环境下的起动性能，一方面，需要尽量保证起动机持续工作直到发动机燃烧室内持续点火。但另一方面，由于起动机工作电流较大，不能长时间得电工作，因此必须在软件上做相应的参数匹配，以避免出现马达线圈烧坏、离合器损坏的现象。从电气系统原理图可看到，起动机控制相关元件包括钥匙开关、先导安全开关、转速传感器、控制器、起动继电器等。先导安全开关，是为了实现发动机起动与液压动作的动作联锁，具体逻辑为，当控制器检测到先导安全开关处于禁止液压系统状态时，才允许起动机继电器得电。这样即保证发动机起动时液压系统最小负载，也提高了整机的安全性。转速传感器用于检测发动机转速，通常有曲轴转速检测、高压油泵转速检测、充电机转速检测等。控制器采集转速值，有两个用途，一是起动过程中判断发动机是否成功起动，起动机是否需要通断电；二是在发动机正常运转时，起动机不会异常通电导致烧毁。起动机的控制逻辑如图 3 所示，根据此控制逻辑，可以实现起动机安全可靠的运行。4 蓄电池选型计算挖掘机用蓄电池通常是铅酸蓄电池，有两个关键指标：容量，冷起动电流。根据国标 GB/T 5008-2013 起动用铅酸蓄电池的定义，蓄电池容量是指蓄电池在充足电量情况下，以 20 小时率电流与直到最终放电电压的时间的乘积。蓄电池冷起动电流，有-18和-29两种环境下的标称值，以-18为例，其表示在此温度下蓄电池 30 秒内从额定电压放电到限定电压时的所放释放的电流的能力。通常来说，针对极端环境，蓄电池的容量越大，冷起动电流越大，则其起动性能越强。但是过大的蓄电池容量及图 2 预热控制逻辑图 3 起动控制逻辑70 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算冷起动电流，可能会对起动机强制输出过大的电流，甚至导致起动马达过热烧毁。考虑到安装空间，以及蓄电池的充电性能与放电性能之间的匹配，因此蓄电池的参数需进行合适的匹配。以某款发动机为例，其起动机额定功率为 2.5kW，供电电压为 12V，发动机排量为 2615cc，要求对应的蓄电池容量在 100 120AH，冷起动电流在 580 670A。考虑到极端环境下蓄电池的容量随温度降低而变少，放电能力降低，冷起动电流下降，因此按更高参数要求进行蓄电池选型，结合该机器配备的充电机发电能力，选择一款120AH 的容量。起动机的额定功率为 2.5kW，则其额定电流为 2.5kW/12V=208A，根据经验，起动电流通常不小于三倍的额定电流，则起动电流最小为 630A。图 4 为该蓄电池冷起动电流与温度的关系曲线。图 4 冷起动电流与温度曲线从图可知，该蓄电池对应的常温（25）的起动电流为 800A，在-18时起动机的起动电流约 600A，与起动机的功率要求相当，符合极端环境的起动电流要求。5 电缆选型计算起动机工作时的电缆承载的电流非常大，瞬间电流可以达几百甚至上千安培，根据欧姆定律 U=R*I，电缆回路的电阻过大，将会直接导致系统的电压下降明显，一旦低于电气元件的允许工作电压，将导致起动失败，甚至元件受损。在极端环境下，起动负载变大，起动时间会加长，电缆线及端子之间的电阻匹配，是需要重点关注的参数。根据发动机以及电气系统的需要，设计如下图所示起动回路，包含电缆、端子、搭铁点和负极开关（也可以是正极开关）。以发动机厂家某款机器为例，其采用 12V 供电的电气系统，起动机功率为 2.5kW，要求的电缆及端子的总电阻 R 1.2m。图 5 起动电缆回路相关参数计算如下：（1）通常每个端子连接处的电阻约为 0.01m，则在回路中共有 8 个端子连接处，电阻合计为 RT=0.08m。（2）通常负极开关的每个触点内阻为 0.01m，电阻合计为 RS=2*0.01m=0.02m。（3）允许的电缆总电阻 RL 最大值为：R-RT-RS=1.1m（4）根据电缆电阻与长度的关系:L=RL/，（为蓄电池电缆的导体电阻系数）。截面积为 50mm2 的接地用（EB）电缆，由规格书可知其 20时=0.384m/m。由此计算可知，允许的电缆总长度最大值 L=1.1m/0.384m/m 2.8m。从图 5 可知，电缆包含这几个部分：蓄电池正极到起动机的正极电缆长度为 L1，起动机搭铁点电缆长度为 L2，负极开关搭铁电缆长度为 L3，负极开关到蓄电池正极的电缆长度为 L4，要求 L1+L2+L3+L4 2.8m，模型设计必须要规划好此路径，使得总长度越短越好。此外，为获得更良好的冷起动性能，尽可能的降低回路电阻，以下几个措施是有效的，清除干净端子接触面不得有油漆或锈迹，拧紧接地螺栓达到力矩要求，在搭铁点涂防锈物质减少锈蚀。6 液压油路控制模块在起动过程中，液压泵是发动机的主要负载之一。为使液压系统消耗功率降至最小，对其主泵的回油管路进行了优化。以负载敏感液压系统为例，常规的接法是主泵出口直接连接到主阀。优化后的液压回路如图 6 所示，主泵出口到主阀 P1 口之间的主管路，增加一个换向电磁阀 CT1。该电磁阀由控制器控制，当检测到起动信号时，CT1 得电，主油路将从 CT1 直接回油箱。启动成功后，CT1 断电，主油路从 P1 口进入主阀，给各分支电磁阀供油。此外，为使液压系统更快的处于最佳工作油温状态，还可对散热回路进行优化。在主阀 T1 回油箱的回路上，增加换向电磁阀CT2，并根据液压油温度，判断液压油的去向。图 6 主泵油路原理（下转 73 页）2023.01建设机械技术与管理 73设计计算恒转矩调速，50 100Hz 为恒转矩调速，恒功率的调速频率比为 1：2，近年来随着变频电机在不同行业的普及，用户对恒功率调速范围要求了越来越高，甚至有的恒功率的调速频率比达到了 1：4，基频设定为 25Hz，恒功率工作频率达到了 100Hz。该项目电机，恒功率调速范围 700 3750r/min，速比(高速/基速)高达=3750/700=5.4，如电机过载能力在全波段保持1.5倍，通过公式2211221ff=UUKK可知，若高速维持电压不变，在不考虑弱磁影响的情况下则基速时电机的过载倍数需达到 8 倍以上，在不改变电机体积的情况下，电机在基频时及恒转矩段磁路将出现过饱和现象。通过公式 U1 E1 4.44 fW1Kp1 可知，在调频过程中电机频率 f 不断升高，绕组磁通 会不断减小，频率升到一定值时电机会出现弱磁现象，为解决基极磁路饱和同时克服高频下弱磁现象，我们提出了高频弱磁电压补偿方案，通过低速磁路过饱和、高速弱磁转矩控制技术，将变频调速异步电机设计为在高速段恒功率区具有与额定转速下不同且更高的电压设计值，以保证异步电机在高速段具有较高的转矩输出及过载能力，实现扩大电机的调速范围。3 使用效果该项目电机已开始小批量进入市场使用，主要用于 32t以上塔机起升机构，客户反应良好，使用过程机构起升平稳、动态响应能力强，传动效率高，振动、噪声小，整体性能达到国外同类电机水平。4 结 语本文针对双碳目标下起重变频电机的性能和工况特点进行了简单的分析，提出了高效高功率密度宽调速比起重变频电动机的设计方案，并就这种电机的设计方案作了简单的阐述，从阐述中可以发现此种电机结构和性能都打破传统变频电机的结构和设计理念，拓宽了变频电机的应用领域。参考文献1 辜承林，陈乔夫.电机学 M.武汉：华中科技大学出版社,2005.2 陈世坤.电机设计 M.西安：西安交通大学出版社,2005.收稿日期：2022-11-30作者简介：张岚清，硕士，高级工程师，主要从事电机理论及工艺研究。当液压油温小于设定值时，表明液压油无需散热，可直接回油箱，对于极端寒冷环境，此方向可使液压系统尽快升温到最佳状态；当液压油温超过设定值，表明系统需要散热降温，油路应该经过散热器散热后再回油箱。上述液压回路的控制逻辑如图 7 所示：图 7 液压回路控制逻辑通过对相关控制参数：预热控制、起动机控制，蓄电池容量和冷却动电流、起动回路电缆的选型参数的匹配，以及液压回路控制的优化，使得机器起动成功率显著提升。本文所涉及的方案，实施成本较低，便于批量推广及后市场整改。本方案已在某机型上全面应用，市场销售量达数千台，经过三年多时间的运行验证，市场反馈良好。参考文献1 郑永明，闵浪，李世峰.改善汽车柴油发动机高原起动性能的实验分析 J.自然科学研究，2020（5）：265-266.2 卢春霖，彭兴德，严德富.挖掘机起动回路的设计方法研究 J.内燃机与配件,2020（12）：124-126.3 杜巍，黄伟伟，何圣华，刘福水.进气预热对柴油机起动过程动力性影响的试验分析 J.专用发动机，2015（2）：28-32.收稿日期：2022-11-01作者简介：张成兰，硕士，工程师，主要从事挖掘机电气系统应用研究。经此优化后，液压系统在起动时，对起动机负载减至最小，提高起机效率。作业时能尽量保证在最佳温度附近，提高作业效率。7 结 论本文设计了一种能提升极端环境下的起动性能的方法，（上接 70 页）