混凝土泵车节能技术分析与研究*

夏益民，石鹏飞，赵宇峰，谢学志，杨 鑫

(三一重型能源装备有限公司，北京 102202)

0 引言

混凝土泵车是一种集行驶、泵送和布料功能于一体的高效混凝土输送设备，广泛应用于高楼、桥梁和公路等工程建设。混凝土泵车在使用过程中，为了确保发动机的输出扭矩与功率，其常规控制模式均将发动机设定在额定转速下工作，此工作方式虽然保证了动力的充足性，却使发动机往往工作在油耗较高的转速区域，造成底盘动力系统的经济性能下降、机械损耗增加［1］。笔者将从发动机燃油消耗率模型、动力系统匹配策略和对应的控制系统等方面探讨混凝土泵车节能技术。

1 混凝土泵车发动机燃油消耗率模型

混凝土泵车使用的底盘主要有ISUZU、VOLVO、BENZ等，由于底盘种类繁多，每种底盘发动机特性也不同，为保证单位时间的泵送量，针对不同底盘的泵车，在保证功率、扭矩的前提下，根据现场试验及各种底盘发动机的万有特性曲线可获得发动机稳态输出扭矩与发动机转速的关系及发动机在各种转速下的燃油消耗率关系。采用插值拟合方法，可得到发动机转速、扭矩及发动机燃油消耗的关系［2］。如图1是某种底盘发动机在各转速下的燃油消耗率模型。

由发动机特性可知，发动机输出功率一定时，发动机可在无数个油门位置点工作，但其中只有一个位置点的燃油消耗率最小，此点即为该功率对应的发动机最经济工况点。根据试验数据，可找出不同输出功率下的最佳燃油点，构成工况离散点，在对离散点进行平滑处理后，即得到该种底盘的最佳油耗率曲线。某种底盘发动机的最佳油耗率曲线如图2所示。由于最佳油耗率曲线上的每一点对应于柴油机每个输出功率P，均与柴油机不同的转速n相对应［3］，根据图2可测算出不同输出功率所对应的经济转速。

图1 发动机燃油消耗率模型

图2 底盘发动机最佳燃油消耗率曲线

2 混凝土泵车动力系统节能匹配策略

液压传动过程中，由传动关系可知发动机的输出扭矩Me与变量泵的吸收扭矩Mb的函数表达式为:

变量泵的负载特性表现为恒扭矩特性，变量泵扭矩Mb与外部负载压力Pl及变量泵排量V之间的函数表达式为:

发动机输出功率Pe与发动机输出扭矩Me及发动机转速ne之间的函数表达式为:

由上式可知对应于一定的负载压力Pl，通过改变变量泵排量V或发动机转速ne，可使发动机在各节油点处工作［4］。根据混凝土泵车发动机燃油消耗率模型、变量泵恒功率特性曲线及以上动力系统传动关系的分析，经过现场实验及数据分析，可得出每种混凝土泵底盘发动机及液压系统功率匹配对应表，表1为某种底盘混凝土泵车系统功率匹配表。

表1 发动机与液压系统功率匹配表

3 混凝土泵车节能控制系统

混凝土泵车节能控制系统以动力系统节能为控制目标，实现发动机与主液压泵的联合调节，如图3所示。计算机中央控制单元根据工况要求及负载压力、功率匹配的关系计算出最佳节能控制点，然后对发动机的转速及主液压泵电流进行联合实时控制［5］。采用节能控制系统的混凝土泵车在泵送混凝土的施工过程中，施工人员根据所泵送的混凝土标号(强度)和所浇注混凝土对象的不同(即工况的不同)，只需调节泵送量操纵杆，控制系统就会自动调用最优参数开始工作，使设备在满足施工要求且最省油工况下运行。

图3 混凝土泵车节能控制系统框图

4 混凝土泵车泵送试验及节能效果

结合以上节能控制理论与分析，对混凝土泵车进行泵送试验，采用称量法测量在单位时间内每种工况稳定运行时所消耗的燃油。表2为某种底盘泵车现场节能测试数据，数据表明，泵车工作排量在10%～70%区域内，节能效果显著，节油率可达到22% ～46%;在70%～80%区域内节能一般，节油率约为13%;在80%～100%区域节能不明显，约1%(表中省略未列)，整个区域平均节油率大于20%。

表2 某底盘泵车节能测试数据表

表2 (续) 某底盘泵车节能测试数据表

5 结语

通过混凝土泵车发动机燃油消耗率模型的建立和动力系统节能匹配策略的分析确定，得到混凝土泵车的一种节能控制系统，应用这种节能系统后，泵车计算机可根据实际工况的变化自动调节发动机输出功率，与负载保持良好的匹配，使发动机始终在最佳工作点或最佳工作区运行，使发动机输出功率得到充分利用。经测试，采用节能控制系统的混凝土泵车平均节油达20%以上。

［1］ 李仲兴，王申旭，江 洪，等.混凝土泵车动力系统功率节能匹配的研究［J］.机械设计与制造，2011(6):76－78.

［2］ 马向平，李春燕，骆清国，等.一种发动机万有特性曲面拟合的新方法［J］.装甲兵工程学院学报，2006(1):52－54.

［3］ 吴井泉.旋挖钻机节能控制技术的应用研究［D］.长春:吉林大学，2005.

［4］ 高文中，刘进志，程林章，等.挖掘机械柴油发动机油门节能控制系统研究［J］.石家庄铁道大学学报，2011(3):89－92.

［5］ 张礼华.液压挖掘机泵－发动机联合控制研究［D］.长沙:中南林学院，2005.