液压挖掘机高原自适应控制方法

文 俊

（徐州徐工矿业机械有限公司，江苏 徐州 221000）

液压挖掘机是露天矿山施工的主要作业机具，多采用柴油机驱动，出厂时均进行了较好的系统匹配，但对于高原地形具有平均海拔高和海拔变化范围大的特点，挖掘机一旦再次转场施工或者作业面发生变化，发动机稳态功率输出及瞬态响应特性发生变化，将导致发动机和液压系统不再匹配，出现动力性、经济性下降的问题，甚至出现发动机憋车、掉速、冒黑烟等严重的高原问题，所以，需要对挖掘机控制系统进行优化，根据海拔变化自动匹配，实现高原自适应。

1 高原工况对挖掘机动力性的影响

随着海拔的增高，空气将变得稀薄，大气压以及氧分压下降，导致挖掘机发动机进气量减少，发动机空燃比降低，燃烧过程恶化，柴油燃烧不完全，导致柴油机排放增加，稳态功率输出下降，瞬态响应性变差。有研究表明，海拔高度每上升1 000m，发动机功率降低10%，液压系统可吸收的功率降低，挖掘机作业速度将变慢，同时，因为发动机响应变差，挖掘机做动作尤其是有突变负载时，发动机掉速将变大，掉速恢复时间将变长。

2 高原自适应控制方法

2.1 大气压与海拔变化关系

在海平面，大气压力为101.3kPa，空气中氧气含量占比为20.4%，空气中氧气所占比例基本不受海拔影响，但大气压力因海拔升高而降低。

2.2 发动机稳态输出功率变化

大气压力是影响柴油发动机综合性能指标的重要因素，随着海拔高度增加，大气压力也随着减小，每个循环进入气缸的空气量随之下降，直接导致柴油机的燃烧恶化，其动力性和经济性明显恶化。每个发动机最大输出功率因硬件关系随海拔的变化关系各不相同，在此，以徐工XE700DF 配置的珀金斯2206D 发动机为例，图1为2206D发动机最大输出功率与海拔的对应关系。

图1 2206D发动机最大输出功率与海拔的对应关系

2.3 发动机瞬态响应特性变化

高海拔施工中，因为大气压力的影响，涡轮增压发动机因进气量不足，增压压力偏低，对应的排气流量变小，增压器转速降低，发动机空燃比偏小，发动机响应时间将变长，由于增压器效率与叶顶间隙、流道粗糙度、叶轮叶片数以及叶片厚度等多个因素相关，所以不同的发动机因涡轮增压器的增压效率不同瞬态响应性能也不同，在此，仍然以2206D 发动机为例，在5 000m 海拔下，2206D 发动机在常用转速1 800rpm 时，发动机的瞬态响应性能下降了60%，响应时间延长了0.6s。参见表1。

表1 2206D发动机在不同海拔下瞬态响应特性

2.4 自适应控制系统设置

根据海拔对发动机稳态功率输出及瞬态响应性能的影响关系，通过在挖掘机上增加大气压力传感器并接入挖掘机控制器，用于监测挖掘机所在地的大气压力，挖掘机控制器通过控制比例电磁阀电流从而改变主泵输出功率，挖掘机控制器和发动机控制器之间采用CAN 通讯，挖掘机控制器发送指令控制发动机转速，发动机控制器通过CAN 线广播发动机转速信息。高原自适应控制系统原理框图如图2 所示。

图2 高原自适应控制系统原理框图

2.5 自适应稳态匹配控制

在此，假定发动机在海平面的稳态最大输出功率为P，液压主泵吸收功率为Py，主泵外附件（包括发电机、空调、散热系统等）功率为Patt，则有

式（1）中，η为功率储备系数

挖掘机控制器通过大气压力传感器监控挖掘机当前环境下的大气压力，并根据表1 换算成对应的海拔高度，通过查表法，计算出发动机稳态最大输出功率Pw以及功率相对海平面的衰减比例i

假定附件功率Patt不变，功率储备系数η不变，则高原环境下主泵最大吸收功率Py′为

主泵在高原的最大吸收功率相对海平面的比例n为

将式（1）、（2）、（3）代入式（4），可得到

根据大气压力，换算出海拔高度，通过查表法查找出发动机功率衰减比例i，结合发动机在海平面的最大输出功率P、挖掘机系统功率储备系数η、附件功率为Patt可计算出主泵功率吸收比例n，结合主泵功率与比例电磁阀的电流对应关系，通过控制器呈比例调整电磁阀电流，从而实现主泵功率的对应调整，实现发动机和液压系统的稳态功率匹配。

2.6 自适应瞬态匹配控制

因为发动机瞬态响应会随着海拔高度的增加而变差，但液压系统的瞬态响应特性不会随海拔高度的改变而变化，所以随着海拔高度增加，如果不调整液压系统负载的加载特性，将导致发动机和液压系统的瞬态响应不匹配，出现发动机掉速大等问题。

图3 为发动机在不同海拔下的功率响应曲线示意图，其中曲线1 为海平面的响应曲线，曲线2 为高原时的响应曲线，发动机从零功率到输出最大功率的响应时间分别为t1和t2。

图3 发动机在不同海拔下的功率响应曲线

为保证发动机和液压系统的瞬态匹配，主泵功率的加载速率应等于或低于发动机功率的增加速率，在此，不计入附件功率的影响，按主泵功率加载速率与发动机功率的增加速率相等计算，主泵在海平面的功率加载时间T1可设定为

主泵在高原的功率加载时间T1可设定为

设定主泵高原响应特性参数N为主泵功率在高原加载时间T2与在海平面加载时间T1的比值

将式（2）、（4）、（6）、（7）代入式（8），可得

根据发动机瞬态响应时间随海拔高度的变化规律，通过查表法得到参数t1和t2，以及根据式（5）计算的n和发动机功率衰减比例i，可计算出主泵高原响应特性参数N，由式（8），根据主泵在海平面设定的加载时间T1，计算出主泵在高原的加载时间T2，控制器按该加载时间逐步增加主泵输出功率，实现发动机和液压系统的瞬态响应匹配。

2.7 功率暂态匹配控制

挖掘机控制器通过CAN 总线监控发动机实时转速，并设定发动机最大允许掉速，当发动机响应性未达到要求，发动机出现严重掉速时，控制器发送指令改变比例阀电流，修正主泵功率，使得主泵功率响应适应发动机功率响应；在发动机功率响应达到要求后，则不进行此种暂态控制，控制器再发送指令，恢复主泵功率，保证液压系统充分发挥发动机功率，提高工作效率。

3 实际应用

徐工XE700DF 挖掘机配置了珀金斯2206D发动机，发动机最大输出功率P=328kW，附件功率Patt=35kW，功率储备系数η=5.5%，在海平面时设定液压主泵吸收功率Py=275kW，主泵功率加载时间T1=1.6s。

在5 000m 海拔高原时，根据发动机稳态功率特性和瞬态响应特性，查表得到功率衰减比例i=12.2%，在常用转速1 800rpm 时，t1=1.0s，t2=1.6s，分别代入式（5）和式（9）可得到，主泵功率吸收比例n=86.2%，主泵高原响应特性参数N=1.57，将N代入式（8），计算可得主泵高原加载时间T2=2.5s。

上述控制参数实施前，XE700DF 在西藏5 000m 海拔的玉龙铜矿，发动机掉速超过500rpm，黑烟严重，根据计算的参数对程序修订后，发动机掉速在150rpm 以内，无可见烟，发动机和液压系统匹配良好。

增加上述高原自适应控制方法之后，根据大气压力传感器识别海拔高度，并自动调整主泵吸收功率和主泵高原加载时间，XE700DF 在1 500m 的内蒙古乌海工地和4 500m 的青海木里工地转场时，没有对程序进行二次修订，发动机和液压系统匹配良好，没有出现憋车、掉速、黑烟等高原问题，实现了挖掘机的高原自适应匹配。

4 结语

通过监测挖掘机所在地的大气压力，换算成对应海拔高度，根据发动机不同海拔高度下的稳态功率输出和瞬态响应特性，自动调整主泵最大输出功率和主泵加载时间，同时监控发动机的转速波动，对主泵功率进行实时调整，实现在不同海拔高度下的发动机和液压系统的自动匹配，实现挖掘机高原自适应控制。