工程机械功率传输的优化匹配

工程机械一般通过柴油机—取力器—液压泵—液压马达（或液压缸）—减速器—执行元件进行功率传输，其中可调控功率的部件为柴油机、液压泵和液压马达。工程机械在作业过程中负载变化很大，如果其功率传输系统匹配不合理，不仅会造成系统发热、能源浪费和环境污染，还会影响整机性能、作业效率和使用寿命。功率传输优化匹配，就是使柴油机输出功率适应负载变化需要，以实现功率损失最小、污染最少、油耗与噪声最低和作业效率最高的目的。

图1 柴油机工作曲线

1.柴油机的最佳运转状态

柴油机的运转状态直接影响整机动力性能和经济性。柴油机的外特性曲线如图1所示。从图1可以看出，功率、扭矩和油耗随转速变化而变化。功率曲线是一个上升的抛物线，功率随着转速的增大而增大；扭矩曲线是一个不对称的抛物线，在0～n1（n1为最大扭矩点转速）之间扭矩呈上升趋势，之后呈下降趋势；油耗曲线呈凹形曲线，在某一转速时耗油量最低。柴油机的最佳工作区域一般在最大功率的85%、扭矩较大、油耗较低的区域内。

2.液压泵和马达的最佳转速

液压泵、液压马达同柴油机一样，有一个最佳的运转速度区域。在该区域内，其机械效率ηC、容积效率ηV为最佳，发热量、噪声最小，使用寿命最长。因此，应使工程机械在液压泵、液压马达的最佳转速区域内工作，一般最佳转速为最高转速的85%左右。

图2 应用电子负载控制器进行液压泵的恒功率控制

3.功率可调部件的合理匹配

柴油机、液压泵和液压马达为可调控功率部件。当柴油机、液压泵和液压马达的最佳工作转速确定后，可通过改变取力器、减速器（变速器）的传速比i来协调它们之间的参数关系，以实现它们之间的合理匹配。如柴油机的最佳转速为nf为1600 r/min，液压泵的最佳转速为nb为2000 r/min，则取力器（或减速机）的速比为两者比值（0.80），即取力器（或减速机）的速比i为0.80时，柴油机、液压泵和液压马达均处于最佳运转状态。

4.功率模块化控制

工程机械作业时外部负载变化比较大，相应的功率变化也比较大，仅选取一个工况匹配液压泵和液压马达难于满足实际要求，因此应根据作业工况设置若干个功率模块。

比如在设置RP1250型摊铺机功率模块时，可将其道依茨BF6M1013EC型柴油机最佳转速点设置为1450 r/min、1600 r/min和1800 r/min，对应功率分别为130 kW、150 kW、170 kW，液压泵、液压马达的对应转速分别为1800 r/min、2000 r/min和2200 r/min。

摊铺机在摊铺沥青混合料面层时，负载较小，可选用第一模块，即柴油机转速为1450 r/min、功率为130 kW，液压泵与液压马达转速为1800 r/min；在摊铺沥青混合料底层时，负载为中等，可选用第二模块，即柴油机转速为1600 r/min、功率为150 kW，液压泵与液压马达转速为2000 r/min；当摊铺水泥稳定砂砾等路基材料时，负载较大，可选用第三模块，即柴油机转速为2000 r/min、功率为170 kW，液压泵与液压马达的转速为2200 r/min。

功率模块的选用和控制，可根据工况需要进行人工控制或自动控制。目前一些先进工程机械（如挖掘机）已经广泛采用功率模块化控制方式。

5.负载反馈控制

工程机械作业时，其外部负载不断变化，当选定某一功率模块后，功率传输系统输出的功率应不断适应外部负荷变化。近年来工程机械一般采用恒功率负载反馈控制液压系统，即液压泵输出压力P与其排量q的乘积为定值，以此适应外部负载变化。

例如，柴油机在最佳转速点运转时，若外部负载增大，液压泵（或马达）的压力P随之提高。此时通过负载传感系统调整液压泵斜盘角度，使液压泵排量q减少，便可使液压泵设定的扭矩M保持不变。

6.功率智能控制

随着智能控制技术的发展，功率传输系统的功率控制得到了更好的应用。某一工程机械产品应用电子负载控制器，进行液压泵的恒功率控制的流程如图2所示。通过方式选择开关，选择不同的功率控制模块，如M0、M1、M2等，即可对不同工况的功率等参数进行控制。

当工况选择M0（重载）负载模块时，柴油机、液压泵和液压马达输出最大功率；当工况选择M1（中载）负载模块时，柴油机、液压泵和液压马达输出最佳功率；当工况选择M2（轻载）负载模块时，柴油机、液压泵和液压马达输出较小功率。

在柴油机怠速工况时，油门电位器可平滑地将传动系统和液压系统的功率损耗调低。当液压泵出口压力低于设定的最小压力时，压力继电器输出开关信号，该信号一方面反馈给控制器，控制器接到信号后，便发出控制信号将液压泵的排量调到最小。另一方面经延时计延时数秒后，控制器发出选择怠速油门位置的控制信号，使柴油机处于自动怠速状态。

控制器的核心部件是微处理器，微处理器的主要部件是其芯片，它可以连续存取数据和应用专用程序，其中程序存储器（EPROM）可以根据不同的功能要求，写入不同的软件模块，从而实现不同的控制功能。

(作者地址：江苏省徐州市金山桥经济开发区驮蓝山路8号   徐工集团工程机械股份有限公司摊铺机研究所   221000)

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