混凝土泵车发动机万有特性模型与工况优化研究.pdf
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1、第 7卷第 1期 2 0 0 9年 3月 中国工程机械学报 C HI NES E J ( ) URNAL OF C ON S TRUC TI ON MAC HI NERY V0 I 7 No 1 Ma r 2 O 0 9 混凝土泵车发动机万有特性模型与工况优化研究 贺尚红 , 李旭宇, 杨昀梓, 徐晓林 ( 长沙理工大学 汽车与机械工程学院 , 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘要: 将底盘传动系纳入发动机动力系统, 提出了混凝土泵车发动机万有特性模型的现场测试方法 该方法无 须将发动机从底盘上拆除进行台架测试试验, 利用混凝土泵车液压系统对发动机进行现场加载, 通过对液压参 数的测试获
2、得发动机输出扭矩, 避免了对发动机转矩的直接测试 运用曲面插值法实现了发动机万有特性曲线 的绘制, 并以此为依据对该型号混凝土泵车工况进行优化, 获得4种工况下与液压系统最佳匹配的发动机转速 试验验证 : 利用曲面插值法建立的某型号混凝土泵车发动机万有特性模型最大相对误差不超过 5 , 建模方法 简单 、 精度高, 以该模型为依据优化后的发动机工况节油效果明显, 最大节油率为 1 6 6 7 关键词: 混凝土泵车; 万有特性模型; 神经网络; 工况优化 中图分类号:T H4 2 1 7 ; T U 6 4 6 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 5 5 8 1 ( 2 0 0 9 )
3、 0 1 0 0 4 6 0 6 、 0 UDt l m l Zat l 0n 0n ge ner al i z e d e ngl ne m 0del s and w or Ki ng c ondi t i o ns f 0r c o nc r e t e p um p t r uc ks HE S h a n g - h o n g,L IXu y u ,Y ANG Y un z i ,XUXi a o - l i n ( ,S c h o o l o f Au t o mo t i v e a n d Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g,Ch
4、a ngs h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e& Te c h n o l o g y,Ch a n gs h a 41 0 0 0 4,Ch i n a ) Ab s t r a c t :By i n t e g r a t i n g c h a s s i s t r a n s mi s s i o n s y s t e m wi t h d y n a mi c e n g i n e s y s t e m, a n o n s i t e t e s t i n g me t h o d i s p r o p o s e d f
5、 o r e n g i n e s o f c o n c r e t e p u mp t r u c k s i n t e r ms o f g e n e r a l i z e d mo d e 1 I n p a r t i c u l a r ,t h i s me t h o d i s d e p e n d e n t o n o - s i t e l o a d i n g u s i n g t r u c k h y d r a u l i c s y s t e m wi t h o u t r e mo v i n g t h e e n g i n e f
6、r o m c h a s s i s I n t f l i s wa y 。 o u t p u t e n g i n e t o r q u e s a r e a c q u i r e d b a sed o n h y d r a u l i c p a r a me t e r s r a the r t h a n e n g i n e mo me n t s Wi t h r e g a r d t o c a mb e r i n t e r p o l a t i o n,t h e g e n e r a l i z e d e n g i n e c u r v
7、e s a r e o b t a i n e d t o o p t i mi ze r e l - e v a n t wo r k i n g c o n d i t i o n s S u b s e q u e n t l y,t h e o p t i ma l ma t c h i n g b e t we e n f o u r wo r k c o n d i t i o n s a n d h y d r a u l i c s y s t e m i s a t t a i n e d C o n s e q u e n t l y, t h e t e s t i n
8、g v e r i f i c a t i o n i mp l i e s t h a t t h e ma x i ma l e r r o r o f g e n e r a l i z e d mo d e l i s b e l o w 5 b a s e d o n camb e r i n t e r p o l a t i o n Th e r e f o r e。 t h i s mo d e l i s a s i mp l e y e t a c c u r a t e a p - p r o a c h wh i c h p r o d u c e s s u c h
9、a n o i l s a v i n g r a t e a s 1 6 6 7 u n d e r o p t i mi z e d wo r k i n g c o n d i t i o n s Ke y wo r d s :c o n c r e t e p u mp t r u c k ;g e n e r a l i z e d mod e l ;n e u r a l n e t wo r k s ,wo r k i n g c o n d i t i o n o p t i mi z a t i o n 工程机械发动机的燃油经济性 , 是评价产品主要使用性能的重要经济指标 燃
10、油经济性主要取决于 发动机和工作系统的匹配及发动机工况的优化 国内对挖掘机、 推土机、 履带起重机、 装载机等工程机械进 行了发动机与液压负载系统匹配的节能技术研究 1 叫 发动机工况优化的依据是发动机的万有特性模型 发动机在每一种运行工况下都有 1 个最优经济工 作点, 不同工况的最优工作点构成最优经济目标控制曲线 5 只要发动机工作点位于最优经济目 标控制 曲线附近, 发动机的燃油利用率就高 对于能提供万有特性曲线的发动机, 可根据发动机的经济工况设计 工作系统或施加一定的控制策略, 使发动机工作在最低比油耗状态 混凝土泵车是 1种用于输送 和浇筑混凝土的专用工程机械 7 , 8 3 ,
11、其特点是功率大 , 工况 多变 , 油耗 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 5 0 2 8 ) 作者简介; 贺g : ( 1 9 6 5 一 ) , 男, 教授, 博士生导师 F - m a i l ; h e s h a n g h o n g ( 1 2 6 C O IT I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 贺尚红, 等 : 混凝土泵车发 动机万有特性模 型与工况优化研究 4 7 高f =9 目前 , 国内混凝土泵车基本采用 日本五十铃 、 瑞典沃尔沃、 德国奔驰等进 口底盘 , 底盘生产商将发动 机与底盘传动系集成供给
12、 中国市场 在这些厂商向中国泵车企业提供的技术资料中, 均不包含发动机万有 特性曲线, 给泵车的节能优化设计带来障碍 发动机万有特性曲线通常通过专用 的发动机台架实验获取 , 要获得泵车发动机 的万有特性模型 , 应将发动机拆下在专 门的台架上试验 但进 口底盘生产商提供的产 品, 发动机及相关控制系统与底盘传动系统高度集成, 发动机拆下重装后会破坏原有系统的完整性和可靠 性 , 无法进行发动机台架试验 必须寻求 1 种有效的适合于泵车在线测试和数据处理的方法 , 间接获取泵 车发动机的万有特性模型 万有特性曲线一般以柴油机转速为横坐标 , 输出转矩为纵坐标 , 由若干条等燃料消耗率曲线族组成
13、 实验数据 的处理方法直接关系到实验成本和曲线精度 万有特性曲线测试常规的方法是: 在发动机若干固定转速下采集多个工况点 , 记录转速、 转矩 、 单位时 间的油耗值, 然后将实验数据拟合成负荷特性曲线 , 用一系列“ 等比油耗线” 截取各个转速工况下负荷特性 曲线 , 取出所得交点的扭矩和 曲线 自身的转速参数 , 将离散点拟合得万有特性 曲线 1 o 万有特性测试的传统方法存在两个原理性缺陷: 一是不能利用曲线外的单个工况点, 当某一转速下所 测得的点不足以拟合出负荷特性曲线时, 该组数据就只能放弃, 大大降低了实验数据的利用率; 二是由于 不同的曲线在拟合过程中, 考虑的仅仅是构成此 曲
14、线 自身点的相互关 系, 前一条曲线并不对下一条曲线的 拟合产生任何影响 , 因此在某些情况下, 2条等 比油耗曲线有可能相交 , 实际上这种情况是不应该出现的 发动机万有特性模型的实质是比油耗 9与转速 n和转矩 T之间的 1种非线性函数关系 , 也可看作是 三维曲面 g=, ( n, T) 的二维等高投影 因此, 对已知的数据点用数值算法构造接近实 际的三维 曲面, 再 用不同的等比油耗平面去截取便可得到万有特性曲线 文献 1 1 用大型 C A D软件 I d e a s 的三维造型功能 绘制了发动机的万有特性曲线, 文献 1 2 rJ # tJ 用曲面拟合方法用 MA T L A B语
15、言绘制了发动机的万有特性 曲线 三维曲面投影法可从根本上避免传统方法存在的弊端 针对上述技术问题 , 研究泵车发动机万有特性曲线在线测试的加载及数据处理的方法和技术, 建立泵 车发动机的万有特性模型, 并以此为依据对泵车发动机进行工况优化 1 基于 曲面插值 的发动机万有特性 曲线绘制方法 利用离散的空间点重构三维曲面有曲面插值和曲面拟合两类方法, 其中曲面拟合效果不如插值算法 经典和应用广泛, 同时可能不通过实验点 , 效果也较逊色 文献 1 3 采用双三次插值 函数, 但只能在矩形网 格上进行插值 因此, 对于散乱点数据的曲面重构, 本文借鉴了文献 1 4 的方法, 方法如下: ( 1 )
16、 首先构造三角网, 利用所有采样点取得的离散数据, 按照优化组合的原则, 把这些离散点( 各三角 形的顶点) 连接成相互连续的三角面( 在连接时 , 尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边 的长 度近似相等德洛内三角网) 三角网生成算法很多 , 大体上可分为三类 : 分割一 归并法、 逐点插入法和逐步生长法 , 本文采用 MA T L A B提供的 D e l a u n a y函数 , 采用了逐点插入法中 1种叫 Q u i c k H u l l 的算法 1 引, 综合了分割 归并法、 逐点 插入法的特点, 体现了它们 的综合优势 , 从而达到了较好的时空性能 ( 2 )三角网生成后
17、 , 可通过插值 的方法求出面内的其他任意点 , MA T I , A B提供 了线性、 样条 、 双三次 插值函数 文献 1 4 采用二维高斯小波函数作为插值函数 , 对比分析结果验证其插值精度较高 本文采用 该种函数 设点 p ( n , T, ) 为离散点集合 S中1 个待插值的控制点, 它落在 D e l a u n a y三角剖分的某一三角形 内( 实际上是指点( n, T) 落在该剖分三角形在 舰一T平面上投影的三角形 内) 该剖分三角形的 3个顶点 可以看作点 P ( n, T, ) 的型值点, 设 P ( n , T , g i ) , 1 , 2 , 3 x - - 维高斯小
18、波函数进行插值如下: g=f ( n, T ): k e 一 ( ) e 一 ( ) 。 ( 1 ) 式中: 为小波系数; a和 b分别为 方向和 方向的平移 因子; m 为伸缩 因子, 可作 为 1个可调整已知 参数来处理 可以看出式( 1 ) 中有 3 个未知参数, 把 P i ( , Y t , Z ) , i =1 , 2 , 3 分别代人式( 1 ) 可求出 k , a , b 因此给出三角内的任何位置( n, T ) 均可求得相应的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7卷 设置一定密度的等间隔的若干个点( T f ) 构成网格,
19、l , 2 , , , = 1 , 2 , , s 利用插值公式在 间隔点上进行插值计算 , 求得 , 利用这些点来表示空间的网格面( 图 1 ) ( 3 )给出等油耗线的数 目, 等间隔地找出比油耗值相同的点, 把这些点连接起来 , 一一画出形成曲线, 绘制出发动机万有特性曲线( 图 2 ) ( 4 ) 画等功率曲线, 求出等功率曲线上各点的( i , T f ) 所对应的 值, 找出其中最小的值, 则这点即 为最低比油耗点( 见图 2 ) 三 一 薹 桑 蚕 图 1 网格 曲面 F i g 1 Me s h s ur f a c e 2 某型泵车发动机万有特性曲线测试 鲁 幺 1 1 0
20、0 1 2 0 0 1 3 0 01 4 0 0 1 5 0o1 6 o O l 7 0 0 转速 ( r rai n ) 图 2 标 注最佳点的万有特性曲线 Fi g 2 Un i v e r s a l c h a r a c t e r i s t i c s c u r v e s o p t i ma l p oi n t 由于无法将混凝土泵车底盘发动机拆下做发动机台架试验 , 于是利用泵车现有的发动机控制系统及 液压系统设计测试方案, 在不对原系统进行任何改变的前提下对发动机进行加载 , 并i 贝 0 试有关参数 发动机输出转矩是测试发动机万有特性曲线必须测试的参数之一 , 由于泵
21、车底 盘传动系空间的限制 及拆装困难, 无法在发动机输出轴上安装扭矩传感器 , 只能间接获取 泵车发动机输 出轴经过传动轴 、 变速箱及分动箱环节后联接液压泵 , 从发动机输出端到分动箱输出轴 为纯机械传动, 能量损失为摩擦消耗, 测量有困难 为此, 将整个机械传动系统看作发动机的一部分, 将发 动机输出延伸到分动箱输 出端 而分动箱与液压泵相联, 可用液压加载方式问接对发动机进行加载, 测量 液压泵的压力和流量获得液压泵功率, 通过液压泵效率计算出动力系统输出功率, 再根据发动机转速计算 输出转矩 , 避免了动力输出轴上转矩的测量 , 简化了测试方案 液压系统加载工况设定如下: ( 1 )将
22、搅拌系统、 换向系统、 臂架系统卸载, 液压泵空载运行 ( 2 )将主液压泵恒功率点压力调到 3 2 MP a , 确保整个加载过程液压泵不进入变量状态而工作在最大 定排量状态, 以保证发动机足够的加载范围 ( 3 )泵送油缸不工作 , 相 当于泵 口溢流阀后管路堵塞 , 通过调定溢流阀工作压力进行加载 ( 4 )测试参数 : 发动机转速, 液压泵压力, 液压泵流量 ( 5 )用称量法计量每种工况下稳定运行后一定时间间隔消耗的燃油量 ( 6 )根据主液压泵的压力和流量计算液压泵功率 , 搅拌系统 、 换 向系统及臂架系统液压泵均为定量 泵, 按空载压力损失计算功率 各部分功率均按效率推算到分动
23、箱输出轴, 累加后作为发动机输出功率 再 根据发动机转速计算发动机输出扭矩 上述方案不需测量发动机输出扭矩, 避免了因底盘传动系空间限制而无法安装扭矩传感器的技术难 题 , 大大简化了测试方案 测试按发动机转速分为若干组 , 由泵车发动机速度控制系统设定并控制每挡速度 , 按主液压泵压力从 低到高设定 1 0 1 2个加载工况, 为 了提高测试精度 , 每个工况分别测试 3次, 记录液压泵压力 、 流量、 5 m i n 耗油量, 取平均值作为测试值 用 M A T 语言设计万有特性曲线绘制程序, 绘出图 3 所示的泵车发 O O O O O O O O 5 ; 砌 砌 鲫 学兔兔 w w w
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- 关 键 词:
- 混凝土泵 发动机 万有 特性 模型 工况 优化 研究
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