挖掘机起动性能提升的方法研究_张成兰.pdf
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1、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
2、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
3、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 Pe
4、rformance 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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
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