葉 敏，易小剛，蒲東亮，焦生杰

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710064;2.三一重工股份有限公司 研究總院，長(zhǎng)沙410100)

0 引 言

混凝土泵車是一種將混凝土泵的泵送機(jī)構(gòu)、用于布料的液壓卷折式布料臂架和支撐機(jī)構(gòu)集成在汽車底盤上，集行駛、泵送和布料功能于一體的混凝土輸送設(shè)備［1］。其工作過程可分為壓實(shí)階段、泵送階段和換向階段，相應(yīng)負(fù)載成不均勻周期性變化。為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，混凝土泵車的常規(guī)控制模式均將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作，此種工作方式雖然保證了動(dòng)力的充足性，但往往卻使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在油耗較高的轉(zhuǎn)速區(qū)域，造成底盤動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能下降。

國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)水泥混凝土泵車節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究。典型代表是德國的普茨邁斯 特(PUTZMEISTER)公 司［2］自 主 研 發(fā) 的Ergonic systems 系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)不同的底盤和柴油機(jī)特性，將混凝土泵車的泵送排量與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)合調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與液壓泵的需求功率保持一致，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率匹配。國內(nèi)部分高校和企業(yè)也進(jìn)行了混凝土泵的動(dòng)力匹配研究［3-5］，但其功率匹配僅以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率為約束條件，而對(duì)負(fù)載變化規(guī)律和液壓系統(tǒng)效率未加考慮，泵車的整體效率有待于進(jìn)一步提升。

根據(jù)目前國、內(nèi)外混凝土泵車節(jié)能發(fā)展的趨勢(shì)，本文從動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配的角度，通過試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行測(cè)試，利用遺傳算法對(duì)各部件工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。以某型混凝土泵車為研究對(duì)象，對(duì)泵車動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高混凝土泵車的功率利用率、降低其能耗。

1 全局功率匹配方法

1.1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的功率匹配

混凝土泵車的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)，圖1 為發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線，從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在每一個(gè)運(yùn)行功率下，存在不同的轉(zhuǎn)速和扭矩組合。但僅有一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的工作點(diǎn)，就是等功率曲線(圖1 中雙曲虛線)和等油耗曲線(圖1 中橢圓形實(shí)線)的切點(diǎn)，此時(shí)在滿足負(fù)載功率消耗需求時(shí)燃油消耗率最低。將所有功率下的最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)連起來，就形成了一條最佳燃油消耗率曲線(圖1中S 線)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大功率或額定功率點(diǎn)時(shí)，生產(chǎn)效率最高，但燃油消耗也迅速增大;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油消耗率曲線上時(shí)，經(jīng)濟(jì)性最好。由于在泵車的整個(gè)工作過程中，最大功率工作模式的工作時(shí)間所占比重并不大，這就要求在合理確定各工作模式的基礎(chǔ)上，科學(xué)、合理地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)部件的匹配計(jì)算，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足動(dòng)力性輸出的前提下，盡可能工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，減少動(dòng)力系統(tǒng)的功率損耗［6-8］。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線Fig.1 Engine universal characteristics curve

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩是隨著液壓泵的壓力和流量變化的，而液壓泵的壓力和流量又取決于負(fù)載。混凝土泵車傳動(dòng)過程中，由傳動(dòng)關(guān)系可知發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩Me與液壓泵(變排量)的吸收扭矩Mb之間的函數(shù)表達(dá)式為:

變量泵的負(fù)載特性表現(xiàn)為恒扭矩特性，變量泵扭矩Mb與外部負(fù)載壓力PL及變量泵排量qe之間的函數(shù)表達(dá)式為:

綜合式(1)(2)可得，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率Pe與外部負(fù)載壓力PL及變量泵排量qe及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne之間的函數(shù)表達(dá)式為:

由式(3)可知:對(duì)應(yīng)于一定的負(fù)載壓力PL，改變變量泵排量qe或(和)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne，均可滿足負(fù)載的作業(yè)要求，但不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量下，整機(jī)的燃油消耗不盡相同，存在優(yōu)化組合問題。

1.2 基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和液壓泵效率的全局功率匹配方法

性能一流的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵，組合起來并不一定能保證性能一流的動(dòng)力系統(tǒng)，其關(guān)鍵問題就是它們各自一流的優(yōu)越性未能得到同時(shí)發(fā)揮。因此必須選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行全局功率匹配，以充分發(fā)揮各部件的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)總體燃油消耗率最低。由圖2 可知，在負(fù)載功率消耗為110 kW 時(shí)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率進(jìn)行功率匹配，則低速工作點(diǎn)n1的燃油經(jīng)濟(jì)性(195 g/(kW·h))優(yōu)于高速工作點(diǎn)n2的燃油經(jīng)濟(jì)性(200 g/(kW·h))。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗和液壓泵效率進(jìn)行功率匹配，則工作點(diǎn)n2的總油耗約為246 g/(kW·h)，反而小于工作點(diǎn)n1的總油耗(250 g/(kW·h))。可見單考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率進(jìn)行功率匹配，系統(tǒng)的整體效率未必最佳。因此需以發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和液壓泵效率為約束條件，對(duì)系統(tǒng)總效率進(jìn)行優(yōu)化，通過恰當(dāng)?shù)墓β势ヅ浞椒ㄊ拱l(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)工作的同時(shí)也使液壓泵工作于高效率區(qū)。

圖2 不同工作點(diǎn)總體效率對(duì)比Fig.2 Comparison of whole efficiency of different work condition

全局功率匹配的目標(biāo)是在保持系統(tǒng)動(dòng)力性和滿足作業(yè)要求的前提下，基于負(fù)載概率分布，以負(fù)載消耗功率和作業(yè)要求作為優(yōu)化系統(tǒng)的輸入，通過組合優(yōu)化算法輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量，使發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵盡量同時(shí)工作在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的全局最優(yōu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 全局功率匹配示意圖Fig.3 Schematic of global power match

2 水泥混凝土泵車全局功率匹配

針對(duì)混凝土泵車進(jìn)行了全局功率匹配方法的應(yīng)用研究，泵車、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵參數(shù)如表1 所示。

表1 泵車、發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓泵參數(shù)表Table 1 Parameters of the vehicle，engine and hydraulic pump

2.1 負(fù)載壓力和流量概率分布

為了揭示負(fù)載分布的特征和規(guī)律，對(duì)泵車在實(shí)際建筑工地(混凝土標(biāo)號(hào)為C30)和橋梁工地(混凝土標(biāo)號(hào)為C60)液壓泵的壓力和流量分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析［9-11］。通過數(shù)據(jù)采集儀采集的微觀尺度的壓力波形如圖4 所示，分別對(duì)應(yīng)C30 混凝土和C60 混凝土施工工況。為了能清楚地反映負(fù)載壓力的特征，對(duì)泵車工作實(shí)際壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表2 所示。泵車在某建筑工地施工作業(yè)時(shí)，負(fù)載壓力為14 ～18 MPa 的概率超過了45%，中壓分布較多，負(fù)載壓力為6 MPa以下的概率為30%。橋梁工地液壓系統(tǒng)的最大壓力增至30 MPa，且絕大部分為中高壓，負(fù)載壓力為25 MPa 以上的概率為50%。從建筑工地和橋梁工地兩種壓力的概率分布可得出:①高壓分布的概率與負(fù)載阻力息息相關(guān):水泥混凝土標(biāo)號(hào)越大，阻力越大，高壓分布增多;標(biāo)號(hào)越小，阻力越小，中低壓分布較多。②系統(tǒng)基本不出現(xiàn)低壓大排量和高壓小排量工作點(diǎn)。節(jié)能降耗應(yīng)主要針對(duì)概率密度分布比較大的工況，即負(fù)載壓力為14 ～20 MPa 的工況進(jìn)行研究，相應(yīng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型，可以有效地提高泵車的總體能源利用率。

圖4 不同施工工況負(fù)載特征Fig.4 Load characteristics of different working condition

表2 不同施工工況的宏觀尺度壓力Table 2 Pressure of different working condition

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型

利用臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性，繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速變化的二維等值線圖，即發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性模型［12-14］。臺(tái)架功率起始值為10 kW，每次遞增10 kW，直到該轉(zhuǎn)速下的外特性最大輸出功率值。轉(zhuǎn)速從700 r/min 增至2000 r/min，每隔50 r/min 做一條負(fù)荷特性曲線。每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)3 次，每次測(cè)試5 min，測(cè)試結(jié)果取平均值，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所測(cè)的部分燃油消耗率如表3 所示。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experiment data of the engine load characteristics

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的建模，目前主要有兩種方法:①根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)列成矩陣來描述，計(jì)算時(shí)編寫插值函數(shù)提取;②曲面擬合的方法。曲面擬合法應(yīng)用方便、速度快，但擬合誤差較大，特別是針對(duì)復(fù)雜曲面，且有可能引起其系數(shù)矩陣出現(xiàn)病態(tài)。而插值法的特點(diǎn)則是精度較高，適用于各種曲面，其精度的高低則取決于數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密程度。本文采用插值法，且將數(shù)據(jù)選取點(diǎn)盡量選密，從而真實(shí)地反映發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的局部特點(diǎn)。如圖5 所示，在計(jì)算中采用二元拉格朗日插值法，計(jì)算任意一點(diǎn)g(x1，y2)處的燃油消耗率，可通過式(4)插值計(jì)算。

式中:x 為轉(zhuǎn)速n;y 為轉(zhuǎn)矩T;g(x，y)為燃油消耗率。

圖5 二維拉格朗日插值原理圖Fig.5 Schematic of two dimensional Lagrange interpolation

通過插值法繪制的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨速度和扭矩變化的等值線圖如圖6 所示，圖中點(diǎn)劃線為發(fā)動(dòng)機(jī)的基帶(轉(zhuǎn)速［850 1400］r/min，扭矩［800 1300］N·m)，此區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率小于200 g/(kW·h)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)其轉(zhuǎn)速和扭矩落于基帶內(nèi)，則系統(tǒng)具有較佳的燃油經(jīng)濟(jì)性;如果合理設(shè)計(jì)分動(dòng)箱傳速比或采用無極變速使發(fā)動(dòng)機(jī)大部分工況點(diǎn)落于基帶內(nèi)，則泵車的總體能源利用率將大幅提升。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性，分別找出等功率下燃油消耗率的極大值和極小值，可以分析出相同功率輸出在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的油耗情況及節(jié)省空間。由圖7 可知，柴油機(jī)在小功率負(fù)荷工況下節(jié)油的空間較大，最大可達(dá)67%，大功率負(fù)荷工況節(jié)油空間較小，在功率為200 kW 以上時(shí)節(jié)油空間小于5%。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率曲線Fig.6 Fuel consumption curve of the engine

圖7 柴油機(jī)等功率下油耗曲線Fig.7 Fuel consumption curve of engine with same power output

2.3 液壓泵效率模型

通過液壓泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試泵車主液壓泵效率隨泵出口壓力、轉(zhuǎn)速、排量的變化關(guān)系。采用多維拉格朗日插值法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和，繪制出不同排量下，泵效率隨轉(zhuǎn)速、壓力的等值線圖如圖8 所示。由圖8 可見，在控制電流為300 mA(泵排量比為25%)和控制電流為550 mA(泵排量比為87%)，泵的高效區(qū)位于左下角，即壓力為［10 20］MPa、速度為［800 1300］r/min。合理的功率匹配方案應(yīng)使液壓泵大多數(shù)工況點(diǎn)落在高效區(qū)內(nèi)。

圖8 液壓泵效率等值線圖Fig.8 Contour of the hydraulic pump efficiency

2.4 基于遺傳算法的全局功率匹配

全局功率匹配的目標(biāo)是依據(jù)負(fù)載概率分布、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗和液壓泵效率，對(duì)不同的系統(tǒng)輸入，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量下輸出使整體燃油消耗率最低的工作點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)［15-17］。總體燃油經(jīng)濟(jì)性以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量作為參數(shù)。優(yōu)化輸入為泵送作業(yè)要求所需的流量Q和主液壓泵的壓力P，而優(yōu)化輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 和液壓泵排量q，即在給定負(fù)載概率分布(Pi，Qi)的條件下，優(yōu)化出使全局燃油消耗率最小的系統(tǒng)輸出(ni，qi)，優(yōu)化目標(biāo)為:

建立發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵總體經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型的約束條件為:

各優(yōu)化變量為:

基于負(fù)載概率分布、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和液壓泵效率的全局功率匹配經(jīng)濟(jì)性參數(shù)優(yōu)化是混合變量的非線性復(fù)雜優(yōu)化問題。通過分析對(duì)比幾種優(yōu)化方法，結(jié)合待研究問題的特點(diǎn)，采用遺傳算法對(duì)經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型(在優(yōu)化領(lǐng)域又稱為目標(biāo)函數(shù))進(jìn)行組合優(yōu)化。遺傳算法是一種具有宏觀生物進(jìn)化意義的仿生算法。與傳統(tǒng)的經(jīng)典優(yōu)化方法相比，該方法不是從搜索空間的一個(gè)初始點(diǎn)開始的單點(diǎn)迭代搜索，而是從一個(gè)點(diǎn)群開始的全局尋優(yōu)，在搜索信息上，該方法不需要函數(shù)的梯度信息和導(dǎo)數(shù)值，直接以目標(biāo)函數(shù)就可以確定其搜索方向和搜索范圍，且有并行性和高效率特點(diǎn)?；谶z傳算法的混凝土泵車全局功率匹配過程為:

(1)編碼。在應(yīng)用遺傳算法之前，需要首先確定編碼方法。編碼是把問題的可行解從其解空間轉(zhuǎn)化到遺傳算法所能處理的搜索空間的過程。編碼方法在很大程度上決定了如何進(jìn)行群體的遺傳運(yùn)算以及遺傳進(jìn)化運(yùn)算的效率。常用的編碼方法有二進(jìn)制編碼、浮點(diǎn)數(shù)編碼和符號(hào)編碼等。

(2)適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度用于評(píng)價(jià)群體中各個(gè)體在優(yōu)化計(jì)算中有可能達(dá)到或接近最優(yōu)解的優(yōu)良程度。顯然，適應(yīng)度高的個(gè)體被保留的概率就大。用來度量適應(yīng)度高低的關(guān)系式即為適應(yīng)度函數(shù)。

(3)選擇。選擇的目的是從當(dāng)前群體中選出優(yōu)良的個(gè)體，使它們有機(jī)會(huì)作為父代為下一代繁殖子孫。選擇操作是建立在對(duì)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，選擇操作就是確定如何從父代群體中按某種方法選取哪個(gè)個(gè)體遺傳到下一代群體中。常用的選擇方法有比例選擇、最優(yōu)保存策略、無回放隨機(jī)選擇、排序選擇和隨機(jī)聯(lián)賽選擇等。本文選用最優(yōu)保存策略，即當(dāng)前群體中適應(yīng)度最高的個(gè)體不參與交叉運(yùn)算和變異運(yùn)算，而是用它來替換掉本代群體中經(jīng)過交叉、變異等遺傳操作后所產(chǎn)生的適應(yīng)度最低的個(gè)體，從而防止遺傳操作對(duì)適應(yīng)度最好個(gè)體的破壞。本文選擇函數(shù)參數(shù)為0.08。

(4)遺傳。用于從舊群體中產(chǎn)生出新的種群。包括交叉和變異兩種操作。交叉操作以交叉概率交換群體中隨機(jī)搭配成對(duì)兩個(gè)體的部分染色體，從而產(chǎn)生出新的個(gè)體，新個(gè)體組合了父輩個(gè)體的特性。變異操作以變異概率改變從群體中隨機(jī)選擇出的個(gè)體的某些基因值，它能有效避免局部最優(yōu)。本文中，交叉算子綜合使用了算術(shù)交叉和簡(jiǎn)單交叉，即在每一代的計(jì)算中，先進(jìn)行算術(shù)交叉，再進(jìn)行簡(jiǎn)單交叉，以提高群體的多樣性。與交叉操作類似，變異也綜合使用了邊界變異、均勻變異和非均勻變異。這種對(duì)各種算子的綜合使用能充分發(fā)揮各算子的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)彌補(bǔ)其不足。本文交叉算子參數(shù)為［10，10］，變異算子參數(shù)為［200，21003，200］。

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)，直到滿足終止條件，并以進(jìn)化過程中所得到的具有最大適應(yīng)度的個(gè)體作為最優(yōu)解輸出，結(jié)束計(jì)算。本文進(jìn)化代數(shù)為100。

將建筑工地和橋梁工地負(fù)載概率分布進(jìn)行匯總，重合疊加部分依概率進(jìn)行取舍，即建筑工地有泵送壓力為4 MPa 的工況點(diǎn)，同樣橋梁工地也具有泵送壓力為4 MPa 的工況點(diǎn)，取工況點(diǎn)概率值較大點(diǎn)作為優(yōu)化輸入，得到整個(gè)負(fù)載概率分布空間。遺傳算法優(yōu)化結(jié)果如表4 所示。而在實(shí)際施工過程中，對(duì)于中間輸入點(diǎn)，則參照式(4)多維拉格朗日插值法進(jìn)行求取，并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行平滑處理。如出現(xiàn)泵送排量為25%，泵送壓力為5 MPa 的工況點(diǎn)時(shí)，根據(jù)表4 輸出的控制目標(biāo)為:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min、液壓泵排量為36%。

表4 遺傳算法優(yōu)化輸入輸出表Table 4 Input and output tables of the GA

3 試 驗(yàn)

為了驗(yàn)證全局功率匹配方案的有效性，通過泵車打水試驗(yàn)進(jìn)行節(jié)能效果對(duì)比。在泵車輸送管上加裝可調(diào)節(jié)流彎管，模擬泵送負(fù)載工況，調(diào)節(jié)節(jié)流口開度，設(shè)定負(fù)載壓力。在主液壓泵出口加裝壓力傳感器，檢測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載壓力。測(cè)試泵車在10%～100%不同泵送量下的5 min 燃油消耗，記錄實(shí)際的泵送次數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集儀記錄柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和液壓系統(tǒng)的壓力。結(jié)合液壓泵排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算液壓泵的輸出流量。為避免溫度對(duì)油耗測(cè)量結(jié)果的影響，采用稱重法而非容積法測(cè)量油耗。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油路進(jìn)行改裝，將泵車底盤柴油機(jī)與油箱相連的進(jìn)、回油管拔出，將油管接入泵車外的油桶內(nèi)，將油桶吊起懸掛于稱重傳感器上，如圖9 所示。當(dāng)工況穩(wěn)定時(shí)，開始記錄稱重傳感器的數(shù)值，5 min 后再次記錄數(shù)值，計(jì)算不同泵送排量下的油耗量。

圖9 混凝土泵車節(jié)能油耗試驗(yàn)Fig.9 Experiment of fuel consumption of truckmounted concrete pump

3.1 新、舊匹配方案對(duì)比分析

圖10 為新、舊匹配方案下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和泵排量對(duì)比圖，由圖10 可知，在相同工況下舊匹配方案下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在泵送量為67%以下為恒定值，新匹配方案在泵送量為0 ～67%時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速比舊模式低，呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)泵送量超過67%時(shí)，兩種匹配方案下柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速幾乎相同，這說明在大泵送量工況下為了滿足作業(yè)要求，柴油機(jī)需要工作在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，輸出大功率;在小泵送量工況下，面對(duì)同種作業(yè)要求新匹配方案柴油機(jī)轉(zhuǎn)速比舊匹配方案低，可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。舊匹配方案下液壓泵開度在泵送量為0 ～67%時(shí)單調(diào)遞增，且與轉(zhuǎn)速的控制相對(duì)應(yīng)，以滿足系統(tǒng)流量需求;在新匹配方案下液壓泵開度隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，液壓泵的開度不再是單一遞增的，而是隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而呈不同曲線，相比舊匹配方案下液壓泵開度的變化，新匹配方案下液壓泵開度的控制更為合理，更多處于大排量高效區(qū)。新匹配方案下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量更多地工作于高效區(qū)。圖10 中出現(xiàn)的拐點(diǎn)是由于液壓泵的恒功率特性而導(dǎo)致的，匹配方案可進(jìn)一步優(yōu)化，確保輸出目標(biāo)的單調(diào)性。

圖10 新、舊匹配方案下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和泵排量隨泵送量變化曲線Fig.10 Corves of both engine velocity and pump displacement varying with puming volume under new and old power matching methods

3.2 節(jié)能效果對(duì)比試驗(yàn)

混凝土泵車經(jīng)濟(jì)性及能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為單位小時(shí)的油耗量、相同燃油下的工程量和相同時(shí)間內(nèi)的工程量。從市場(chǎng)的角度而言，這些指標(biāo)所反映的多、快、好、省的程度直接代表了用戶的真正需求。圖11 為新、舊控制方案下某種底盤泵車現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖11 新、舊控制策略燃油消耗率對(duì)比圖Fig.11 Comparison diagram of fuel consume rate under new and old control methods

常規(guī)對(duì)比方案為點(diǎn)與點(diǎn)工況進(jìn)行對(duì)比。將泵送排量設(shè)定為固定值后，調(diào)節(jié)節(jié)流彎管節(jié)流口使新、舊匹配方案在相同排量下的液壓泵壓力調(diào)節(jié)一致，但此種方法存在相當(dāng)大的難度、且調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。另外由于系統(tǒng)壓力采用壓力表顯示，顯示精度有限。本文采用綜合油耗率進(jìn)行對(duì)比。由于液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)效率的連續(xù)性，基于泵車的數(shù)學(xué)物理特性可推斷，系統(tǒng)的總體燃油消耗率與泵送次數(shù)的關(guān)系應(yīng)為連續(xù)光滑曲線。本文采用二次擬合對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，而曲線與x 軸圍成的面積則與泵送單位立方混凝土所需比油耗成正比。

對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，新匹配方案的油耗曲線和舊匹配方案的油耗曲線擬合函數(shù)分別為:

對(duì)擬合曲線函數(shù)做定積分，求得新、舊匹配方案的全工況油耗情況為:

相對(duì)節(jié)油率為:

試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算表明:在泵車最常用的泵送量(10 ～80 m3/h)的區(qū)域內(nèi)，新匹配方案節(jié)能效果顯著，節(jié)油率可以達(dá)到22%～46%，泵車綜合節(jié)油率為16%。

4 結(jié) 論

在保持系統(tǒng)動(dòng)力性和滿足作業(yè)要求的前提下，基于負(fù)載概率分布，以負(fù)載消耗功率和作業(yè)要求作為優(yōu)化系統(tǒng)的輸入，通過組合優(yōu)化算法輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵排量，使發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵盡量同時(shí)工作在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的全局最優(yōu)。

(1)混凝土泵車節(jié)能降耗應(yīng)主要針對(duì)概率密度分布大的工況(即負(fù)載壓力為14 ～20 MPa 的工況)進(jìn)行研究。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)其轉(zhuǎn)速和扭矩落于基帶內(nèi)(轉(zhuǎn)速［850 1400］r/min，扭矩［800 1300］(N·m))，則系統(tǒng)具有較佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。

(3)在300 mA 控制電流下(泵排量比為25%)和550 mA 控制電流下(泵排量比為87%)，泵的高效區(qū)位于圖8 的左下角，即壓力為［10 20］MPa、速度為［800 1300］r/min。

(4)混凝土泵車新、舊功率匹配方案油耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在泵車最常用泵送量10 ～80 m3/h 的區(qū)域內(nèi)，泵車節(jié)能效果顯著，節(jié)油率可以達(dá)到22%～46%，泵車綜合節(jié)油率為16%。

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