黎程，杜志良，張露捷（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海市201114）

某電控發(fā)動機(jī)匹配30噸挖掘機(jī)應(yīng)用研究

黎程，杜志良，張露捷
（濰柴動力上海研發(fā)中心，上海市201114）

基于一臺30 t挖掘機(jī)開展某電控發(fā)動機(jī)的匹配研究，掌握30 t挖掘機(jī)動力系統(tǒng)總成匹配和發(fā)動機(jī)優(yōu)化方法。本項(xiàng)目針對原裝挖掘機(jī)動力系統(tǒng)各主要零部件進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)和試制加工，完成對動力系統(tǒng)總成的優(yōu)化匹配及換裝。對改裝后的挖掘機(jī)進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)驗(yàn)證，并與原裝挖掘機(jī)性能進(jìn)行對比分析，達(dá)到并超越原裝機(jī)的技術(shù)水平。

挖掘機(jī)電控發(fā)動機(jī)優(yōu)化匹配

1 前言

我國工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)2000年以來快速發(fā)展，2012年全行業(yè)產(chǎn)值為6 018.34億元。根據(jù)國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年，工程機(jī)械行業(yè)銷售規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到9 000億元[1]。盡管如此，我國工程機(jī)械行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展卻受制于關(guān)鍵零部件。針對挖掘機(jī)而言，主要系統(tǒng)即動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的配套主要靠國際采購。發(fā)動機(jī)主要集中在康明斯、三菱、五十鈴、洋馬等品牌，液壓件主要集中在川崎、力士樂、東芝等品牌。除小型挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)有國內(nèi)配套外，其他規(guī)格挖掘機(jī)用發(fā)動機(jī)、液壓件幾乎完全靠國外配套，受制于國外公司，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)能力得不到長足有效的發(fā)展[2]。

挖掘機(jī)是用途最廣泛的工程機(jī)械產(chǎn)品之一，也是整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)增長最為迅速的板塊。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施和建筑行業(yè)的快速發(fā)展，挖掘機(jī)的需求量也在快速增加。僅2011全年累計(jì)，中國市場挖掘機(jī)總銷量為17.8萬臺，同比增長6.9%。近年來，隨著國內(nèi)制造業(yè)總體水平的提高，國產(chǎn)挖掘機(jī)，特別是中小挖掘機(jī)的市場占有率也在迅速提高。

為響應(yīng)市場需求，本文以三一公司的SANY335C-8型挖掘機(jī)為樣本，開展某電控發(fā)動機(jī)的匹配研究，以掌握30 t挖掘機(jī)動力系統(tǒng)總成匹配和發(fā)動機(jī)優(yōu)化方法。

2 開發(fā)流程及目標(biāo)

通過對原型挖掘機(jī)進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)，獲得整機(jī)性能數(shù)據(jù)。對原裝五十鈴6HK1發(fā)動機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，有針對性地提出發(fā)動機(jī)優(yōu)化目標(biāo)，使目標(biāo)發(fā)動機(jī)的油耗特性優(yōu)于原裝五十鈴6HK1發(fā)動機(jī)。根據(jù)改裝方案對原裝挖掘機(jī)動力總成及其附件進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)和試制加工，完成樣機(jī)改裝。對改裝后的挖掘機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，與原型機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，最終確認(rèn)動力總成匹配方案是否合理。項(xiàng)目開發(fā)流程見圖1。

根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，確定目標(biāo)挖掘機(jī)噪聲水平應(yīng)與原型機(jī)相當(dāng)，挖掘力、牽引力及行駛速度等主要指標(biāo)不低于原型機(jī)，油耗較原型機(jī)降低5%，排放達(dá)到國Ⅲ排放要求且具備排放升級潛力。

圖1 項(xiàng)目開發(fā)流程圖

3 發(fā)動機(jī)選型

根據(jù)挖掘機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境，發(fā)動機(jī)經(jīng)常處在大負(fù)荷的工作狀態(tài)，因此必須要有足夠的扭矩儲備率，保證挖掘機(jī)的正常工作。因此發(fā)動機(jī)的扭矩儲備率定為11%。國家標(biāo)準(zhǔn)對挖掘機(jī)噪聲和振動要求比較嚴(yán)格，發(fā)動機(jī)噪聲目標(biāo)值小于96.9 dB(A)，振動應(yīng)處于C級，可容忍工作狀態(tài)。根據(jù)三一公司SANY335C-8型挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)艙的實(shí)際大小，發(fā)動機(jī)的最大外形尺寸（長×寬×高）為1 357× 995.4×1 162.5mm。

隨著油價(jià)的不斷上漲，挖掘機(jī)對油耗的要求越來越高，因此對發(fā)動機(jī)的性能要求也越來越高。結(jié)合挖掘機(jī)用發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)主要集中在高轉(zhuǎn)速及大扭矩區(qū)的特點(diǎn)，選定目標(biāo)發(fā)動機(jī)萬有特性見圖2。外特性最低油耗率在199 g/(kW·h)，400N·m以上扭矩范圍，油耗率在210 g/(kW·h)以內(nèi)。經(jīng)濟(jì)區(qū)分布在1 600 r/min附近區(qū)域，既滿足中低檔位工況又兼顧大負(fù)荷工況。

圖2 目標(biāo)發(fā)動機(jī)萬有特性圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣機(jī)改裝

4.1 懸置系統(tǒng)

（1）發(fā)動機(jī)懸置支撐

由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)與五十鈴6HK1發(fā)動機(jī)的機(jī)體長度、寬度存在差異，因此原挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)懸置支撐無法借用，重新設(shè)計(jì)加工。具體方案見圖3。

圖3 發(fā)動機(jī)懸置方案

加工改裝過程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）原挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)懸置全部切割，打磨平整，保證表面光潔度；（2）焊接時(shí)，保證不允許有焊渣、毛刺；（3）保證懸置的水平度，避免因懸置水平度不夠造成受力不均和搖晃、震動等。

（2）發(fā)動機(jī)支架

目標(biāo)發(fā)動機(jī)與6HK1發(fā)動機(jī)的高度不同，即風(fēng)扇的中心高度也不同。在改裝過程中借用了原挖掘機(jī)的水箱、中冷器等附件，即原挖掘機(jī)前端冷卻系統(tǒng)的位置不變，因此必須使改裝后目標(biāo)發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇中心高度與原機(jī)相同，故而重新設(shè)計(jì)與加工了發(fā)動機(jī)支架。

4.2 進(jìn)氣系統(tǒng)

目標(biāo)發(fā)動機(jī)與6HK1發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管位置左右相反，重新設(shè)計(jì)空濾進(jìn)氣管、空濾變截面進(jìn)氣管。由于進(jìn)氣管路的不同，原挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)護(hù)板重新進(jìn)行加工。

為了提高目標(biāo)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣效率，增加濾清效率，防止發(fā)動機(jī)出現(xiàn)早磨，重新選配了一級空氣濾清器（粗濾）、空氣濾清器，同時(shí)空濾支架和空濾蓋板按照新的尺寸重新加工，見圖4。

圖4 空氣濾清器

4.3 排氣系統(tǒng)

目標(biāo)發(fā)動機(jī)與6HK1發(fā)動機(jī)排氣管的位置左右相反，排氣管路相應(yīng)地發(fā)生變化。由于排氣管位置的變化，消聲器排氣接口的位置也要改變。根據(jù)目標(biāo)發(fā)動機(jī)的性能特性曲線，重新選配消聲器。新消聲器尺寸比原挖掘機(jī)的消聲器大，同時(shí)避免消聲器與主泵干涉，重新設(shè)計(jì)消聲器支架，發(fā)動機(jī)艙降噪板進(jìn)行改制加工。消聲器排氣管的位置與原挖掘機(jī)位置相反，因此挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)罩重新開口，示意圖見圖5。

圖5 消聲器排氣接管及支架

4.4 冷卻系統(tǒng)

圖6 導(dǎo)風(fēng)罩

由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)與6HK1發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣位置相反，且進(jìn)排氣在同一側(cè)，因此中冷器的進(jìn)排氣管需要重新設(shè)計(jì)加工。同時(shí)目標(biāo)發(fā)動機(jī)水泵位置與6HK1發(fā)動機(jī)不同，水泵的進(jìn)出水管重新設(shè)計(jì)和加工，見圖7。

圖7 水泵進(jìn)出水管

4.5 燃油系統(tǒng)

為了滿足國Ⅲ排放要求，同時(shí)考慮到用戶可能會不使用高品質(zhì)燃油，以及挖掘機(jī)惡劣的工作環(huán)境，專門開發(fā)了三級燃油濾清器。新開發(fā)的三級燃油濾清器過濾效果更好，能夠保證發(fā)動機(jī)更好地運(yùn)轉(zhuǎn)。由于新開發(fā)的燃油濾清器體積比原裝燃油濾清器大，若能夠方便地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)、更換濾芯，因此采用外接式燃油濾清器。

4.6 潤滑系統(tǒng)

為了方便挖掘機(jī)的日常保養(yǎng)、維護(hù)、更換濾芯，目標(biāo)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)為外接式機(jī)油濾清器，為用戶提供方便。

4.7 空調(diào)系統(tǒng)

在改裝過程中，借用了原挖掘機(jī)的空調(diào)壓縮機(jī)，空調(diào)安裝位置上移，增加空調(diào)固定連接板，空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動皮帶長度也重新匹配。為了保證空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動皮帶與輪系皮帶的間隙，曲軸皮帶輪重新設(shè)計(jì)。

4.8 電器系統(tǒng)

原6HK1發(fā)動機(jī)為機(jī)械式噴油泵，目標(biāo)發(fā)動機(jī)為電控高壓共軌，兩種控制方式存在明顯的差異。目標(biāo)發(fā)動機(jī)帶有電控硅油風(fēng)扇、ECU控制、進(jìn)氣預(yù)熱等功能，這些都是原挖掘機(jī)整車線路中沒有的。為了保證挖掘機(jī)能夠正常運(yùn)行，以上的功能必須連接到整車線束中。同時(shí)由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)與原6HK1發(fā)動機(jī)啟動電機(jī)位置相反，導(dǎo)致啟動馬達(dá)線束不夠長。因此挖掘機(jī)整車線束也需要重新設(shè)計(jì)。新的線束布置見圖8。

4.9 其他系統(tǒng)改裝

（1）飛輪和飛輪殼的設(shè)計(jì)加工

由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)第一次配套挖掘機(jī)，飛輪安裝定位孔與液壓泵尺寸不同，因此飛輪安裝定位孔需要重新加工。在安裝過程中，為了保證風(fēng)扇與水箱的安裝距離，目標(biāo)發(fā)動機(jī)安裝位置比原6HK1發(fā)動機(jī)更靠近水箱。由于挖掘機(jī)液壓主泵無法改變，飛輪殼的安裝孔與液壓主泵也不相同，因此需要設(shè)計(jì)過渡連接盤。

（2）水溫表、機(jī)油壓力表的設(shè)計(jì)

原6HK1發(fā)動機(jī)水溫和機(jī)油壓力由挖掘機(jī)控制系統(tǒng)收集信號，在挖掘機(jī)顯示屏上可以直接看到相關(guān)數(shù)據(jù)。改裝后發(fā)動機(jī)為電控發(fā)動機(jī)，其相關(guān)參數(shù)由ECU直接控制。在改裝過程中，挖掘機(jī)控制器無法直接讀取目標(biāo)發(fā)動機(jī)ECU中的數(shù)據(jù)。為了能夠在挖掘機(jī)的工作過程中實(shí)時(shí)了解發(fā)動機(jī)的水溫、機(jī)油壓力，重新設(shè)計(jì)了外接水溫表和機(jī)油壓力表。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)結(jié)果對比

對原型挖掘機(jī)進(jìn)行全面的性能試驗(yàn)，以獲得整機(jī)性能數(shù)據(jù)，試驗(yàn)包括發(fā)動機(jī)臺架性能試驗(yàn)、液壓系統(tǒng)性能試驗(yàn)、整機(jī)行走速度、作業(yè)力測量及作業(yè)油耗等。

在保證挖掘機(jī)操做人員、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境等試驗(yàn)條件相同的前提下，進(jìn)行改裝后挖掘機(jī)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。獲得改裝后挖掘機(jī)的整機(jī)性能數(shù)據(jù)，對比分析樣機(jī)性能的優(yōu)劣，為后續(xù)改進(jìn)及項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)提供依據(jù)。試驗(yàn)包括液壓系統(tǒng)性能試驗(yàn)、整機(jī)行走速度試驗(yàn)、作業(yè)油耗試驗(yàn)、作業(yè)力測量及整機(jī)噪聲振動試驗(yàn)等。主要試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從試驗(yàn)結(jié)果看，改裝后挖掘機(jī)與原型挖掘機(jī)相比，二者除噪聲和油耗外，整機(jī)主要性能差異在2%以內(nèi)。由于目標(biāo)發(fā)動機(jī)采用電磁離合器風(fēng)扇，發(fā)動機(jī)ECU根據(jù)水溫來控制風(fēng)扇離合器的開閉，故改裝后挖掘機(jī)噪聲試驗(yàn)測試按照風(fēng)扇開、閉兩種狀態(tài)分別進(jìn)行。從試驗(yàn)結(jié)果看，風(fēng)扇的開啟對整機(jī)噪聲的影響較大，且發(fā)動機(jī)本體噪聲較原型機(jī)大，后續(xù)將重點(diǎn)進(jìn)行降噪改進(jìn)。

表2為改裝前后挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性能對比試驗(yàn)?？梢?，改裝后挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性能改善明顯，平均每斗燃油消耗量較原型機(jī)少3.7%～19.7%。其中重載工況節(jié)油率略低，中等負(fù)載工況節(jié)油率較高。綜合節(jié)油率為11.2%。H、S、L分別表示挖掘機(jī)功率輸出模式中的高、中、低選項(xiàng)。

表1 改裝前后挖掘機(jī)基本性能對比試驗(yàn)結(jié)果

表2 改裝前后挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)結(jié)果

5.2 發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況分析

通過記錄挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)電控發(fā)動機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果，繪制挖掘機(jī)作業(yè)工況發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況圖。通過分析發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的分布，可以更直觀地研究挖掘機(jī)動力總成匹配的合理性，為后續(xù)發(fā)動機(jī)改進(jìn)提出更有針對性的優(yōu)化建議。運(yùn)行工況圖見圖9、圖10。

分析圖9所示發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的分布情況，可以得出如下結(jié)論。

（1）在H模式下，1至4檔運(yùn)行工況較集中，發(fā)動機(jī)運(yùn)行在1 400 r/min～1 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，未體現(xiàn)各檔的差異性。5至8檔運(yùn)行工況分布較均勻。9至11檔運(yùn)行工況重合。鑒于上述情況，發(fā)動機(jī)油門控制策略需進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)做到H模式11個(gè)檔位下，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況各自獨(dú)立，不出現(xiàn)沖突。

（2）H模式8至11檔集中運(yùn)行在額定工況點(diǎn)附近，此區(qū)域發(fā)動機(jī)油耗表現(xiàn)不理想。后期改進(jìn)措施考慮將發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)向高轉(zhuǎn)速段偏移100 r/min，可以實(shí)現(xiàn)約2%的節(jié)油效果。

（3）H模式9至11檔集中運(yùn)行在額定工況點(diǎn)，發(fā)動機(jī)能發(fā)出最大功率，挖掘機(jī)也能發(fā)揮最大潛力。

分析圖10所示發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的分布情況，可得出如下結(jié)論。

（1）在1至4檔，L模式的運(yùn)行工況與H模式一樣，分布較集中，發(fā)動機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min～1 500 r/min區(qū)間，未體現(xiàn)各檔的差異性。5至9檔運(yùn)行工況分布較均勻。鑒于低檔位出現(xiàn)的問題，發(fā)動機(jī)油門控制策略需進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，應(yīng)做到L模式9個(gè)檔位下，發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況各自獨(dú)立，不出現(xiàn)沖突。

（2）L模式各檔位下發(fā)動機(jī)扭矩輸出較一致，均集中分布在400 N·m至700 N·m之間，對此區(qū)域進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油。

（3）L模式各檔位下發(fā)動機(jī)扭矩均未達(dá)到外特性輸出，發(fā)動機(jī)扭矩富余。

6結(jié)論

（1）目標(biāo)挖掘機(jī)的挖掘力、牽引力及行駛速度等主要指標(biāo)與原型機(jī)相當(dāng)，綜合油耗較原型機(jī)降低11.2%，排放達(dá)到國Ⅲ排放要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（2）目標(biāo)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇的開啟對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)值較大，且發(fā)動機(jī)本體噪聲較原型機(jī)大，后續(xù)將重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)動機(jī)降噪設(shè)計(jì)。

（3）目標(biāo)挖掘機(jī)H模式和L模式1至4檔運(yùn)行差異性較小，發(fā)動機(jī)油門控制策略需進(jìn)行優(yōu)化。

（4）目標(biāo)發(fā)動機(jī)對萬有特性相關(guān)區(qū)域進(jìn)行油耗優(yōu)化，整機(jī)還有節(jié)油潛力。

圖9 挖掘機(jī)H模式發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況圖

圖10 挖掘機(jī)L模式發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況圖

[1]2015-2020年中國工程機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析與發(fā)展趨勢預(yù)測報(bào)告,中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng),2014.

[2]邸鵬遠(yuǎn)，張曉春，史文輝.液壓挖掘機(jī)行業(yè)狀況分析[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2008（12）.

[3]陳欠根，費(fèi)望龍，蔣蘋.液壓挖掘機(jī)功率匹配節(jié)能方法研究[J].建筑機(jī)械，2007（12）.

[4]王慶豐，張彥廷，肖清.混合動力工程機(jī)械節(jié)能效果評價(jià)及液壓系統(tǒng)節(jié)能的仿真研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005（12）.

Applied Research on an Electronically Controlled EngineMatching 30 Ton Excavator

LiCheng,Du Zhiliang,Zhang Lujie
（WeiChaiPowerCo.,Ltd.,ShanghaiR&DCenter,Shanghai201114,China)

Based on a 30 ton excavator to carry out a matching test of an electronically controlled engine,master 30 tons of excavator powertrain assemblymatching and engine optimization methods.This project is aimed at the design and trial processing of the main components of the original excavator powertrain,and completes the optimized matching and replace the powertrain assembly.The modified excavator for a comprehensive performance test verification,and with the original excavator performance comparison analysis,toachieveand beyond theoriginalmachine technology level.

excavator,electronically controlled engine,matching

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.005

來稿日期：2016-12-11

黎程（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚋y試技術(shù)。