泵与发动机的功率匹配原理

泵与发动机的功率匹配原理发动机的输出功率：ｎｅ=ｍｅ·ｎｅ/9549（1）式中：ｎｅ——发动机输出功率（kw）ｍｅ——发动机转矩（n·m）ｎｅ——发动机转速（r/min）泵的输出功率为：ｎｂ＝ｐｂｑｂ/60＝ｐｂｑｂｎｂ/60000（２）式中：ｎｂ——泵的输出功率（kw）ｐｂ——泵出口压力（mpa）ｑｂ——泵出口流量（l/min）ｑｂ——泵的排量（ml/r）ｎｂ——泵的转速（r/min）泵与发动机直接连接，有ｎｂ=ｎｅ。由传动关系知，ｎｂ与ｎｅ又满足：ｎｂ=ｎｅη１η２（3）式中η1——泵与发动机之间的传动效率，泵与发动机直接连接时取为1，泵与发动机通过分动箱相连时取为0.97η2——泵自身的效率，由于泵一般为变量柱塞泵，当泵的排量、转速、压力变化时，效率也随之变化，因此，泵的效率值由供应商提供。当发动机期望工作在某一最佳工作点时，其输出转矩为一常值，所以泵与发动机功率匹配，有关系式：ｍｂ＝ｐｂｑｂ/2π＝常值（4）式中：ｍｂ——泵的吸收转矩n·m因此，当负载ｐｂ变化时，通过调节泵的排量ｑｂ使得泵的输出转矩不变，就实现了泵与发动机之间的功率匹配，发动机的转速为设定的最佳工作点处的转速。从而得出结论：当发动机在设定的最佳工作点运行时，欲实现泵与发动机匹配，则要求泵具有恒功率特性，图１所示。此主题相关图片如下：[disablelbcode]恒功率泵可采用机械控制或微控器控制，机械控制的恒功率变量是靠不同的弹簧组合来近似实现恒功率的，在其恒功率区段能实现泵与发动机的匹配，但是有调节不方便、存在误差等不足。而当采取微控器（如ＭＣ控制器）控制时，能实现泵与发动机的精确匹配，而且调节方便。２柴油机最佳工作点的选取图２是发动机的外特性转矩曲线图，曲线ＡＢＣＤ是发动机的全负荷速度特性，斜线ＡＨ、ＢＩ、ＣＪ、ＤＫ为不同油门位置时的调速特性。点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ分别是对应的最大功率输出点。因为一个油门位置Ｘ对应一个最大功率输出点，所以最大功率Ｎｍａｘ（Ｍ，ｎ）是油门位置ｘ的函数，即：Ｎｍａｘ（Ｍ，ｎ）＝ｆ１（ｘ）（5）所以只要调节油门的位置，就可选择不同的功率模式。发动机在工作时，其所受的转矩为自变量，转矩的大小取决于后接负载的大小，而发动机转速是因变量，所以：ｎ＝ｆ２（Ｍ）６因为发动机正常工作时，后接负载往往低于该油门位置时的最大负载，所以发动机工作时往往工作在调速特性阶段，而调速特性段的功率低于该油门位置时的最大功率，因此发动机在正常工作时其效能往往未能得到充分发挥。要想得到最大的工作效率，发动机应始终工作在最大功率点。在不同的油门位置下，虽然都可以工作在最大功率点，但是在有些最大功率点（如图２中的Ｂ、Ｃ、Ｄ点）抗过载能力很差，容易导致发动机熄火，所以在不同油门位置下，最大功率点的设定应如图２中的Ａ、Ｅ、Ｆ、Ｇ点，使得在每一个最大功率点都留有一定的过载余量如δＭ＝ＭＤ－ＭＧ，而不至于导致发动机熄火，δＭ大小视不同油门位置时的具体工作特性而定，其趋势如图２中的ＡＥＦＧ曲线，因此实际工作时设定的最大功率点应落在ＡＥＦＧ曲线上。此主题相关图片如下：[DISABLELBCODE]由图３的ＮＴ８５５－Ｃ２８０ＢＣⅢ柴油机外特性曲线可以看出（见图３中曲线２）：发动机飞轮转矩的增加会引起发动机转速的下降（掉速），当发动机转速下降至最大转矩点时?熏发动机输出转矩开始下降，此时发动机工作不稳定，转速急剧下降直至熄火，为了防止发动机熄火和充分利用发动机功率，只有及时减小液压泵的排量，降低发动机的负荷。从图３可以看出，只有当发动机工作在（１６００，１９００）r/min区段时即可兼顾发动机输出功率与转矩均在较大且比油耗最小状态３泵与发动机匹配的实现对于全液压推土机，泵与发动机匹配的实现，一般采用极限负荷调节法。由图１可以看出，由于变量柱塞泵具有恒功率的特性，所以实现恒功率控制是一种最理想的状态。但在实际应用中，恒功率控制是非常难以实现的，比较成功的一种办法是实现发动机的恒转速控制。采用极限负荷调节法，使发动机工作在最佳转速范围内。如图４，发动机９和变量泵４刚性联接在一起，变量泵４输出的高压油液经高压油管７使行走马达８旋转输出动力，输出的动力经减速后传给履带６。操作油门操纵杆１０，会同时拉动油门位置传感器１１产生电信号传给ＭＣ微控器５，所有信号可以通过仪表板１显示出来此主题相关图片如下：1.仪表板2.转速传感器3.行驶手柄4.变量泵5.MC微控器6.履带7.高压油管8.行走马达9.发动机10.油门杆11.油门位置传感器当机器在铲掘工况时遇到大负荷，行走马达８的负载转矩增加；在行走闭式系统的流量、马达转速不变的情况下，马达的排量也会保持不变。但由于负荷的增加，高压油管７内的压力就会升高。这样使得变量泵４的负载转矩增加，由于发动机９和变量泵４直接连接在一起，泵的负载增加导致发动机飞轮转矩增加。在负载的作用下，发动机转速下降。此时，ＭＣ微控器５根据由转速传感器２传来的信号，计算出此时实际转速与对应油门开度下的设定转速的差值Δｎ，经数据处理和ＰＩＤ运算后，调节变量泵４的比例阀电流，以减小变量泵４的排量而使其吸入转矩减小，由于负载的减轻，发动机转速回升；反之亦然。这样使发动机９工作在最佳转速范围内。图５为极限负荷调节过程的原理图。此主题相关图片如下：４马达与泵的匹配从理论上讲，马达与泵并无特殊的匹配关系。但是在推土机的实际设计过程中，马达与泵有排量上的匹配关系，根据匹配经验，一般马达的排量应为泵排量的1.6~2.2倍，否则，会出现行走系统压力过高、行驶速度波动过大、马达转速过高、发动机出现掉速和作业效率低等故障。一般来说，马达排量越大越好，但马达排量越大，会使制造成本过高。马达排量和推土机发动机的飞轮功率也有一个匹配关系。当发动机的飞轮功率用马力表示时，马达排量为飞轮功率的0.8~1.1倍合适。全液压推土机的匹配计算时，应考虑充分利用液压泵和马达的的效率，影响马达效率的因素有转速、压力和排量，这３个方面必须综合考虑。根据ＬＩＮＤＡ、ＲＥＸＲＯＴＨ和ＳＡＵＥＲ三大著名液压元件厂商提供的资料，变量柱塞泵和马达有以下特点：（１）泵的工作高效区。假设行走泵工作的额定压力为Ｐｐ，额定转速为ｎｐ，最大排量为ｖｐ，当行走闭式系统工作压力在0.2~0.85ＰＰ、泵工作转速在0.3~0.85ｎｐ、泵的排量在0.70~1.0ｖｐ变化时，泵的效率变化不明显，此范围内泵的总效率可达９１％以上。（２）马达工作高效区。马达的高效区同泵的高效区有相似性，假设马达工作额定压力为Ｐｍ，额定转速为ｎｍ，最大排量为ｖｍ，当行走闭式系统工作压力在0.4~0.85Ｐｍ、马达工作转速在0.1~0.45ｎｐ、马达排量在0.80~1.0ｖｐ变化时，效率变化不明显，此范围内马达的总效率可达９０％以上。根据上述特点，在进行总体匹配时，要将推土机的切土和运土工况匹配在上述区域，在高速返回工况，也要尽量匹配在高效区。５传动系统速比的选择传动系统速比是全液压推土机匹配中一个非常关键的参数，它对推土机的作业效率和可靠性有很大影响。传动系统的速比与主机总体设计时所需的最大牵引力和最大行驶速度有关。速比的选取首先应保证推土机的最大理论牵引力。根据设计经验，全液压推土机最大理论牵引力为机重的1.15~1.30倍较为合适。过小会出现最大牵引效率段的速度过低，影响作业效率，行走液压系统的压力过高，易出现爆管，发动机易掉速。过大会出现生产成本过大，系统压力过低，泵和马达在低压力下机械效率偏低。其次，速比的选取还应考虑最大行驶速度，最大倒车空驶速度一般应为10~11km/h，一般不应低于9.0km/h，否则会影响作业效率。设计时应保证推土机在切土工况时的速度为2~3km/h，运土工况的行驶速度为4~6km/h。速比的选择应综合考虑，为降低减速器齿轮的搅油损失，提高马达和减速器的使用寿命，应控制马达的最高转速在马达许用转速的0.6~0.8之间。６小结（1）全液压推土机传动系统与柴油机匹配时，要将正常工作的工况匹配在最大功率、低油耗区，并防止柴油机转速波动过大；（2）泵与柴油机匹配时，采用极限负荷调节法，通过MC控制器的PID运算，可以较好地使柴油机工作在最佳转速范围内；（3）泵与马达匹配时，一定要注意泵与马达的排量匹配关系，并在匹配时，将推土机的切土和运土工况匹配在泵和马达的高效区；（4）机械传动系统的总速比要兼顾最大牵引力和最大行驶速度，不能顾此失彼，否则会影响整机的牵引性能。R-直列多缸排列发动机V-V型汽缸排列发动机B-水平对置式排列多缸发动机WA-汪克尔转子发动机W-W型汽缸排列发动机Fi-前置发动机（纵向）Fq-前置发动机（横向）Mi-中置发动机（纵向）Mq-中置发动机（横向）Hi-后置发动机（纵向）Hq-后置发动机（横向）OHV-顶置气门，侧置凸轮轴OHC-顶置气门，上置凸轮轴DOHC-顶置气门，双上置凸轮轴CVTC-连续可变气门正时机构VVT-i--气门正时机构VVTL-i--气门正时机构ES-单点喷射汽油发动机EM-多点喷射汽油发动机SDi-自然吸气式超柴油发动机TDi-Turbo直喷式柴油发动机ED-缸内直喷式汽油发动机PD-泵喷嘴D-柴油发动机（共轨）DD-缸内直喷式柴油发动机TA-Turbo（涡轮增压）SFI-连续多点燃油喷射发动机FSI-直喷式汽油发动机气门Valve顶置凸轮轴OverHeadCamshaft（OHC）顶置双凸轮轴DoubleOverHeadCamshaft（DOHC）或称TwinCamshaft直列四缸Inline4水平对置发动机(BoxerEngine)四冲程汽油机(Reciprocating4StrokeCycleEngine)柴油机(DieselEngine)转子发动机(RotaryEngine)气缸体(CylinderBlock)气缸套(CylinderLiner)连杆(ConnectingRod)曲轴(CrankShaft)油底壳(OilPan)活塞(Piston)活塞销(PistonPin)活塞环(PistonRing平衡机构(Balancer)气缸盖(CylinderHead)进气门和排气门(IntakeValve/ExhaustValve)气门座(ValveSeat)气门弹簧(ValveSpring)气门锁块(Cotter)气门间隙调节垫片(Shim)凸轮轴(Camshaft)摇臂(RockerArm)摇杆(SwingArm)齿形皮带(TimingBelt)气门间隙调节器(又称液压挺杆)(ValveLashAdjuster)配气相位(气门开闭角度)(ValveTiming)可变进气系统(VariableInductionSystem)化油器(Carburetor)喉管(Venturi)可变喉管(VariableVenturi)汽油泵(FuelPump)惯性增压(InertiaChange)进气管(IntakeManifold)节气门(ThrottleValve)空气滤清器(AirCleaner)汽油喷射系统(FuelInjection)空气流量计(AirFlowMeter)节气门体(ThrottleBody)汽油喷嘴(Injector)单点喷射(SinglePointInjection)自然进气(NaturalAspiration)涡轮增压器(TurboCharger)中冷器(InterCooler)爆振(Knocking)爆振传感器(KnockSensor)机械增压器(SuperCharger)