一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法技术

一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法，属于工程机械挖掘机技术领域。本方法根据先导压力在前泵和后泵的出口压力波形曲线图上将一个作业循环分为五个工作阶段，以工作阶段初始一时间段前泵和后泵出口压力的波形曲线数值作为特征值，根据已划分的工作阶段运用多分类算法建立分类模型。建立发动机的油耗模型、液压泵的效率模型和负载的适应性评价函数，以在不同工作阶段下发动机输出转矩大于工作实际需要的最小转矩大小作为约束条件，用多目标优化算法得出不同工作阶段下发动机的最优工作点。建立挡位反馈机制，使驾驶员可以选取合适的挡位，避免发动机因动力不足而掉速熄火。速熄火。速熄火。

【技术实现步骤摘要】
一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法


[0001]本专利技术属于工程机械挖掘机
，具体涉及一种分阶段的液压挖掘机的发动机的工作点的寻优方法。

技术介绍

[0002]随着现代化、信息化、科技化的水平不断提高，我国现代工业化机械技术的水平较之前也有了很大的提高，但是仍然存在一些问题。工程机械作为我国“制造强国战略”重点发展的八大优势产业之一，目前国内存量超800万台，全球第一，年油耗量超5000万吨，价值2500多亿元。但是其中有很大一部分的能源是被浪费掉的，并被排放出来。而且我国工程机械浪费掉的能源排放量大、回收再利用程度低，对环境也造成了很大的污染。节能问题已经成为当下制约我国工程机械发展的关键问题。解决此问题对我国重工业的发展、科技水平的提高具有很大帮助。随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放的污染物以及施工中产生的噪声、粉尘对环境产生了难以估计的影响，“环境”已成为阻碍工程机械发展的新因素。工程机械产品的设计与制造要考虑适应环境生态发展的要求，开发研制环保、节能型产品是今后工程机械发展的趋势，研究工程机械的节能技术具有重要的实际意义。挖掘机是工程机械中的一个主要机械产品，它的利用率很高，应用比较广泛。近年来，随着基础设施建设力度在全国各地的日益壮大，中国挖掘机市场进入了蓬勃发展阶段。我国堪称“世界上最大的建设工地”，我国挖掘机市场也进入到了高速发展阶段。
[0003]目前液压挖掘机的节能控制技术主要以提出控制方法，即液压挖掘机内部不同部件之间的功率匹配和流量匹配，然后用优化算法对控制策略进行优化，最后实现实时的自适应控制。但是大多数的控制方法都是选定一个挡位，即将发动机的转速稳定在一个值，然后固定发动机的输出转矩，将发动机固定在某一个工作点进行工作。后果是液压挖掘机在不同的工作阶段(动作)下，如挖掘、提升、回转等，液压挖掘机的发动机都输出同一个功率。该功率不一定适合液压挖掘机在同一个作业循环的所用动作，有可能该功率比液压挖掘机的某一个动作所需要的功率小，造成了功率不足，降低工作效率，或者该功率比液压挖掘机的某一个动作所需要的功率大，造成了功率浪费。所以在不同的工作阶段，更改发动机的工作点，使其与当前液压挖掘机的工作阶段所需的功率进行匹配，是非常有必要的。
[0004]目前液压挖掘机不同的工作阶段识别有多种方式，一是以执行机构的动作，如挖掘、回转等为识别标志，并经过推理可得出挖掘机工作阶段。二是以回转动作作为分隔，间接识别出作业阶段。回转动作包括满斗回转和空斗回转，其余阶段被这两个阶段分开。三是根据负压力波形来识别，分析已获得的负载波形，得到作业循环各阶段所对应的波形，从而将循环分段。但是这三种方式都有一些不足，前两种都可以理解为以挖掘机的实际动作作为分段标志，依靠人的肉眼观测来区别挖掘机的不同阶段。这两种方式有一些弊端，首先是容易被驾驶员的操作给误导，还有就是在液压挖掘机系统里，液压挖掘机的动作会滞后于液压挖掘机的实际液压回路的变化。第三种以负载压力波形来识别也有一些弊端。虽然它的滞后性要好于前两种识别方式，但是以各液压缸附近的负载压力作为识别对象，造成工
作阶段识别的时刻和发动机工作点切换的时刻之间存在时间差。
[0005]目前的工作点寻优有很多种方法。非分工作阶段的方法主要是根据发动机的万有特性曲线和发动机的外特性曲线得到发动机的油耗模型，确定出发动机的最佳经济曲线。选定发动机挡位(转速)并固定下来，根据最佳经济曲线上将选定的转速所对应的发动机的输出转矩作为发动机的工作点，以此来降低发动机的油耗。或者根据液压泵的效率特性公式和实验数据对液压泵建效率模型，选定发动机挡位(转速)并固定下来，根据液压泵的效率模型上将选定的转速所对应的液压泵效率最高的发动机的输出转矩作为发动机的工作点，以此来提高液压泵效率。或者联合发动机的油耗模型和液压泵的效率模型对发动机的工作点进行寻优。分工作阶段的方法是先划分不同的工作阶段，然后根据作业对象的不同(或者是不同的工作阶段)设定不同工作阶段下发动机工作点的转速，基于实验得到的发动机工作点的大量数据(工作点输出转矩)，对其机型统计量计算，设定该工作阶段的发动机工作点的输出转矩。这几种方式存在一些弊端，没有分工作阶段的方法只是单一考虑了发动机的油耗模型和液压泵的效率模型，没有考虑不同工作阶段挖掘机需要的功率实际大小是不同的。在发动机具有调速器控制的情况下，转速波动范围很小，如果负载变化很大，会导致发动机的输出转矩变化很大，很有可能会出现掉速熄火现象。分工作阶段的方法虽然根据不同的对象(或者是不同的工作阶段)在发动机上采取了不同的工作点，但是该方法不适用于在特定挡位下转速固定的情况下对工作点的寻优。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法。将发动机的一个作业循环分为多个不同的工作阶段，工作阶段的识别对象为主液压泵的前泵和后泵的出口压力波形，解决了工作阶段识别的时刻和发动机工作点切换的时刻之间时间差的问题。其中在不同的工作阶段下，合理设定液压挖掘机适合该工作阶段所需功率的发动机的工作点，从而达到提高液压挖掘机发动机的功率利用率，提高主液压泵的效率，减少功率浪费的目的。最后采用挡位反馈机制，避免液压挖掘机在实际工作中出现掉速熄火的现象。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法，其主要步骤是：
[0009]1)一个作业循环下工作阶段的划分
[0010]在液压挖掘机整个作业循环中，主液压泵由前泵和后泵构成，采集多个作业循环内两个液压泵的出口压力信号，根据先导压力波形曲线变化，并观察前泵和后泵的出口压力波形曲线变化，在前泵和后泵的出口压力波形曲线上，划分为五个工作阶段：挖掘准备、挖掘、提升回转、卸载、空斗返回；
[0011]选取一部分作业循环中前泵和后泵出口压力数据作为建模数据，并将每个作业循环中的每个工作阶段的初始部分的出口压力值进行统计量计算(如均值、方差、均方差等)，以统计量的值作为特征值，利用多分类算法，根据特征值的不同建立工作阶段分类模型，选取另一部分作业循环出口压力数据进行工作阶段分类模型的识别和验证；
[0012]2)不同工作阶段下发动机的工作点的寻优
[0013](1)发动机的油耗模型
[0014]从发动机的调速曲线图(说明书附图图1)上可知，发动机可选定不同的挡位。在每个挡位下，由于发动机调速器的作用，发动机会保持转速不变，发动机的转矩在调速曲线上变化，即工作点在调速曲线上变化。但是当发动机需要输出的转矩逐渐升高时，发动机的工作点将由最开始选定的工作点沿调速曲线向上移动，移动到该挡位下所能输出的最大转矩点(该调速曲线与外特性曲线的交点)后，即发动机需要输出的转矩大于该转速所能输出的最大转矩，发动机的工作点开始沿着外特性曲线向左移动。在外特性曲线上存在发动机可输出的最大转矩点，发动机的工作点会逐渐向该点靠拢。当发动机的工作点达到那个点后，如果该转矩还小于发动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分阶段的液压挖掘机发动机工作点的寻优方法，具体步骤如下：1)一个作业循环下工作阶段的划分在液压挖掘机整个作业循环中，主液压泵由前泵和后泵构成，采集多个作业循环内两个液压泵的出口压力信号，根据先导压力波形曲线变化，并观察前泵和后泵的出口压力波形曲线变化，在前泵和后泵的出口压力波形曲线上，划分为五个工作阶段：挖掘准备、挖掘、提升回转、卸载、空斗返回；选取一部分作业循环中前泵和后泵出口压力数据作为建模数据，并将每个作业循环中的每个工作阶段的初始部分的出口压力值进行统计量计算，以统计量的值作为特征值，利用多分类算法，根据特征值的不同建立工作阶段分类模型，选取另一部分作业循环出口压力数据进行工作阶段分类模型的识别和验证；2)不同工作阶段下发动机的工作点的寻优(1)发动机的油耗模型根据发动机的万有特性曲线和外特性曲线建立发动机有关于转速n、转矩T
e
、油耗g
e
三个变量的油耗模型，即g
e
＝f(n，T
e
)；在发动机的油耗模型中，可确定任意转速下使发动机油耗最低的发动机输出转矩T
e
；(2)液压泵的效率模型根据液压泵的效率公式和实验数据，可建立液压泵的有关于转速n、压差Δp、排量比β的效率模型，即η
p
＝f(n，Δp，β)；液压泵的效率公式如下：η
p
＝η
pv
·
η
ptpt
其中，η
p
为液压泵总效率；η
pv
为液压泵容积效率；η
pt
为液压泵机械效率；N0为液压泵输出功率；N
t
为液压泵理论功率；N
i
为液压泵输入功率；C
s
为层流泄露系数；Δp为液压泵吸排油口压差；n为液压泵转速单位；μ为油液动力粘度；β为泵排量比，为任意时刻排量D
p
与最大时刻排量D
pmax
比；C
v
为层流阻力系数；C
f
为机械阻力系数；T
c
为与进出口压差和转矩无关的转矩损失；发动机的输出轴与液压泵的泵轴通过同轴器相连，故它们的转速相同；发动机的功率为：P
e
＝n
·
T
e
，P
e
为发动机的功率，T
e
为发动机输出转矩；液压泵的功率为：P
P
＝Q
·
p＝n
·
D
p
·
p，P
P
为液压泵的功率，Q为液压泵的流量，p为液压泵的出口压力；在挖掘机作业过程中，发动机会将功率传递给液压泵：故得到：T
e
·
η＝C
p
·
p因为液压泵的液压油从油箱吸上来，吸油口压力等于p0，液压泵的吸排油口压差Δp为液压泵的出口压力p减去液压泵的吸油口压力p0，即Δp＝p
‑
p0；
根据上式可得到，因为液压泵的出口压力一直变化，但是在一个工作阶段下，出口压力的变化幅度不大，所以对该工作阶段的出口压力波形曲线数据求均值，代替该工作阶段变化的压力波形的数值，方便在液压泵模型寻找最佳的排量比β，从而确定发动机的最佳输出转矩T
e
；(3)建立负载的适应性评价函数选定发动机的一个转速，作为一个固定挡位，在该转速下，根据前泵和后泵的出口压力波形曲线图，对某一个工作阶段前泵和后泵各自的出口压力值积分并求均值，也可以根据采集到的前泵和后泵各自的出口压力值数据求均值，代替该工作阶段变化的压力波形的数值：值：其中，P
1A
为前泵在该阶段下的平均压力；P
2A
为后泵在该阶段下的平均压力；P1为前泵在该阶段下的压力；P2为后泵在该阶段下的压力；t1为该阶段的起始时刻；t2为该阶段的结束时刻；a为该工作阶段下采集到的数据个数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟嵬，邓剑洋，张靖文，宋学官，桑勇，曹旭阳，李国锋，牛东东，康杰，罗旋，孙伟奇，
申请(专利权)人：徐州徐工挖掘机械有限公司，
类型：发明
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