一种基于综合评价模型的挖掘机工作点寻优方法

本发明属于工程机械挖掘机，具体涉及一种基于综合评价模型的挖掘机工作点寻优方法。

背景技术：

1、工程机械被广泛应用在矿山、建筑等施工场地，为资源勘探、城市建设起到了显著的推进作用。工程机械中的类别有很多，在挖掘领域中，挖掘机是主要产品之一。挖掘机具有结实耐用、动力充沛等优点，而且在恶劣多变的作业环境下，它还具有的强适应性和高灵活性，因此挖掘机被广泛应用。

2、但是目前挖掘机产品仍有缺陷，其中最主要的是能量消耗大且能量利用率低，造成了大量的能源浪费。由于我国巨大的国土面积、丰富的矿产资源和快速发展的城市建筑，挖掘机仍然被大量使用，这也导致了大量能源被浪费。所以，如何提高挖掘机的能量利用率，减少其能源浪费，是当前工程机械领域内迫切需要解决的关键问题。

3、在相关的研究中，很多学者通过对发动机的工作点进行寻优来降低挖掘机的油耗。一般都是在发动机万有特性曲线上找到经济油耗区，将发动机的工作点设定在该工作区，在挖掘机工作的过程中，对发动机或者与发动机相连接的液压泵进行控制，使挖掘机实际工作过程中其发动机的工作点稳定在设定的工作点。但是很多学者没有考虑液压泵的效率和实际工作过程中在调节过程中的工作点的波动情况。如果液压泵的效率低的话会产生大量无用功，也会造成能源浪费；而实际工作过程中在调节过程中，当工作点波动较大时，即在调节过程中工作点的转速和转矩波动较大，如果某一时刻达到了发动机可提供的最大转矩，有可能会出现掉速熄火的现象。故本发明专利针对通过控制液压泵的排量稳定工作点这一方法，提出一种基于综合评价模型的挖掘机工作点寻优方法。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于综合评价模型的挖掘机工作点寻优方法。本方法针对通过控制液压泵的排量稳定工作点这一方法，综合考虑了挖掘机发动机的油耗、液压泵的效率和挖掘机的负载变化而提出的一种挖掘机工作点综合性能评价方法。根据发动机的万有特性曲线确定发动机的燃油消耗量fe和其转速ne、转矩te的关系；根据液压泵的实验数据确定液压泵的效率ep和其转速np、压差δp、排量比β的关系；将发动机负载的压力值pl换算拟合成发动机的转矩值tl。选定挖掘机的工作转速nw，以实际工作时发动机的燃油消耗量few低、液压泵的效率epw高，在实际工作过程中发动机工作点的波动小为寻优目标，建立了综合评价寻优模型，其中通过设置权重系数来确定发动机油耗和负载波动的重要程度，根据液压泵的效率来确定工作点扭矩的上下限，最后确定发动机实际的工作点的转矩tr。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于综合评价模型的挖掘机工作点寻优方法，该方法具体步骤如下：

4、(1)发动机油耗模型的建立

5、根据发动机的调速曲线图(图1)可知，可让发动机在不同挡位下工作，不同的挡位对应设定的转速ne不同。由于发动机调速器的作用，可以使发动机在工作过程中，维持其转速ne不变。在发动机工作的过程中，其工作点会随着负载的变化而在调速曲线上变化。当负载压力pl增大时，发动机工作点向上移动，转矩值te增加；当负载压力pl减小时，发动机工作点向下移动，转矩值te下降。

6、根据发动机的万有特性曲线图(图2)可知，发动机的燃油消耗率ηe、输出功率pe与其转速ne和其转矩te有关。万有特性曲线图上存在外特性曲线、等燃油消耗率曲线和等功率曲线，外特性曲线代表了发动机在不同转速下可提供的最大转矩值tmax，在等燃油消耗率曲线上的点的燃油消耗率ηe相同，在等功率曲线上的点的功率pe相同。其中，燃油消耗量fe和输出功率pe、燃油消耗率ηe的关系如下：

7、fe＝pe·ηe                            (1)

8、将发动机的万有特性曲线进行多项式拟合，可得到发动机的燃油消耗量fe和其转速ne、转矩te的关系。根据发动机的调速曲线可知，挖掘机在工作的时候，挡位确定的情况下，其转速保持不变。根据工作挡位选定一个转速，作为挖掘机工作时的转速ne。当转速ne确定后可得到发动机的燃油消耗量fe与其转矩te的函数关系，即：

9、fe＝fe(te)                           (2)

10、根据函数关系建立发动机的燃油消耗量与转速关系图(图3)，发现当发动机转速ne一定时，其燃油消耗量fe与其转矩te正相关。

11、故如果想降低液压挖掘机的燃油消耗量fe，可降低其转矩te。

12、(2)液压泵效率模型的建立

13、从正流量柱塞式变量泵的液压结构图(图4)可发现，它由两个子泵组成，分别是前泵1和后泵2，为挖掘机的不同的执行机构提供液压动力。液压泵的效率ep与其转速np、压差δp、排量比β有关，分别测试液压泵在不同转速np、不同压差δp、不同排量比β下的效率。可得到液压泵效率ep与其转速np、压差δp、排量比β的关系图(图5)。其中，压差由负载压力pl决定，而液压泵直接由发动机驱动，故二者转速相同。可得到：

14、δp＝pl                             (3)

15、np＝ne                             (4)

16、故可以调整使液压泵的效率ep提高的变量只有其排量比β，β∈[0,1]且β一般不等于0。观察图5可发现ep与β正相关。液压泵的排量vp与其排量比β的关系为：

17、vp＝vmax·β                           (5)

18、其中，vmax为液压泵的最大排量。

19、故如果想增加液压泵的效率ep，可增加其排量比β，即增加其排量vp。

20、(3)负载压力的换算拟合

21、发动机的功率pe为：

22、

23、式中，pe单位为千瓦(kw)；te单位为牛每米(n·m)；ne的单位为转每分钟(r/min)。

24、液压泵的出口压力即为其负载压力。由于液压泵由前泵和后泵两部分组成，故液压泵的功率为两子泵功率之和，即：

25、

26、式中，pp单位为千瓦(kw)；

27、pp1为液压泵前泵的出口压力(mpa)；

28、pp2为液压泵后泵的出口压力(mpa)；

29、qp1为液压泵前泵的输出流量(l/min)；

30、qp2为液压泵后泵的输出流量(l/min)；。

31、液压泵前泵和后泵的流量和排量之间的关系为：

32、qp1＝vp1·np(8)

33、qp2＝vp2·np(9)

34、式中，vp1为液压泵前泵的排量(l/r)；

35、vp2为液压泵后泵的排量(l/r)；

36、np为液压泵传动轴的转速(r/min)。

37、将式子(8)和(9)代入(7)中，可得到：

38、

39、发动机直接与液压泵连接，二者功率传递关系为：

40、pe＝pp·ηep，ηep∈(0,1]                   (11)

41、其中ηep为发动机与液压泵之间的功率传递效率。

42、假定ηep＝1时，将(4)、(6)和(10)代入(11)中，得到：

43、

44、通过对实验测得的工作时间内的前泵和后泵的负载压力pp1和pp2进行求和得到液压泵的出口压力pp。

45、

46、

47、

48、

49、

50、

51、其中，为工作时间内前泵的负载压力(n)，i＝1,2,3,…,n；

52、为工作时间内后泵的负载压力(n)，i＝1,2,3,…,n；

53、为工作时间内前泵和后泵的负载压力和(n)，i＝1,2,3,…,n。

54、分别求出式(16)、式(17)和式(18)最小的和为前泵、后泵和液压泵的拟合负载压力。

55、进而求出液压泵的拟合需求转矩为：

56、

57、其中，vpmax为液压泵的最大排量。

58、分别在中找到最小的值和最大的值，作为液压泵的最小负载压力ppmin和最大负载压力ppmax。并分别求出液压泵的最小需求转矩tmin和最大需求转矩tmax为：

59、

60、

61、分别在pp1和pp2中找到前泵和后泵的最大负载压力pp1max和pp2max，求出前泵和后泵的最大需求转矩t1max和t2max。

62、

63、

64、(4)综合评价模型的建立

65、假设寻优得到的挖掘机的工作点的转矩值为tr。

66、1.发动机油耗

67、在发动机工作的过程中，其工作点会随着负载的变化而在调速曲线上变化。当负载压力pl增大时，发动机工作点向上移动，扭矩值te增加；当负载压力pl减小时，发动机工作点向下移动，扭矩值te下降。根据图6可知，当发动机转速ne一定时，其燃油消耗量fe与其扭矩te正相关。如果想降低液压挖掘机的燃油消耗量fe，可降低其扭矩te。

68、建立发动机油耗评价模型如下：

69、

70、寻优目标为令f1(tr)尽可能地小。

71、2.液压泵效率

72、由于式(3)和(4)，故可以调整使液压泵的效率ep提高的变量只有其排量比β，β∈[0,1]且β一般不等于0。故如果想增加液压泵的效率ep，可增加其排量比β。根据式(5)发现，可通过增加其排量vp来增加其排量比β，进而提高液压泵的效率ep。

73、根据式(12)可知，当设定工作点为tr时，在实际工作过程中，前泵和后泵的负载压力pp1和pp2变化时，为了使te趋向tr，需要通过调节液压泵的排量vp1和vp2。当te大于tr时，需要减少vp1和vp2；当te小于tr时，需要增加vp1和vp2。根据图3可知，为了让发动机油耗减少，故tr设置的越低越好，但是根据式(5)减少vp1和vp2会导致液压泵的效率降低。如果tr设置的太高，根据图3可知，发动机的油耗fe会很高，而且如果pp1和pp2达到极大值，当时的te仍然小于tr时，然后增加vp1和vp2调节te到tr的过程中，β∈[0,1]，当β＝1时，te已经达到极限，如果te还是小于tr，那么将不能调节te到tr。所以为了避免上述两种情况的发生，tr的设置需要有上下限。

74、液压泵的效率最好设置在75％以上。根据图5和实验数据(实验数据中前泵和后泵的负载压力变化范围在0mpa-30mpa之间)可知，液压泵的排量比的下限βmin∈[0.4,0.6]。根据式(21)，pp1和pp2的和pp都达到极大值ppmax，且vp1和vp2都达到vmax时，求出的te为极大值tmax。根据式(5)和(12)，当液压泵的排量比为其下限βmin时，可推出挖掘机工作点的扭矩值tr的下限为：

75、

76、根据式(20)和(21)求出tmin和tmax的平均值tave如式(34)所示。

77、

78、其中，tave＝0.5·tmin+0.5·tmax接近甚至大于tmax·βmin，故可将tave作为tr的下限。

79、将寻优得到的挖掘机工作点的扭矩值tr分配给液压泵的前泵和后泵，前泵和后泵的需求扭矩分别为：

80、

81、

82、其中，tr1≤t1max，tr2≤t2max即，

83、可推出挖掘机工作点的扭矩值tr的上限为：

84、

85、3.负载波动

86、根据式(18)得到的最小的为液压泵的拟合负载压力，根据式(19)得到的到每一时刻液压泵的所需扭矩值的累计距离和最小，即负载波动最小。负载波动代表了在实际工作中，需要液压泵从每一时刻的负载压力拟合得到的扭矩调节到设定的工作点的扭矩的距离和。距离和越大，负载波动越大，液压泵需要调节的距离越大，液压泵调节越困难。

87、建立负载波动评价模型如下：

88、

89、寻优目标为令f2(tr)尽可能地小。

90、4.综合评价模型

91、令

92、综合式(24),(30)建立综合评价模型如下：

93、f(x1,x2,tr)＝x1·f1(tr)+x2·f2(tr),trmin≤tr≤trmax   (31)

94、

95、x1+x2＝1                         (33)

96、其中x1,x2为权重系数，分别代表了两种评价模型所占的比重。

97、(5)挖掘机工作点的寻优

98、挖掘机工作点的寻优目标为找到令式(32)最小的tr。

99、根据不同的侧重目标，可以适当根据式(33)分别调整x1,x2的权重系数大小。权重系数越大说明该评价模型的重要程度越高。

100、具体的寻优过程如寻优过程流程图(图6)所示。

101、本发明的有益效果：本发明针对通过控制液压泵的排量稳定工作点这一发动机工作点稳定方法，综合考虑了发动机的油耗、液压泵的效率和负载的波动三个因素，分别根据发动机油耗、液压泵效率和负载的波动建立了综合评价模型，通过设置权重系数来评价发动机油耗和负载波动的重要程度，并根据液压泵的效率确定工作点扭矩的上下限，通过对综合评价模型进行寻优得到发动机工作点的最佳转矩。