天津俊昊海洋工程有限公司 天津 300459
摘要：为选择适应工程机械使用特点的柴油机和负载设备，对工程机械配套的柴油机选型方式进行了概括分析，着重介绍在柴油机负载设备对比选择时的关键性能参数。说明了工程机械用柴油机抗过载能力的特殊要求，总结出如何使现有设备得到提升，通过性能参数和曲线图对比匹配选择柴油机和配套设备的方法。
关键词：柴油机负载设备抗过载能力曲线丰满度；配套设备符合使用工况
引言：在工程机械施工过程中经常会发现柴油机配套设备高配低用的情况，难以适应工程机械的外载荷要求，导致柴油机不能发挥出额定功率，从而降低了柴油机的功率利用率。针对同档次的柴油机，如何在工程机械的配套选型中根据柴油机的特性、配套设备的实际使用参数和工况选择合适的方案，以提高产品的工作能力是一个需要研究的问题。
一、海洋工程机械柴油机的使用特点和目标要求
1.1使用特点
(1)海洋工程机械用柴油机经常长时间连续运转。如一套给海洋石油管道后挖沟作业的液压设备，是连续24小时不间断作业，全负荷作业占全部工作时间的95%以上，还经常遇到设备功率配套不正确、离合器选型不正确，使柴油机一直处于超负荷状态；主要原因是液压泵和柴油机功率不匹配，使柴油机额定功率对应上了液压泵的配套功率，没有考虑柴油机额定功率转速和液压泵配套功率转速的对应问题，使柴油机功率不能充分发挥出来，例如2台液压泵功率转速：455KW/1040r/min（图1），离合器转速比：1:1；配套动力柴油机额定功率455KW、转速1500r/min（图2），图2中2是持续功率包括风扇功率、3是使用功率包括风扇功率，从图2看到柴油机1040r/min的功率是低于250KW的，拖带2台合计功率455KW液压泵是困难的，再通过图1、和图2的功率转速曲线图，要满足使用，柴油机要到额定功率转速1500r/min，而2台液压泵1500r/min时的功率也随着转速的上升到656KW（图1），柴油机是没有这个能力拖带的，只能走溢流降低功率使用，柴油机的功率不能很好的被利用；这时就适合选配一台合适减速比的减速箱，使柴油机额定功率转速与2台液压泵配套功率加附件功率加储备功率转速之和相匹配（见下面详述），来提高柴油机功率的利用率，避免柴油机超负荷运转，降低柴油机的故障率。
图2：柴油机功率转速曲线图(引用厂家参数)
（2)工程机械的作业环境十分恶劣，常在船的甲板露天作业，使用面积受限。柴油机多又集中，所以环境温度较高，使柴油机功率下降。再加上高配抵用，例如一套给海洋石油管道后挖沟作业的水泵设备，水泵额定扬程240米，使用扬程150米，造成水泵工作点偏离太多，水泵轴功率增加，这样恶性循环，造成柴油机超负荷运转，经常损坏。所以设备配套需要按实际使用工况匹配，满足使用工况的原则。
1.2目标要求
海上工程机械柴油机和负载设备要根据实际使用工况，满足使用工况要求的原则来合理匹配，来适应日益严格的环保法规、高可靠性和长寿命、更好的动力性和配套适应性、很强的环境适应能力、节能以及更加注重人机关系如舒适性和操作维护方便性。
（1）燃油系统，定期调校高压喷油泵，达到较高喷射压力的高压燃油喷射泵，适时调整汽配定时，有效降低了烟度和燃油消耗率。
（2）增压系统，检查废气涡轮增压器，合理更换，使柴油机功率大增。
（3）进、排气系统，进气道、水冷中冷器定期清洗、垫片经常更换，畅通管路来增加进气量；排气道垫片和膨胀节及垫片经常检查更换，禁止有跑漏气现象，增加废气涡轮转速，使增压空气进气流量增大。
（4）海洋工程设备柴油机合理的匹配负载设备，能有效的减少柴油机故障率，提高柴油机功效。又例如给海洋石油管道后挖沟作业的MD450-60*4水泵机组，水泵流量：450m3/h、轴功率：397.9kw、扬程：240米、转速：1450r/min，配套柴油机功率500KW、转速1800r/min（图2），匹配1.2:1的减速箱，水泵用220米-260米的扬程这套设备配套是没有问题的；而现有配套输水软管最多能使用160米扬程，造成水泵扬程高配低用，水泵工作点偏离，水泵轴功率增加（图3），柴油机超负荷运转，这时水泵需要去级降扬程使用，换成MD600-60*3的180米扬程水泵，水泵扬程工作点范围160米-200米，符合实际使用工况。
图3：水泵功率扬程曲线图
二、柴油机离合器和减速箱之间的不同和区别
2.1离合器
安装在柴油机与负载设备之间，是柴油机传动系中直接与负载设备相联系的总成件。通常离合器与柴油机曲轴的飞轮组安装在一起，是负载设备与柴油机传动系之间切断和传递动力的部件，操作员可根据需要操纵离合器，使柴油机和负载设备时分离或逐渐接合，以切断或传递柴油机向外输出动力。它的作用是使柴油机与负载设备之间能分离和逐渐接合，从而保证分离时柴油机能平稳起步，逐渐接合时减小负载设备对柴油机的冲击。
离合器类似于开关，接合或断离动力传递作用，因此，任何形式的柴油机都有离合装置，只是形式不同而已。
2.2变速箱
主要指的是柴油机的变速箱，它分为手动、和液压自动两种；手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而液压自动变速箱是由齿轮、轴和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。功能为：①改变传动比；②在柴油机旋转方向不变情况下，使负载设备能正反转；③利用分离，中断动力传递，使柴油机能够平稳起动。
三、最大功率工况点的选择
海上工程机械的工作重点在于连续作业。在整个的功率分配体系中就有不同的功率分配侧重和综合功率储备。在选择柴油机的额定功率(Ne)时，要求包括柴油机附件的功率(Nf)、设备作业系统的最大功率(Nz)、以及综合的功率储备(Nc)。
3.1完全作业的设备
完全作业的设备，如拖泵等，按照设备要求的作业功率和作业过载系数来确定柴油机的额定功率。纯作业设备的工况比较简单，其作业过载系数在5%-8%之间。选择柴油机的额定功率是Ne=Nf+Nz+Nc
3.2行驶和作业并重的设备
行驶和作业并重的设备，如压路机、铣刨机等需要综合考虑行驶和作业的最大功率要求以及相应的功率储备。特别需要注意的是设备在边作业边行驶时的过
载适应性问题。首先确定柴油机附件的功率Nf，然后计算出设备作业系统的最大功率(Nz)和设备行驶系统的最大功率Nx，并选定作业过载系数(kz)和行驶过载系数低(kx)再针对同时作业和行驶的工况计算出设备的综合最大功率(Nzh)，选定这个工况下的综合过载系数(kzh)。比较Nz+NzKz，Nx+NxkxNzh，+Nzh，Nzh，，选取最大值作为选择柴油机额定功率的主要依据。作业工况由于作业质量的严格要求，必须保持设备行走速度的稳定创。所以这种情况下克服负荷突变的能力需要更好，一般这类设备的综合过载系数Kzh，在15%左右。选择柴油机的额定功率是Ne=Nf+maxNz+NxKZ，+NxKX，NZh+NZhNZh.
四、最大扭矩工况点的选择
柴油机的最大扭矩点性能对设备的工作能力很重要，这体现在抗过载能力上。工程机械在工作中遇到阻力矩变化时，柴油机自动调整供油量以适应外界负荷的变化。但是，系统在行驶和作业同时进行中，往往还会碰到过载的现象，这时的柴油机会由部分负荷进入外特性工作，并通过牺牲柴油机转速来提高输出扭矩，克服阻力。其工作负荷特性上的过程是:a-b-c(图4)。
由于柴油机的适应性系数比较小，而且工程机械的行驶速度不高，动能储备很低，所以在过载程度较大时，柴油机转速下降很快，超过C点后会导致柴油机熄火。工程机械配套的柴油机要求有较大的扭矩储备，以克服短期过载，即K要大，K越大说明抗过载能力越强。对于要求作业质量高，而且作业中伴随行驶的设备，如平地机和推土机，柴油机的适应性系数K应该在30%-40%。
图4 柴油机加载后的变化
结束语
对于使用传统供油系统的柴油机，在配套工程机械时应该详细比较额定功率点和最大扭矩点的性能参数，以及额定功率转速是否符合负载设备使用功率转速要求，选择适应性系数较大的柴油机，并在相同或相近的情况下比较柴油机的扭矩曲线丰满度以选择更为强劲的柴油机作为设备的动力源。
参考文献
[1]胡振奇，重型柴油机尿素喷射控制策略研究[D];吉林大学，2012
[2]张建锐，重型柴油机负载设备控制策略研究[D];吉林大学，2011.
[3]土忠茹.车用柴油机瞬态工况下排放性能的研究[D].长春.吉林大学. 2013
[4]韩永强，刘忠长等.柴油机恒转速增转矩瞬态工况的燃烧过程分析及其对烟度的影响[J].燃烧科学与技术.2014.10(1)23-24
[5]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海;上海交通大学出版社. 2008;184-203.
[6]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京;机械工业出版社.2014:151-154
论文作者:梁印
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/25
标签：柴油机论文; 功率论文; 作业论文; 设备论文; 转速论文; 工况论文; 工程机械论文; 《防护工程》2019年8期论文;