工程机械液压控制系统技术体系分析.pdf

液 压 气动 与 密 封， 2 0l 0年 第 5期 工程机械液压控制系统技术体系分析 韩 慧仙 曹显利 1 ． 湖南机电职业技术学院， 湖南长沙4 1 0 1 5 1 ； 2 ． 三一重工股份有限公司 ， 湖南长沙4 1 0 l 0 0 摘要 本文分析了工程机械的使用 工况要求 ． 介绍 了典型工程机械液压控制系统的主要特点 ， 从液压系统的功率形式推导了其 功率 控 制方式 ， 并对 比分析了不同的功率控制方式 的优缺点及其优化解决方案， 最后总结了工程机械液压控制系统的节 能控制和速度协调 性控制 的改善途径 。 关键词 工程机械 ； 液压控制系统 ； 技术分析 中圈分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 5 一 O O O 6 一 O 3 An a l y s i s o n Te c h n o l o g i c a l S y s t e m o f Co n s t r uc t i o n M a c h i ne r y Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m HAN Hu i - xi a n CA0 Xi a n-I i f Hu n a n Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l P o l y t e c h n i c， C h a n g s h a 4 1 0 1 5 1 ， C h i n a S A N Y H e a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ，C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t rI I l i s a r t i c l e a n a l y e s t h e u s e r e q u r e me n t o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y ．i n t r o d u c e t h e ma i n f e a t u r e s o f t y p i c a l c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y h y d r a u l i c s y s t e m， d e r i v e d p o w e r c o n t r o l mo d e s o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r m h y d r a u l i c p o we r for m， c o mp a r e s t h e a d v a n t a g e s an d d i s a d v a n t a g e s o f e a c h p o w e r c o n t r o l mo d e ， g i v e s t h e o p t i mi z a t i o n s o l u t i o n s ， a t l a s t ， s u m u p t h e f u l l t e x t o f the c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry h y d r a u l i c p o we r a n d c o n t r o l mo d e s a n d p r o s p e c t o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m t o p r e c i s i o n c o n t r o 1 ． Ke y W o r d s c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry； h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m；t e c h n o l o g y a n a l y s i s O 引言 工程机械是一种大功率作业机械，在连续工作过 程中， 其作业负荷变化较大， 如装载机和推土机在铲土 作业工况下 ， 其作业负荷甚至从零突变到无穷大， 这就 需要发动机的输 出功率能够根据作业工况及时调节 ， 以满足大负荷下的动力性要求和小负荷下的经济性要 求 ； 工程机械一般要求多执行机构协同动作 ． 如挖掘机 装车工况需要动臂 、 斗杆 、 铲斗和 回转协同动作 ， 混凝 土泵车布料时需要多节臂和回转协同动作 ，多执行机 构协同作业要求传动和控制系统能够对驱动部件的速 度 和位 置进行 连续 可变 的调 节 ； 工程 机械工 作 过程 中 ， 即要求能够大功率输出以克服重载荷工作 ，又要求能 够精细动作， 如起重机在 吊重作业时要求大功率输 出， 而在 吊装工况下又要求能够做微动作 ．这就要求传动 和控制系统具有大范 围的调速 区间和 良好 的操控性 能 。 综上所述 ，工程机械的作业工况要求其传动和控 制系统具有 良好的动力性 、 经济性 、 作业效率 、 调速性 和操 控性 。 1 工程机械的液压传动与控制系统分析 液压系统的功率形式是压力和流量。液压泵将发 收稿日期 2 0 0 9 一 o 8 2 3 作者简介 韩慧仙 1 9 7 6 一 ， 硕士 ， 助理工程师 ． 湖南机 电职业技术学 院机 械系教师 ， 研究方向为机电液一体化技术。 6 动机输出的机械能转化为液压能 ， 是液压系统的能源。 液压 阀对液压泵输 出的能量进行调节和分配 ，主要调 节系统的压力 、 流量和方 向， 主要控制各个功率支流的 绝对值和相对值。液压马达和液压缸又将液压能转化 为机械能 。 驱动执 行机构 工作 。 可见， 通过调节液压泵的排量 、 发动机的转速和控 制阀的开度 ， 即可满足工程机械 的各种工况要求 ， 实现 工程机械的动力控制 、 节能控制 、 作业效率控制 、 速度 控制和精细控制。 2 液压系统的功率控制方式分析 液压系统的功率形式是压力和流量 。液压功率的 公 式如下 W p Q ／ 6 0 式中 液压功率， 单位为 k W； p 液压系统压力 ， 单位为 MP a ； p 液压系统流量， 单位为 L ／ mi n 。 液压系统工作时 ， 其压力 的大小 由负载决定， 压力 不是液压系统的固有参数。从控制的角度来讲， 压力是 系统对外载荷的响应 ， 所 以， 对液压系统的功率控制其 实是对液压系统的流量控制。 下面分别分析液压泵和液压 阀的流量控制。 液压泵的理论流量公式如下 Q b N V b 式 中 广一 液压 泵流量 ， 单位 为 L ／ ra i n ； 一 液压泵输入转速 ，一般为发动机转速 ， 单 Hy d r a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No ． 5 ． 2 01 0 位为 r ／ mi n 厂液压泵排量 ， 单位为 I J ／ r 。 由上式可见 ，改变液压泵 的排量和转速都可以改 变其流量 ， 进而改变执行机构的速度 ， 其中 ， 通过调节 液压 泵转 速 来调 速 的控 制 方式 称 为 变频 调 速 ．通过 调 节液压 泵排 量来 调 速的方 式称 为容 积调 速 。 对于工程机械来讲 ， 在工作过程 中， 一般要求柴油 机转速稳定或相对稳定 ．即使 由于外负载的变化而导 致发动机转速失稳 ，也要通过一定的控制手段使发动 机转速恢复稳定。所以在对液压泵的流量进行控制时 ， 一 般假定转速是恒定的，即对液压泵流量的控制其实 是对其排量的控制。 液压阀对液压泵输出的流量进行二次调节。工程 机械上常用的 比例控制 阀实质上是 一个 可变液 阻 ． 对 于并联的液压 回路 ， 其上游的压力 泵侧压力 相等 ， 各 个液压阀构成 的并联液阻的绝对值和相对值决定 了各 支 路 的流量 。液 压 阀的流量 公式 如下 Q C q A 式 中 p 厂液压阀的流量 ， 单位为 L ／ mi n ； C 流量系数 ， 需查表获得； A 液 压 阀 的开 度 △ p 液压阀上的压降 ， 单位为 MP a ； p 液 压油 的密 度 。 由上式 可见 ， 液压 阀的 流量 主要 由两个 变 量 决定 液压阀的开度 A和阀上的压降 △ p 。由于液压系统的压 力是 由外 负载决定的 ，而外负载往往是不可控 的， 所 以 ， 目前 对液 压 阀 的流 量控 制 只 能通 过 控 制 其开 口 A 实现 ， 即通过调节 P WM电流信号驱动电磁铁推动阀芯 产生位移 ， 控制阀的开 口A。 由于液 压 阀上 压 力 变化 的 影 响 ，这种 流 量控 制 方 式 的误 差很 大 。 而 且误 差 不 可控 ． 往 往 也难 以通 过控 制 手段补偿 ， 因为系统的压力与工作装置的姿态 、 作业负 荷的大小甚至工作环境的温度都有关系。所以， 通过控 制液 压 阀 的开 口 A来 对执 行机 构 进行 速 度控 制 和位 置 控制 ， 其控 制精 度 和可操 作性 都很 不理 想 。 3 液压 系统 的流量控 制方 式 由前 文 分析 可 知 ．调 节 液压 泵 的排 量 和 调节 液 压 阀的开度均可对液压系统 的流量进行控制 ，这两种控 制方式分别称为泵控调速方式和阀控调速方式。 泵 控 调 速 方 式 是 通 过 改 变 液 压 泵 的排 量 来 实 现 的 。 所 以 ， 调 速 过 程 中 液 压 系统 没 有 流 量 损 失 ， 也 就 没 有功率损失 ， 经济性好 ； 同时 ， 由于调节液压泵的斜盘 倾角需要推动斜盘 、 柱塞 、 滑靴等一系列 的质量元件和 摩擦 副 ， 惯性 较大 ， 其排量的响应时间较长 ， 经实验室 测试 ，力士乐 A1 1 V O1 3 0液压泵的排量响应时间约为 3 0 0～5 0 0 ms 。 阀控调速方式是通过改变并联 回路之 间的相对液 阻来实现的 ， 所以 ， 大部分流量经控制 阀进入执行元件 对外做功 ， 多余的流量经控制阀回油箱 ， 这部分流量是 浪费的流量。可见 ， 阀控流量控制方式存在不做功的流 量 ， 其经济性不好 ； 同时， 由于改变液压 阀的开度只需 要通过电磁铁推动阀芯移动，而阀芯的质量远远小于 液压 泵 的 运 动 质量 ， 所 以 ， 阀控 方 式 的 响应 速 度 很 快 ， 一 般取决于电磁铁 的响应频率。目前 ， 在工程机械上用 的一般的液压阀的电磁铁的响应频率在 1 0 Hz 左右 ， 高 速电磁铁 的响应频率可超过 2 0 H z 。 由上述分析可见 ，泵控调速方式和阀控调速方式 是优势互补的， 如果能将二者的优势结合起来 ， 克服个 白的缺点 ， 则 是一 种较 为理 想的流 量控 制方式 。力 士乐 和川崎等工程机械液压系统成套设备供应商所提供 的 液压系统 ， 其流量控制正是这样一种控制方式 ， 即变量 泵 比例阀的流量控制方式。 液压系统工作时 ，变量泵根据流量需求初步确定 其初始排量 。 初始排量一般 比需求的流量多 2 0 L ／ m i n以 上 ， 比例阀根据操作信号对流量进行二次修正 ， 实现执 行机构 的速度控制。这种控制方式既能保证液压系统 有较好的经济性 ． 也能获得较快的响应速度。目前的正 流量控制 、 负流量控制 、 负载敏感控制等都属于泵控 阀控 的流量 控制方 式 。 负 流量 控制方 式 的液压 原理 图如 图 1 所 示 。 图 1 负流量控制液压原理图 可见 ， 在负流量控制方式 中， 变量泵的排量受主阀 中位流 量 的控制 ， 二 者变 化方 向相反 。 正 流量 控制 方式 的液 压 原理 图如 图 2所示 。 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 5期 由图 2可见， 在正流量控制方式 中， 液压泵的排量 与液压阀的开度受 同一个操作信号控制 ，这样有利于 提高液压系统的响应速度。 图 2 正流量控制液压原理图 负载敏感控制方式的液压原理图如图 3所示。 J奎 I 3 负载敏感控制液压原理 图 由上图可见 ， 在负载敏感控制方式中， 液压泵的排 量由主阀上的压力降控制 ，而主阀上的压力降不但与 操作信号有关 ， 还与最大的外负载有关 ， 所 以， 负载敏 感控制方式结合了操作者的速度预期和外负载的速度 限制。 有些工程机械对快速响应特性要求不高 ，如起重 机 ， 可以采用单纯的泵控 系统以获取较好的经济性 有 些工程机械对经济性要求不高 ， 但对快速性要求很高， 如小型挖掘机 ，可以采用单纯的阀控系统以取得更好 的快速性 。 8 4 结论与展 望 综上所述 ．工程机械液压系统的功率控制主要是 液压系统的流量控制 ，而流量控制主要是液压泵的排 量控制和液压阀的开度控制 ，目前液压系统的主流控 制方式结合 了泵控和阀控的优点。泵控和阀控方式主 要解决了经济性和快速性的问题 ，并没有解决精确性 问题 。 现有工程机械液压泵的排量一般都是开环控制 的， 其排量精度不高 ； 而工程机械 比例阀的流量控制方 式存在根本缺陷， 其流量精度受压力影响很大 ， 既难 以 消除， 又难 以补偿。 可见 ， 在解决了经济性和快速性后 ， 精确的流量控 制是未来工程机械液压系统发展的必然要求。 目前 ．由力士乐生产的工业用电子泵具有排量闭 环电子控制功能。 具有较高的响应特性 、 线性度和重复 精度 ，能够满足工程机械用液压泵的精确流量控制要 求 ， 但其对于工程机械使用过程 中高温 、 高尘 、 高振等 恶劣工况的适应性有待验证。由阿托斯生产的工业用 伺服液压缸具有行程闭环控制功能 ．能够实现执行机 构的速度 、 位移的精确控制 ， 但其伺服 比例阀对系统的 油液清洁度要求较高．其集成 的电子检测和控制元件 对于工程机械使用过程 中高温 、 高尘、 高振等恶劣工况 的适应性有待验证。另外 ， 除了上述技术因素以外 ， 工 业用高精度液压元件的价格也是其在工程机械行业普 及的障碍之一。 参 考 文 献 【 1 】 冯开林． 先进液压控制技术在工程机械的应用研究[ J ] ． 工程机 械． 2 0 0 2 5 ． [ 2 】 江创华． 自动调平系统在履带式全液压挖掘机 中的应用[ J ] ． 工 程机械， 2 0 0 5 00 ． 【 3 】 刑彤． 多变量泵驱动液压系统 比例与恒功率控制研究【 J 】 ． 工程 机 械 ． 2 0 0 8 6 ． [ 4 】 陈欠根． 液压挖掘机 负载 自适应全 局功率 匹配控 制系统【 J 】 ． 工程机械 ． 2 0 0 7 2 ． 【 5 】 张新海 ． 挖 掘机 负荷传感 系统 中的压力 补偿【 J 】 ． 工程机 械 ， 2 0 0 5 7 ． [ 6 】 方匡阳． 装载机双泵合分流档位控制卸荷液压系统[ J J ． 工程机 械． 2 0 0 3 3 ．