挖掘机正流量液压系统的控制性能分析.pdf

2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 8 ． 0 3 7 挖掘机正 流量液压 系统的控制性能分析 韩慧仙 ， 1 ．湖南机 电职业技术学院，湖南长沙 4 1 0 1 5 1 ； 曹显利 2 ．三一重工股份有限公 司，湖南长沙 4 1 0 1 0 0 摘要 针对 目前挖掘机大量采用的正流量液压系统，介绍其体系结构和性能特点，从液压系统的功率形式推导出其功 率控制方式；分析正流量挖掘机液压系统的性能优势和控制缺陷，针对其控制缺陷，指出挖掘机液压控制系统的改善方 向。 关键词挖掘机 ；正流量液压系统；控制性能分析 中图分 类号 U 4 1 5 ． 5 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 8 1 0 03 An a l y s i s o f Ex c a v a t o r Po s i t i v e Co nt r o l Hy dr a u l i c Sy s t e m HAN Hui x i a n ． CAO Xi a n l i 1 ． H u 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 H u n a n 4 1 0 1 5 1 ，C h i n a ； 2 ． 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 H u n a n 4 1 0 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma i n s t r u c t u r e a n d p e r f o r ma n c e s o f t h e p o s i t i v e c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m o f e x c a v a t o r a t p r e s e n t we r e i n t r o d u c e d ． I t s p o we r c o n t r o l mo d e wa s d e r i v e d f r o m h y d r a u l i c s y s t e m p o w e r f o r m．T h e p e rfo r ma n c e a d v a n t a g e s a n d c o n t r o l d e f i c i e n c i e s o f t h e p o s i t i v e c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m o f e x c a v a t o r we r e a n My z e d ． Ai mi n g t o i t s c o n t r o l d e f i c i e n c i e s ，t h e i mp r o v e d d i r e c t i o n o f t h e e x c a v a t o r h y dr a u l i c s y s t e m wa s p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d sEx c a v a t o r ；P o s i t i v e c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m ；Co n t r o l p e rf o rm a n c e a n a l y s i s 挖 掘机是 最重要 的工程 机械 产 品 ，其产 品 复杂 程度、作业性能要求和技术含量等均为工程机械各 个产品之最，堪称工程机械之王。目前 ，主流的单 斗液压挖掘机全部采用液压传动，液压系统不但传 递发动 机输 出的动力 ，还 参 与 了动力 传动 系统 的控 制 。 液压系统的功率形式是压力 和流量 ，几乎所有液 压控制都可以归结为压力控制和流量控制。挖掘机是 一 种土石方施工机械 ，工作 时 ，发动机 的动力通过液 压系统驱动工作装置对外做功，液压系统工作压力的 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，对挖掘机液压系统的控制其实是对液压系统流量 的控制。 1 挖掘机液压系统的体 系结构和性能分析 根据液压系统的流量控制方式，液压系统可以分 为泵控液压系统和阀控液压系统，其中，泵控液压系 统是通过改变液压泵或液压马达的排量来控制 液压 系 统流量 的，阀控液压系统是通过 改变液压 阀的开度来 控制液压 系统流量的 。下 面分别 分析液压泵和液压 阀 的流量控制机制 。 液压泵 的理论 流量公式如下 Q b N V b 式中Q 为液压泵流量 ，单位为 L ／ m i n ； Ⅳ 为液压泵输入转速，单位为 r ／ m i n ； 为液压泵排量，单位为 I ／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 。 挖掘机在工作 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 ，可以假 定输入转速是恒定的。可见 ，对液压泵 的流量控制主 要是对液压泵排量 的控制。 液压 阀对液压泵输出 的流量进行二次调节 。液压 阀的流量公式如下 j Q C A ． ／ ‘ V P 式 中Q 为液压阀的流量 ，单位为 I Mm i n ； c 为流量 系数 ，需查表获得 ； 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 6 基金项目湖南省教育厅科技资助项目 1 1 C 0 4 8 3 ；湖南省科技计划资助项目 2 0 1 0 G K 3 1 9 3 作者简介韩慧仙 1 9 7 6 一 ，硕士，讲师，研究方向为机 、电、液一体化技术。Em a i l 3 7 7 6 4 5 1 1 6 3 ． c o m。 第 8期 韩慧仙 等挖掘机正流量液压系统的控制性能分析 1 0 1 A为液压阀的开度 ； △ p为液压阀上的压降，单位为 M P a ； P为液压油的密度。 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预 知的，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 P WM 电流 信号驱 动 电磁铁 推 动 阀芯产生位移 ，阀芯移动产生一个 开 口 A，从而 得 到液压 阀的输 出流量 。 泵控 调速方式 是 通过 改变 液压 泵 的排 量来 实 现 的 ，属 于容积调速 ，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 A 1 1 V O 1 3 0液 压泵的排 量响应 时间约为 3 0 0～ 5 0 0 m s 。 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，一 般的液压阀的电磁铁的响应频率在 l 0 H z 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 各 自的缺点 ，则是一种较为理想 的流量控制方式 。 目 前川崎精机等挖掘机液压系统成套设备供应商所提供 的负流量液压系统和正流量液压系统，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。 2正流量液压 系统分析 正流量 系统是针对 负流量 系统 的应用性 能缺 陷而 提出的。 负流量控制 系统 的液压原理 图如图 1 示 。 在负 流量控制 系统 中 ，操作人员直接对 比例 阀进 行控制 ，通过主阀中位的剩余流量对变量泵的排量进 行 间接控 制 ，二者变化方 向相反 。变量泵输 出的流量 通过主阀去工作，主阀中位的剩余流量回来对液压泵 的排量进行调节 ，这种结构构成 了系统流量 的闭环控 制 。 图 1 负流量控制系统液压原理图 从控 制系统 的角度来看 ，负流量液压系统是一种 流量偏差的闭环控制系统，前向通道包括液压泵和液 压 阀 ，操作手对 液压 阀开度 的操作表现为对液压 阀流 量需求的干扰，液压阀中位剩余流量对液压泵排量的 控制构成了反馈通道，利用反馈压力对液压泵变量活 塞的驱动实现了对液压泵变量机构的增量控制 ，使液 压泵与液压阀的流量供需重新回到平衡 ，从而消除了 操作手的操作对液压阀流量需求的干扰作用。 负流量液压系统对流量的控制存在诸多缺陷，流 量 控制的快速性 、准确性 和稳定性都有 问题 ，其性能 缺陷的根 源是 系统的延 时特性 和闭环 特性 。在挖掘机 上实际应用负流量系统时，挖掘机存在操控性差 、液 压泵变量机 构磨 损 快 、执行 机 构容 易产 生震 荡 等 问 题 ，这些 问题都 与负流量系统的控制 缺陷有关 。 为了克服负流量液压系统的诸多缺陷，正流量液 压 系统应 运而生。正流量 液压 系统 的液压原理 图如 图 2示 图2 正流量控制液压原理图 1 0 2 机床与液压 第 4 0卷 由图可见 在正流量液压 系统 中 ，液压泵的排量 与液压阀的开度受同一个操作信号控制，液压泵和液 压 阀都是直接 、开环控制的 ，这与负流量液压系统 中 液压泵排量受操作信号的间接控制不同。 正流量液压系统 中，对 比例阀的操作信号 同时控 制液压泵 的排量 ，这种方式是 有依据 的。操作人员对 液压阀的操作信号中包含了对挖掘机执行机构的速度 期望，这种速度期望直接体现为比例阀对液压泵的流 量需求 和排量需求 。 在正 流量液压系统 中，通过对液 压泵排量控制通 道 的压力 一 排量 匹配设计和延时特性设计 ，可以实现 液压泵与比例阀的流量供需之间的准确性、及时性和 稳定性 。正流量液压系统 的这些性能优势是 由系统 的 开环特性 和直接 控制决定 的，可见 ，开环 系统 的控制 性 能不一定 比闭环系统差 。 3 正流量液压 系统的控制性能分析 操作人员 的控制信号对负流量系统和正流量系统 的意义完全不 同 ，对负流量系统而言 ，操作人员 的控 制信号直接控制液压阀的开度，改变了液压阀对液压 泵 的流量需求 ，这种 对液压阀流量需求的改变打破 了 原有的流量供需平衡关系，从这种意义上讲 ，操作人 员的控制信号是对负流量系统的干扰。为了克服操作 信号的干扰作用，负流量系统采用反馈通道对液压泵 的排量进行控制，以求重新达到液压泵与液压阀之间 的流量供需平衡 。负流量系统这种流量跟随 和事后 补 偿 的控制机制决定 了它在实际应用中的诸多性能缺 陷。 对正流量系统而言，操作人员的控制信号并不是 系统的干扰信号，而是指令信号。正流量系统的控制 结 构如图 3 示 图3 正流量控制结构图 由上述正流量系统的控制结构图可见 ，系统有两 个 开环控制通道 操作信号对液压阀开度 的开环控制 和操作信号对液压泵排量的开环控制，这种控制结构 相对负流量系统而言具有 明显的优势 液压泵 和液压 阀这两个控制点均采用开环控制，克服了闭环控制的 诸多缺陷；操作信号对系统而言是开环控制 的信号 源，而不对系统构成干扰；两个共用信号源的开环控 制通道实现了液压泵和液压阀的流量匹配问题，其 中，操作信号对液压阀的开环控制实现流量快速性 ， 操作信号对液压泵的开环控制实现准确性，开环控制 本 身实现稳定性 。 正流量系 统 的控制 优 势是 相对 负流 量 系统 而 言 的 ，并不说 明正流量系统是完美 的，正流量系统也有 一 些控制缺陷。 操作人员与挖掘机是控制者与被控对象的关系， 液压系统直接接受操作人员 的控制信号而驱动挖掘机 工作，部分或全部实现操作人员的意图。操作人员总 是希望有完美的操控性 ，即操作人员希望挖掘机 的实 际动作总是与操作人员预想 的一致 。正流量系统克服 了负流量系统的诸多缺 陷 ，操 控性得 到 了明显 提升 ， 但仍然不能完全实现操作人员的控制意图，让操作人 员得到完美的手感，因为正流量系统仍然不能克服负 载对 系统流量的影响。 通过液压阀的实际流量是 与负载有关 的，负载通 过 系统压力影响系统的流量 ，对于操作人员同样 的控 制信号 ，当负载较大 时 ，挖 掘机 的动作速度会 降低 ， 操作人员会感觉到负载对挖 掘机速度 的影响 。这 种特 性虽然没有完全执行操作人 员的速度控制意 图，但也 向操作人员传递 了一些有用 信息 ，让操作人员感 觉到 挖掘机负载的大小。 4结论与展望 综上所述 ，挖掘机液压 系统从 负流量控制 向正流 量控制的转变 ，是一种技术发展和进步 ，而这种技术 进步的意义，更多地体现在控制系统的层面上。正流 量系统通过简单而优化的控制结构，实现了液压系统 流量匹配的准确性 、稳定性和快速性 ，具有 突出的控 制优势。 正流量 系统 的意义 主要体现在其控制结构上 ，这 种控制结 构克服 了系统 自身 的控制缺陷 ，消除了因系 统固有结构和固有参数导致的系统误差。正流量系统 也不是完美的，其控制性能缺陷源于其对外负载的干 扰作用 。正流量 系统 的动作速度对外负载的变化表现 出一定 的速度刚度 ，也具有表征外负载大小的积极意 义 。 在正流量系统的基 础上 ，挖掘机液压系统的后续 改进方向之一是液压系统流量和功率对外负载的自适 应 控制 ，使液压系统对外 负载具有 较强 的速度 刚度 ， 从 而使操作人员得到更好的操 控手感 和随心所欲 的操 作 乐趣 。 参考文献 【 1 】 韩慧仙 ， 曹显利． 工程机械液压控制系统技术体系分析 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 5 6 8 ． 【 2 】 赵波， 刘杰， 戴丽， 等． 挖掘机液压系统的节能技术分析 [ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 7 4 4 3 4 5 ． 【 3 】陈欠根， 李延伟， 郝鹏． 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 2 73 0 ． 【 4 】韩慧仙， 曹显利． 挖掘机液压系统功率控制方式及性能 分析[ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 0 9 2 1 0 31 0 4 ． 【 5 】张新海， 何清华 ， 张海涛． 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 5 6 6 ．