液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现.pdf

第 2 9 卷 第 2期 2 0 0 6年 2月 合 肥 工 业 大 学 学 报 自然科学版 J OURNAL OF HE FEI UNI VERS I TY OF TECHNOLOGY Vo l _ 2 9 No ． 2 Fe b ．2 0 0 6 液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现 王 爽 ， 李志远 ， 余新呖 1 ． 合肥工业大学 机械与汽车学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 ； 2 ． 合肥通用机械研究所， 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 摘要 文章对挖掘机中的液压系统的节能效果进行了分析； 建立了基于六通型多路阀的电液 比例负流量控 制系统的控制模型， 提出了该系统节能控制的设计原则， 并对此模型进行了计算机仿真计算； 在自行研制的试 验样机上进行的试验表明， 该控制系统具有显著的节能和调速性能。 关键词 挖掘机； 节能技术； 负流量控制； 样机试验 中图分类号 T D 6 3 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 5 0 6 0 2 0 0 6 0 2 0 2 1 3 0 4 Ene r g y s a v i ng a n a l y s i s a nd r e a l i z a t i o n o f t h e i n v e r t e d flu x c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r s W ANG S h a n g ， LI Z h i y u a n ， YU Xi n - y a n g 2 1 ． S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d Au t o mo b i l e En g i ne e r i n g，He f e i Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ，He f e i 2 3 0 0 0 9，Ch i n a ,2 ，He f e i Ge ne r a l Ma c h i n c r y Re s e a r c h I n s t i t u t e ，He f e i 2 3 0 0 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t Th e e n e r g y s a v i n g t e c h n i q u e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i n e x c a v a t o r s i s a n i mp o r t a n t i s s u e i n t h e i n d u s t r y o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r s ．I n t h i s p a p e r 。t h e e n e r g y s a v i n g e f f e c t o f t h e I n v e r t e d Fl u x Co n t r o l S y s t e m b a s e d o n mu l t i p a t h v a l v e s wi t h s i x - wa y i s i n v e s t i g a t e d ．Th e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l mo d e l i s b u i l t ，a n d a f t e r c o mp u t e r s i mu l a t i o n ，t h e d e s i g n p r i n c i p l e o f t h i s e n e r g y s a v i n g c o n t r o l s y s t e m i s a d v a n c e d ．Th e t e s t r e s u l t o n t h e h o me ma d e t e s t b e d i n d i c a t e s t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m h a s e x c e l l e n t c a p a b i l i t y o f s p e e d r e g u l a t i o n a n d e n e r g y s a v i n g ． Ke y wo r d s e x c a v a t o r ；e n e r g y s a v i n g t e c h n i q u e l i n v e r t e d f l u x c o n t r o l ；t e s t b e d t e s t i n g O 引 言 液压挖掘机的液压系统中存在的各种形式的 功率损失， 都会不同程度地降低挖掘机液压系统 的使用效率。挖掘机工作时， 在不计沿程阻力的 条件下， 液压系统的最高效率可达 9 5 以上。但 由于挖掘机负载变化较大， 操作状况千差万别， 因 此液压系统的效率变化也非常大。液压挖掘机采 用节能技术不仅能有效地降低燃油消耗率， 还能 减少液压系统功率损失， 提高发动机功率的利用 率， 使动力系统与负载所需功率更好地匹配， 从而 降低发动机和液压元件的工作强度， 减少系统发 热， 提高设备正常使用的可靠性。因此，国内外 挖掘机行业对挖掘机节能技术都十分重视。 为避免功率损失， 国内外提出了多种方案。 常用的措施是在回转油路上加装蓄能器、 二次调 节传动技术等， 但由于这些系统过高的成本而使 其应用受到限制。 目 前常用的节能技术有压力切断、 正流量控 制和负流量控制等。其中压力切断功能是消除系 统过载时的溢流损失， 但这种功能要求平衡阀的 设定压力较低， 会使压力切断在回转过程中失去 收稿日期 2 0 0 5 0 3 2 1 ； 修改日期 2 0 0 5 0 6 2 1 作者简介 王爽 1 9 5 一 ， 男 ， 河南 南阳人 ‘ 合肥工业 大学硕士生 ； 李志远 1 9 4 9 一 ， 男， 山东枣庄人， 合肥工业大学教授， 博士生导师 维普资讯 2 1 4 合肥工业大学学报 自然科学版 第 2 9 卷 作用。正流量控制是利用操纵手柄的先导压力对 泵排量直接控制， 靠六通多路阀控制液压缸的速 度和方向。此系统能有效地消除操纵手柄处于中 位时系统产生的空流损失。但由于六通多路阀的 中位回油损失是必然存在的， 位于调速区内的阀 心难以形成克服负载 的系统压力 ， 直到 阀心基本 越过调速区后液压油才开始进入工作油缸， 因此 该系统会造成油缸速度突然加快。负流量控制的 本质是一种恒流量控制系统， 它有利于液压系统 功率损失的减少， 在系统节能方面极具潜力。所 以， 从节能角度出发， 深入研究并改进负流量控制 系统 ， 具有十分重要的实际工程意义 。 。 1 负流量控制 负流量控制系统是为消除采用六通阀产生的 节流损失而设计的控制系统， 其基本原理如图 l 所示 。 缸， 使液压缸速度逐渐增加。当 O 口完全关闭 后， 中位回油量为零， 负流量控制功能不起作用， 系统流量全部进入工作油缸。因此， 负流量控制 的本质是一种恒流量控制系统。 在传统的负流量控制挖掘机上， 负流量控制 功能通常用负流量控制泵实现。如图 2 所示， 将 流量检测节流口前的压力直接连到图 2 中的负流 量先导控制E l X ， 在负流量控制阀的作用下实现 泵排量随先导压 力的增加而减小 。X 口为先导 压力油入口， 来 自于六通阀的中位回油流量检测 装置。其不足之处在于多路阀调速范围有限， 受 负载影响较大 。 一 旦阀心越过调速区， 负流量控制功能就失 去作用而功率限制功能开始动作， 使切换过程中 系统流量变化较大 。 1 ． 负流量控制阀2 ． 功率限制阀3 ． 压力切断阀 图 2 负流量控制泵原理 图 负 流 量 控 制 原 理 2 电液比例负流量控制模型和计算 在六通 阀的 中位 回油路 上设置 流量检测 装 置， 利用检测信号对液压泵排量进行控制， 使通过 中位回油箱的流量始终保持在一个很小的恒定 值， 从而可以大大减小甚至基本消除中位回油功 率损失 。 只要 0口还未完全关闭， 在负流量控制机构 作用下， 通过中位的流量被控制在给定值。随着 工作阀口的进一步打开， 在系统流量分流的作用 下， 液压泵需要增加排量才能满足中位流量的恒 定。随着阀心的继续移动， 0口继续关闭， 液压泵 排量逐步增加， 所增加的流量都流入了工作液压 根据负流量控制分析， 只要能控制液压泵排 量 ， 就能实现负流量控制。实际上， 传统的负流量 控制泵也是一种排量可控 的比例泵 ， 只是其排量 随先导压力的增加而减小 J 。因此， 负流量控制 也可 以用排量 随先导压力的增加而增加的正流量 控制泵实现， 其控制算法也不再局限于用机一 液控 制结构实现， 而可以用机一 电一 液控制结构实现， 而 且性能更好 ， 如图 3所示 。 。 由于采用 了电子控制技术 ， 节流 口前的压力 控制不仅可以用 P I D制策略实现， 也可以用其他 控制策略实现， 从而使系统具有更好的调速性。 维普资讯 第2 期 王爽， 等 液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现 2 1 5 此时阀心位于微调区， 多路阀的 A V I 、 O V I 都处 在打开的状态 ， 使泵输 出的流量经过 P口后分成 两部分， 一部分通过 A V I 进入液压缸， 另一部分 通过 O口和流量检测节流V I 回油箱。在这一过 程中， 因为控制通过 O 口的流量为定值 ， 只需要 调整阀心位置改变 A 口和 0 口的通流面积 比， 从 而使增加的泵输出流量都通过 A 口流入液压缸， 实现液压缸的速度调节。 主油路 压力信号 电气信号 图 3 电液比例 负流量控制 在采用 P I D控制策略时， 可得负流量控制的 表达式为 P c MP 一 ㈤ K。 蚪K。 式中P 控制误差 P M⋯设定压力 P ￡ 节流 口前检测压力 q 一 一 泵排量控制值 K 一 P I D控制中的比例系数 K。～P I D控制中的积分系数 K。 P 1 D控制中的微分系数 如果令 1 式 中的 K。 、 KI 为零， 即变为通常 所描述的负流量控制策略。 对负流量控制进行设计 时， 首先需要确定流 量检测节流 口上的工作压力和流量值 。 、 ， 并以此设计节流口。节流口上难免要产生一定的 功率损失， 但这一损失较小 。只要工作点 P 。 ， Q o 确定， 就可以根据节流口的压力一 流量方程初 步计算出所需要的节流 V I 直径 d， 即 O √ 2 式中 节流孔直径 ， mr n Q o 通过节流孔的工作流量 ， L ／ rai n 节流孔流量系数 ， 通常取 0 ． 6 1 l D 液压油密度 ， k g ／ m。 P 。 节流孔前工作压力， MP a 按照 以上 公 式 进行 模 拟计 算， 设 P 。为 3 MP a ， Q n 为液压泵最大流量的 5 。如果发动 机额 定 转速 为 2 2 0 0 r ／ m i n ， 泵 最 大 排量 为 2 8 mL ， 2 式中参数选取如下 』0 7 8 0 k g ／ m。 ， C d O ． 6 1 ， P o 一3 MP a ， Oo 一3 L ／ rai n 。 由此可以计算 出圆整 后节流 孔 的直径 d 1 ． 2 m m。若假设控制节流口前工作压力 P 。 仍为 3 MP a ， 可以根据 2 式对流过节流 口的流量及其 功率损耗进行验算， 即 工作点流量为 Oo C d 。_ 3 ． 6 2 9 L ／ mi n 3 节流口功率损耗为 W P 。 Oo一 0 ． 1 8 2 k W 4 由计算可知， 节流口上所产生的功率损耗很 小， 在实际控制中还有加大节流V I 工作压力的余 地。由于在任何情况下， 旁路回油通路上产生的 功率损失都被控制在很小的值， 因此系统效率大 幅度提高， 节能效果显著。 3 试 验验证 P I D控制试验是在 自行研制 的液压挖掘机上 进行的， 试验测试系统如图 4所示 。 图 4 负流量控 制试验 的测试系统框图 试验中在多路阀的旁路回油路上加装了流量 检测节流孔 ， 在该处安装压 力传感器用来测量 回 路的压力变化。在液压泵的转动轴输入端安装转 速计， 转速计的输出电压反映了泵的转速变化。 压力信号和转速信号分别经标定和模数转换后， 维普资讯 2 1 6 舍肥工业大学学报 自然科学版 第2 9 卷 送计算机记录存储 。 试验结果如图 5所示 ， 当控制挖掘机斗杆 动 作时， 节流口在设定的不同开启状况下， 节流口处 的压力泵和排量随时间的变化。图中泵的实际工 作转速 反映了泵排量的变化。 ．量 g 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 s b 1 ． 压力2 ． 实测转速3 ． 理论转速 图 5 3 种状况下泵排量和节流口处的压力及转速随时间变化 图 5 显示出 P I D具有明显的恒压控制作用， 当挖掘机手柄缓慢压下 挖掘机斗杆缩进 时， 多 路阀A口打开 见图 3 ， 在 0口关闭之前 P 基 ． 本不变， 但为保持旁路节流口处实际压力不变， 泵 排量必须缓慢上升， 增加的流量全部进入工作油 缸 ， 这显示了系统的调速特性。当0 口完全关闭 后 ， 可以看出节流口处压力明显减到最低点， 同时 泵排量迅速达到最大， 手柄压下 斗杆缩进 时情 况正好相反 剧。 由试验可以看出， 节流口在不同开启状况下， 在节流口前设定不同的工作压力， 对系统的节能 性和调速性都有一定的影响。同时根据 2 式和 3 式， 可以从图 5 估算出多路阀 A在 0 口关闭 之前、 在 0口过渡位置和在 0口完全关闭后的 3 种状况下， 其功率损失分别为 2 6 W、 4 0 0 W 和 1 ． 7 k W 。 4 结 论 分析表明， 基于六通型多路阀的电液 比例负 流量控制系统在挖掘机斗杆任何工作情况下， 旁 路回油通路上产生的功率损失都很小， 因此系统 的效率大幅度提高， 节能效果显著， 同时系统还具 有 良好的调速性能 。 在 自 行研制的液压挖掘机上进行的试验表 明， 在节流口设定的不同开启状况下， 在节流口前 设定不同的工作压力， 对系统的节能性能和调速 性能都有一定的有利影响， 这也验证了分析结果。 [ 参考文献] Kr n s H P，J a n s s o n A，P a l mb e r g J O． T h e d e s i g n o f p r e s s u r e c o mp e n s a t o r s f o r l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m[ A ] ． C o n t r o l 9 6 ， UKAC C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O il ，S e p t e m- b e r ． 1 9 9 6 [ C ] ． 1 9 9 6 ． 1 4 5 6 1 4 6 1 ． 王晨， 应富强． 液压挖掘机的智能化节能控制策略[ J ] ． 浙 江丁业大学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 0 ， 2 8 2 1 0 8 1 1 1 ． 陆森林， 和卫星． 单斗液压挖掘机发动机微机节能控制系统 [ J ] ． 江苏理 工大学 学报 自然 科学版 ， 1 9 9 9 ， 2 3 4 ； 21 2 4 ． 青柳幸雄． 电控 低油耗 液压挖掘 机 的开发[ J 1 ． 国外 工程 机 械 ， 1 9 8 5 ， 9 2 2 z 3 ． 王庆丰． 电液比例方向阀稳态流量控制特性的试验及分析 [ J ] ． 液压与气动， 1 9 9 4 ， 4 1 7 1 9 ． 黄长艺， 卢文祥． 机械工程测量与试验技术[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 2 4 8 2 6 4 ． 唐经世， 高国安． 工程机械 上册 [ M] ． 北京 中国铁道出版 社 ， 1 9 9 6 ． 1 5 4 1 7 5 ． 唐经世， 高国安． 工程机械 下册 [ M] ． j E 京 中国铁道出版 社 ， 1 9 9 6 ． 1 3 4 6 ． 责任编辑吕 杰 8 以 ／ 4 2 O ] ] ] ] ] ] ] ] 维普资讯