挖掘机液压系统控制性能分析.pdf

第 4期 总第 1 8 5 期 2 0 1 4年 O 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEE RI NG 8 L AUT0MATI N NO． 4 Aug ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 4 0 4 0 1 5 0 - 0 2 挖掘机液压系统控制性能分析米 李丛山 0 ⋯ 湖南机 电职业技 术学院，湖南 长 沙 4 1 0 1 5 1 摘 要 介绍 了挖 掘机 液压 系统的功率参 数与流量控制机理 ，从 液压 系统的功率角度分 析 了液压 挖掘机 的功率 控制方式 ，从挖掘机负流量液压系统与正流量液压系统的工作原理方面分析 了其控制性能及优缺点，并总结 了挖掘机负流量液压系统与正流量液压系统的技术价值、应用场合及改善方 向。 关键词 挖掘机；液压系统；控制 性能 中图分类号 TU6 2 1 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 0 引言 从近几年工程机械的发展来看 ， 挖掘机的发展相 对较快 ， 已经成为工程建设中最主要 的工程机械之一。 目前挖掘机基本采用了液压传动的方式驱动工作装置 和行走装置进行工作。在整个挖掘机液压 系统 中， 不 但工作系统和行走 系统的动力传动是液压传动 ， 甚至 大部分液压系统的控制也是 由液压实现的， 如液压泵 的控制 系统 、 液压 阀 的控 制 系 统 和液 压 执 行 机构 的安 全控制系统等。 液压系统所传递的功率表现为液压系统的工作压 力和有效流量， 液压系统 的控制实际上可划分为压力 和流量两种控制方式。当液压挖掘机工作 时， 发动机 将燃油的化学能转化为机械能 ， 其输 出功率通过液压 泵转化为液压能 ， 液压能传递和转换为机械能后 ， 通过 动臂、 斗杆 、 铲斗等装置对外界 负载进行工作 ， 挖掘机 液压 和控制 系统运 行 时 的系统压 力决定 于挖 掘机 所遇 到的负载 ， 从经典控制理论的角度来分析 ， 液压系统的 压力是系统对外输入 的响应， 是不取决于系统本身的 参数。而液压系统 的流量不是外界施加的参数 ， 只能 间接受外负载的影响。由此可知， 不能通过控制系统 压力来控制系统的功率 ， 而只能通过控制系统的流量 来控制系统的功率 。 1 挖 掘机 液压 系统 流量控 制机 理分 析 液压系统的流量 由液压泵产生 ， 由液压 阀传递和 控制 ， 由此可见 ， 液压系统可分为泵控液压系统和阀控 液压系统。液压泵的理论流量计算公式为 Q6 一N V6． 1 其中 Q 6为液压泵流量 ， L ／ mi n ； N 为液压泵输入 转 湖南省科 技计划 资助项 目 2 0 1 3 G K3 0 5 3 收稿 日期 2 O 1 4 一 O 2 2 5 ；修 回日期 2 0 1 4 0 3 1 8 作者简介 李丛 山 1 9 6 0 一 ，男 ，湖南澧县人 ，助理实验师，大专。 速 ， r ／rai n ； V b 为液 压泵排 量 ， L ／ r 。 由式 1 可 见 ， 改 变液 压泵 的转速 和排 量都 可 以改 变其流量， 进而改变执行元件 的速度。挖掘机在工作 过程中， 一般要求柴油机转速和功率稳定在某个设定 值附近， 所以， 在对液压泵的流量进行控制时， 可以忽 略挖 掘机转 速 的小范 围波 动 ， 而 假 定 液 压泵 输 入 转 速 是 固定 不变 的 。因此 ， 控 制 液 压 泵输 出 流量 的方 式 是 控 制其 排量 的大 小 。 液压阀主要对液压泵输 出的流量进行分 配和调 整 。液压 阀的 流量计算 公 式为 Qf C q XA X ． 其 中 Q， 为液压阀的流量 ， L ／ mi n ； C q为流量系数 ； A 为液压阀的开度 ； △p为液压阀上的压降， MP a ； p液压 油 的密度 。 由式 2 可 见 ， 液 压 阀的流量 主要 由液 压 阀的开 度 A和阀上的压降, S p两个变量决定 。由于液压系统 的 压力 大小是 由外 负 载决 定 的 ， 而 外 负 载 往往 是 不 可 预 知的， 因此 ， 对液压阀的流量控制主要通过控制其开 口 A来实现 。即通过 P WM 电流信号驱动电磁铁推动 阀 芯产生一个位移 ， 阀芯位移对应一个阀的开 口A， 从而 得到 液压 阀 的输 出流量 。 由前述分析可知， 液压系统 的流量控制分为泵控 和阀控两种方式， 二者各有其优点 和缺点。泵控方式 能量损失小， 节能性好， 对于大功率工程机械的节能降 耗有很大意义 ， 但其调节时间相对较长 ， 系统的响应速 度较慢 ， 因为改变液压泵的排量需要一定的时间 ， 一般 是几百毫秒 ； 而阀控系统响应速度快， 一般只需几十毫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 4期 李丛 山 挖掘机液压 系统控 制性 能分析 1 5 1 秒即可 ， 因为液压阀对流量 的调节是通过改变阀芯的 同流面积实现的 ， 其运动质量较小 ， 动作很快 ， 但其经 济性不好 ， 因为阀控方式的本质不是改变总流量 的大 小， 而是从 总流量 中获取一部分来工作 ， 其余的部分全 部 回到油箱 ， 这部分流量所承载的功率全部浪费了。 液压系统的两种流量 控制方式 各有其优 点和缺 点 ， 又优势互补 ， 因此 ， 目前主流的挖掘机液压系统 的 技术路线都是通过集成这两种流量控制方式 的优点 ， 同时消除这两种控制方式的缺点 ， 形成一种混合 的流 量控 制方 式 ， 比如 目前 在 中吨 位 挖 掘 机 上广 泛 使 用 的 负流量控制方式和正流量控制方式 、 在小吨位挖 掘机 上大量使用 的负载敏感控制方式、 在大吨位挖掘机上 使用的节流调速控制方式等。 2负流量 液 压 系统控 制性 能分 析 日本川崎公司开发的负流量控制系统液压原理示 意 图如图 1 所示。系统主要元件包 括变量液压泵 、 比 例多路阀、 液压执行元件 、 液压控制 回路、 液压操纵元 件和系统等。其中， 液压泵是流量提供元件 ， 其输 出的 流量 经过 液 压 比例 阀 的分 配 和 调 整 后 ， 进 入 液 压 油 缸 进行 工作 。其技 术 的关 键 是 ， 液压 阀 上具 有 一 套 流 量 检测和转换装置 ， 能够实时检测液压泵 与液压 阀之间 的流量供需匹配关系， 当液压泵与液 压阀的流量关系 为供大于求时 ， 该系统会 自动把液压泵 的排量关小 ； 当 液压泵与液压阀的流量关 系为供小于求时 ， 该 系统又 会 自动把液压泵的排量开大 。从经典控制理论 的角度 来看 ， 这套流量控制系统实质 上是一个反馈控制系统 ， 系统的流量是控制量 ， 而外负载是对流量的干扰。 图 1 负 流 量 控 制 系统 液压 原 理 示 意 图 由上 述 的原 理分 析 可 以发 现 ， 操 作 人 员 并 不 能 直 接 控 制 液 压 系 统 的 流量 发 生 元 件 液 压 泵 ， 而 是 控 制液压系统的调节和分配元件液压 阀， 再通过液 压 阀来间接控制液压泵 ， 由于液压 阀对液压泵 的排量 控制信号是负反馈信号 ， 因此这套 系统命名为负流量 控 制 系统 。 负流量控制系统 目前得 到了广泛 的应用 ， 是 因为 该系统相对原来的单纯泵控调速系统或单纯的阀控调 速系统具有一定 的优势 ， 但该系统也有缺点。随着液 压技术的发展和挖掘机作 业要求 的提高 ， 负流量系统 的缺点也 日益凸显 ， 主要体现在系统响应迟缓 、 液压泵 的寿命和可靠性不高、 在有些工况下挖掘机容易发生 动作振荡。负流量 系统 是一种负反馈 的闭环控 制系 统， 一般系统的时间常数较大 ， 控制信号在系统 的多个 环节之间传递需要较长的时间 ， 因此导致系统 的操控 性不高， 响应速度较低。一般来讲 ， 液压泵与液压阀总 是不能达到供需平衡 ， 不是供大于求就是供小于求 ， 所 以 ， 液 压泵 的排 量 总是在 不断 调节 之 中 ， 如此 加大 了液 压泵排量机构的磨损 ， 降低 了使用寿命 和可靠性。由 于负反馈系统的物理延时， 在周期操作信号的输入下， 当输入信号的频率与系统的固有频率基本重合时 ， 操 作信号与油缸的动作信号的相位差接近 1 8 0 。 ， 此时系 统会发生振荡失稳 ， 导致系统不能正常工作 ， 甚至会发 生故障。 3正流 量 液压 系统 的控 制性 能分析 针对负流量系统 的诸多缺陷， 国外 主要挖掘机液 压系统制造商如川崎 、 力士乐等公司又开发 了正流量 液压系统， 其液压系统原理示意 图如 图 2所示 。系统 主要元件包 括变量液压泵、 比例 多路阀、 液压执行元 件 、 液压操纵元件和系统等。 图 2正 流 量 控 制 系 统 液 压 原 理 示 意 图 正流量系统的技术路线摈弃 了负流量系统的反馈 控制方式， 而是采用更加简单可靠的开环控制 ， 把液压 泵的控制与液压阀的控制分开， 即操作手柄的控制信 号 分别 直接 控制 液压 泵 的排 量 和液 压 阀的 流量 ， 可通 过计算和试验的方式 ， 实现两条开环上的流量特性匹 配 和延 时特 性 匹配 。 正流量系统克服了原有负流量系统的 3个主要缺 点 ， 这也是正流量 系统的主要优势 。但其 主要缺陷是 执 行机 构 的动作 速度 受 负 载 的 影 响较 大 ， 当外 界 负 载 发生变化时， 该特性会影响操作人员的手感。 所 谓负 载对 挖掘 机 执 行 机 构 速 度 的影 响 ， 其 实 是 在发动机和液压系统功率基本稳定的条件下 ， 液压系 统压力 随 着外 负载 的变 化 而 变 化 的 同 时 ， 导致 液 压 系 统 的流量也随之变化， 流量的变化体现为挖掘机速度 的变化。此时 ， 操作人员会感觉到挖掘机不够“ 硬” ， 但 是也要看到这种特性的好处 ， 即这种特性可以让操作 人员感知到外界负载的强度。 下转第 1 5 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 4年第 4期 3 ． 3无 线数 据传输 软件 设计 无线数据传输模块 的软件设计包括 n R F 2 4 0 1的 初 始 化 、 n R F 2 4 0 1的 发 送 和 接 收 数 据 。其 中 对 n RF 2 4 0 1的初始化包括 对收发模式 、 晶振频率 、 收发 信道频率 、 地址、 传输速率 、 C R C校验 、 芯片发射功率 等进行配 置。该设 计 中， 使 用 通道 1在 S h o c k B u r s t T M 模式下进行数据传输 ， 数据速率为 2 5 0 k b ／ s ， 收发 信道频率 2 4 0 2 MHz ， 晶振频率 1 6 MHz 。在发送数 据时 ， 首先让该模块为发送工作模式 引脚 C E 一1 ， 配置 接收端 地址 和 有效 数 据后 ， 启 动发 送 引脚 C E O ， 发送端等待数据发送完成。当发送完成后模块进 入接收状态 ， 接收接收端 的应答数据 。如果接收到数 据则根据需要进行相应处理 ， 因此在接收端 的主循环 里可以一直判断发送标志位 D R1 是否为 1 ， 为 1则表 示接收到数据 ， 根据通信协议对其进行相应处理。 4结束语 本文提出了一种利用 C AN 总线和无线数据传输 技术开发矿用多功能充电架 的设计方案 ， 完成 了相应 的硬件设计并对软件流程进行 了分析。该系统的成功 应用必将大大提高煤矿对矿灯充电的效率和质量 ， 能 够较好地实现现场的监测和管理。 参考文献 E l i 李朝青． P C机及单片机数据 通信技术 [ M] ． 北京 北京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 郭天祥． 5 1 单片机 C语 言教程 [ M] ． 北京 电子 工业 出版 社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 王永华． 现场总线技术及应用教 程E M] ． 第 2版 ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 4 ] 艾学 忠， 金炳涛． 具有安全监管 的锂电池矿灯 智能充 电技 术 的研究 [ J ] ． 化 工 自动化 及仪表 ， 2 0 1 0 2 1 0 0 一 1 0 1 ． E s l 曹志 强． 智能矿灯充电架通讯 系统的研究 E J q ． 煤炭 技术 ， 2 0 1 2 5 4 9 5 0 ． De v e l o pme n t o f M u l t i - f u nc t i o n Ch a r g i ng Ra c k Ba s e d o n CAN Bu s f 0 r M i n e W ANG Xi n - f e ng ，REN S hu - pi ng g 1 ．De p a r t me nt o f Au t o m a t i o n， En gine e r i n g Co l l e g e ， S h a n x i Un i v e r s i t y， Ta i y u a n 0 3 0 0 1 3， Ch i n a ； 2 ． De p a r t me nt o f El e c t r o ni c I n f o r ma t io n， En g i n e e r i n g Co l l e g e ，S ha n x i Un i v e r s i t y，Ta i y u a n 0 3 0 0 1 3，Ch i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t he i n f or ma t i on ma n a ge me n t pr ob l e m o f mi ne r l a m p，a wa y t o de v e l op t he m u l t i f un c t i on c h ar gi n g r a c k i n mi ne i s p u t f o r wa r d wh i c h i s b a s e d o n CAN b u s a n d t h e wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n t e c h n o l o g y ．Th e d a t a o f a l l i n t e l l i g e n t c h a r g i n g r a c k s a r e c o l l e c t e d b y CAN b u s a n d s e n t t o t h e a d mi n i s t r a t o r c o mp u t e r b y wi r e l e s s d a t a t r a n s f e r mo d u l e ． Th e d a t a c a n b e d e a l wi t h o r b e s t o r e d． Ke y wo r ds CAN bu s；wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i on；c ha r g i n g r a c k 竺 黧登 愁 至 苎 掌 等 醒, 2 0 1 0 5 6酬-8LJ J ． u-o , 排 鎏 苎 蠢 簦 苎 在 技 术 ． i [ 4 ]韩 慧 仙 挖 掘 机 液 压 系 统 功 率 控 制 方 式 及 性 能 分 仍 然 能 够 高 效 稳 定 地 工 作 ，正 流 量 系 统 是 在 负 流 量 系 薪 j ． i～ , ⋯2 0 0 9 2 1 o 1 o 4 ～⋯ ‘ 统上的改进。后续继续改进的方向是提高液压执行元 E 5 3 高炳天 ．工程 机械液 压控 制系 统的技 术分析 [ j ] ． 液 压与 H u n a n M e c h a n i c a l El e c t r i c a l P ol y t e c h ni c ，Ch a ng s h a 41 01 5 1，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r i n t r o d u c e d t h e p o we r p a r a me t e r s a n d f l o w c o n t r o l me c h a n i s m o f t h e 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 ，d e r i v e d t h e p o we r c o n t r o l mo d e s o f t h e h y d u a u l i c e x c a v a t o r ，a n a l y z e d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e p o s i t i v e f l o w c o n t r o l a n d n e g a t i v e f l o w c o n t r o l o f e x c a v a t o r f r o m t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m．At l a s t ，i t s u mme d u p t h e ，a p p l i c a t i o n a n d i mp r o v e me n t d i r e c t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m c o n t r o l mo d e o f e x c a v a t o r ． Ke y wor d sex c a v a t or ；hyd r au l i c s y s t e m c o nt r o1 p e r f or ma nc e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m