液压挖掘机LUDV控制系统分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 2 ． 2 0 1 1 液压挖掘机 L U D V控制系统分析 彭 晓 周志鸿 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 挖掘机对复杂工况有一定要求 ， 特别是小型挖掘机 ， 多个执行元件 的协调配合能大大提高整机 的工作效率。负载敏感 系统 的 应 用使 得挖 掘机 的节能效果有 了很大改善 ， 但是 当多个负载所需要的总流量超过泵 的供油能力时其流量 会优 先流向负 载较轻 的那边 ， 导致其操控性能 降低 ， 而 L U D V控制系统则能很 好地解决这一 问题 。 关键词 挖掘机 ； L U D V； 负载敏感 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 2 0 0 0 3 ～ 0 4 Ana l y s i s o f L UDV Co n t r o l S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Exc a v a t o r P E NG Xi a o Z HOU Z h i - h o n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e x c a v a t o r h a v e d e t e r mi n a t e r e q u i r e me n t s f o r e o mp l e x w o r k c o n d i t i o n s ， e s p e c i a l l y f o r mi n i e x c a v a t o r , s e v e r a l wo r k c o mp o n e n t s c o o p e r a t e h a r mo n i o u s l y wi t h e a c h o t h e r c a n e n h a n c e t h e w o r k e f f i c i e n c y o f t h e wh o l e e x c a v a t o r ． Ap p l i c a t i o n s o f t h e l o a d s e n s i n g s y s t e m g r e a t l y i mp r o v e d t h e e n e r g y s a v i n g e f f e c t s o f e x c a v a t o r ， b u t wh e n t h e t o t a l fl o w wh i c h s e v e r a l l o a d s n e e d a t t h e s a me t i me e x c e e d t h e l i mi t s o f t h e p u mp ，t h e fl o w w i l l r u n t o t h e l i g h t e r l o a d f i r s t l y ， r e d u c e d t h e c o n t r o l p e r f o rm a n c e ．L UDV c o n t r o l s y s t e m c a n s o l v e t h i s p r o b l e m w e l 1 ． Ke y W o r d s e x c a v a t o r ； L UDV； l o a d s e n s i n g 0 引言 液压挖 掘机 的液压 系统 自从 发展 为变量 系统 以 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 0 8 作者简 介 彭晓 1 9 8 5 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 现就读 于北 京科 技大学机械工 程学 院车辆工程专业 ， 研究方 向为工程车辆的液压系统设计与研究。 - 一 一 - 一 ■～ 一 } 一 后 ，人们就一直对变量系统 的流量和压力控制方面进 行深入 的研究 。最初是通过使用一些节流阀 、 减压阀 、 溢流阀等进行一些简单的控制 ，但这些控制的效果不 是太好并且还会造成大量的能量损失。故人们开始探 讨根据负载的需求变化来控制系统 的流量和压 力 ， 于 是产生了负载敏感控制l l 】 。传统的负载敏感控制使挖掘 - 卜 一 - 一一 - ■ 一- 卜 一 一- 一 一 - 一 十 一 - -一 - 十一 - - - 卜 - - 一 一- 一 - - - - - 求也较低 ， 而且 界面丰富 、 客户端维护量小 、 程序分发 简单 、 更新维护方便 。它容易进行跨平 台布置 ， 容易在 局域网与广域网之间进行协调。 3 结论 为了更好地适应企业信息化的要求， 特别是更好地 为企业提供急需 的应用服务 ，根据 A S P的服务过程分 析 ， 以实现应用服务为核心 ， 构建 AS P应用服务平 台 ， 为机械制造企业和用户搭建一个提供应用服务的平台 ， 对中小型企业来说 ， 具有重大的实际意义和应用价值。 参 考 文 献 【 l 】 A l e x a n d e r L ．F a c t o r ． 应用 服务供应 商 A S P 解决方案【 M】 ． 孙 延 明译 ． 北京 电子工业出版社 ． 2 0 0 3 ． 【 2 】 苗剑 ， 刘 飞， 宋豫川． 应用服务平台的系统构成及功能应用l J J． 制造业信息化， 2 0 0 3 1 ． 沈伯青 ， 杨宗凯． WE B服务 的基石 ． U D D I 技术[ J 1 ． 计算机工程 与应用 ， 2 0 0 3 3 ． 周光辉 ， 江平 宇 ， 张映峰． 基于 We b的 网络化分 散制造 电子 服务操作平台[ J ] ． 计算机集成 制造 系统一 C I MS ， 2 0 0 2 4 ． T ．K e r n ，J ． K r e i j g e r , L ． Wi l l c o c k s ，E x p l o ri n g A S P a s s o u r c i n g s t r a t e g y t h e o r e t i c a l p e r s p e c t i v e s ， p r o p o s i t i o n s for p r a c t i c e ， J o u r n a l o f S t r a t e g i c I n f o r ma t i o n S y s t e ms ， l 1 2 0 0 2 1 5 3 1 7 7 ． 陈恩义， 吴强， 刘鸿波[ 译] ． S Q L S e r v e r 2 0 0 0开发指南[ M 】 ． 北 京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 曾小青． 基于 A S P模式 的企业信息化解 决方案【 J 1． 科学管 理 研究 ， 2 0 0 3 3 ． 范玉顺 ， 王刚， 高展． 企业 建模理论 与方法学导论【 M] ． 北京 清 华大学出版社 、 施普林 格出版社 ． 2 0 0 1 ． 3 p 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 1年 第 l 2期 机进行复合动作的操控性能和节能效果有 了很大的提 高 ，但是当各执行元件所需流量总和超过泵的供给能 力 泵 的流量达到饱和 时， 流量会首先选择去负载较 轻的执行元件 ， 造成各执行元件 的运动速度不一致 ， 从 而又会影响挖掘机的操控性能。 为了解决这一问题 ，德 国博世力士乐公 司开发 了 L U D V系统 ， 即负载独立流量分配系统。此类系统的出 现能够保证 当泵的供油能力不足时所有执行元件 的运 动速度成 比例下降 ， 以获得与负载压力无关的控制 ， 大 大改善了挖掘机的可操纵性 ，降低了驾驶员 的劳动强 度， 在挖掘机上 ， 特别是小挖上获得了广泛的应用。目 前 国内一些厂家也在仿制类似的产品。本文就主要针 对 L U D V系统的工作原理及多路阀的特性进行分析。 1 L S系统与 L U D V系统 比较 1 ． 1 普通负载敏感系统的不足 多年来众所周知的普通负载敏感系统 L S系统 是 通过设立在节流 口之前的压力平衡阀来实现执行元件 运动速度与负载压力无关的 见图 1 。 只要执行元件所 需要 的流量小于液压泵所能提供的流量 ，这种系统会 以与负载压力无关 的方式进行工作。但当有多个执行 元件动作时 ，执行元件所需的流量会大于泵所能提供 的最大流量 ， 此时压力平衡 阀的调节失效 ， 导致压力平 衡阀打开 ， 流向各执行元件的流量与负载就有关 了。泵 的流量分配不是成 比例的分配各个执行元件 ，而是受 负载压力的影响， 流量将会流向负载较轻的执行元件 ， 而负载压力较高的执行元件速度降低甚至停止运动。 1 一 L s控制阀2 一 压力补偿 阀3 一 节流 口4 - 梭阀 图1 L s系统原理 1 ． 2 L U D V系统的优点 与普通负载敏感系统相 比， L U D V系统主要有几点 4 不 同 见图 2 。第一 ， L U D V系统的压力补偿阀设在节 流 口之后 ， 属于阀后补偿 。第二 ， 经过梭阀选择的系统 中最高的负载压力不仅反馈到泵的变量机构 ．并且还 会作用在压力补偿阀的两端 。 第三， L S系统的压力补偿 阀是基于定差减压原理的 ，而 L UD V系统的压力补偿 阀是基于比例溢流阀原理。基于以上几点不同就解决 了普通负载敏感系统所面临的问题。最高负载压力作 为 比例控制信号传递给所有压力补偿 阀．使所有操纵 阀的输出压力都被限定在同样的压力 即最高负载压力 下 ， 而 L S控制 阀也在最 高负载压力 的作用下 ， 对液压 泵排量进行控制 ，使泵输 出的压力 比最高负载压力高 出一个 固定值[2 1 。这样 ， 所有的操纵阀阀口的压差就可 以被控制在同一个值。即使泵输出流量不足时． 无法维 持操纵阀阀口正常的负荷传感压差 ，但在溢流型压力 补偿阀的作用下 ，仍然可以使所有多路阀阀口上 的压 差继续保持一致。在这种情况下 ， 虽然各执行元件的速 度会降低 。 但 由于所有阀口上 的压差一致 ， 因此各执行 机构的工作速度之间经 比例关系仍然保持不变 ，从而 保证了挖掘机动作的准确性I 3 】 。 1 一 I 5控制阀2 一 节流 口 3 一 压力补偿 阀4 一 梭 阀 图 2 L UD V系统原理 2 压力补偿原理 2 ． 1 压力补偿 阀平衡时的受力分析 当进行复合动作 ， 泵的流量达到饱 和时 ， 由于各执 行元件 的负载压力不 同， 所以流量变化就会不成 比例 ， 负载较大 的执行元件 的速度就会下降。此时压力补偿 阀就会起作用 ．由压力补偿阀的运动来调节节流口两 端的压差 ． 使得各节流 口两端的压差相等。如图 2所示 的原理 ．压力补偿阀的一端作用着来 自节流阀的阀后 压力 ， 一端作用着经过梭阀选择的最大负载压力。当压 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 l 2期 样配合 主阀上的 L S口来进行工作的。 3 ． 1 恒功率控制 如图 5所示 ， 该泵的恒功率控制系统是靠上 、 下两 个调节液压缸来调节泵的排量的，通过两个三位二通 换 向阀的移动来实现各油路的通断。开始当主泵 出口 压力P 很低时， 控制阀 A在弹簧力的作用下处于右位 ， 调节液压缸 b大腔的油经控制阀 B和控制阀 A右位直 接 回油箱。调节液压缸 a 在弹簧力和大腔液压力的作 用下使液压泵的摆角在泵的排量最大的位置。当主泵 出1 3 压力P 逐渐升高时 ， P 作用在调节液压缸 a 大腔 ， 顶杆推动杠杆使杠杆绕支点转动。从 而推动阀 A向右 移动， 使阀 A处于左位， P 通过阀 A和阀 B进入液压缸 b大腔 ， 推动活塞杆运动． 并克服液压缸 a的弹簧力使 液压泵往排量小的方 向摆动。此时， 由于液压缸 a活塞 杆跟随向右移 ． 顶杆作用在杠杆上的力臂减小 ， 从而使 杠杆推动阀 A的力减小直到和弹簧力平衡 ，此时液压 泵的排量 固定在一个稳定的值。同理 ， 当主泵出13 压力 P ，、 下降时， 主泵的摆角会向着排量大的方向移动。 去主油路 接4EIL S 口 f J l ． 图 5主 泉 控 制 系 统 3 _ 2 负 载敏 感控 制 图5中阀 B为流量控制阀， 此阀的作用是设定系统 的补偿压力。阀的左端作用着泵的出13 压力 P ， 右端作 用着经主阀所选择的最高负载压力P 。 和弹簧力 。由 阀 B的受力平衡得到 p。 A pl 即得到 。 - p I ， ， 4 5 式中△ p 系统压差 ； P lm a x 经主阀选择的最高负载压力； ‘4 流量控制阀 B的作用面积； 流量控制阀 B的弹簧压力 。 当 A p F／ , 4 时， 阀 B处于左位 ， 主泵压力油进入液 压缸 b大腔 ， 使泵的排量减小 ， 当 A p E／ A 时 ， 阀 B左 移至右位 ， 主泵压力油进入液压缸 b大腔 ， 使泵的排量 变大 。 前 面提 到 了基 于 比例溢 流 原理 的 阀后补 偿 能够 使 各节流口处的压力差相等 ， 从而能够保证司机按照操纵 阀开度的大小向各执行元件供油而不受负载压力的影 响。 但是这样只能保证去往各执行元件的流量分配是公 平的， 却不能保证从主泵 出来的油就能根据操纵阀开度 的大小来合理 的供油 。假如在操纵阀开度较小的情况 下，各执行元件所需要的流量小于泵所提供的流量时， 多余的流量就会在操纵阀进 口处堆积， 此处压力就会不 断升高， 直到达到溢流阀的开启压力而溢流 ， 这样造成 了大量的流量损失和压力损失。有了上述提到的流量 控制阀， 通过设计计算后我们把系统压差 △ p设定在某 一 固定值 ， 当压差小于这一值时 ， 换 向阀 B向右移动 ， 减少泵输出的流量 ，这样就 自动的减少了堆积在操纵 阀进 I 3 处的多余的油 ， 泵出 口的压力 自然就会降下来 ， 重新回到设定 的系统压差 。这样泵所提供的流量就会 自动的适应操纵阀开 口的大小 ，而且只供给 比负载稍 高一点的油压而不会造成流量损失和压力损失。 4 结束语 L U D V系统 比传统的负载敏感系统更优越的地方 在于 当泵 的供油流量不足时 ， 各操纵 阀按比例重新分 配流量 ，流向各执行元件的流量只与操纵阀开度大小 有关 ， 而与负载压力无关 ， 阀后压力补偿的原理可以实 现此项功能。主阀上的 L S口结合泵的控制系统更能有 效的利用功率 ， 减小不必要的压力和流量损失 ， 使主阀 和泵达到最佳的匹配效果。因此 ， L U D V系统不仅在操 控功能的实现上更近一步 ，而且在能源的合理利用上 更是显示了其独特的优越性 。 参 考 文 献 1 1 郭柏娜， 曹明． 负荷传感技术 的应用与产品研制【 J 1 ． 液 压气动 与密封， 2 0 1 1 1 ． 【 2 1 权龙． 工程机械多执行器 电液控制技术研究现状及最新进展 l J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 1 ． [ 3 ] 李闯． 基于数据 统计 的小 型液压挖 掘机 动力系 统选 型匹配 [ D ] ． 西南交通大学硕士论文， 2 0 1 0 ． 【 4 】 蒋道成， 于兰英， 柯坚， 邓斌 ．L U D 控制系统 的动态仿真【 j 】． 机 械工程师。 2 0 0 8 4 ． 『 5 1 黄宗益， 李兴华， 陈明． 挖 掘机 力士乐液压系统分析I J ] ． 建筑机 械化， 2 0 0 4 1 2 ． 【 6 】 张海涛． 液压挖掘 机器人工作装置 运动控制 系统 的研究[ D 】 ． 中南大学硕士论文． 2 0 0 4 ． f 7 1 孑 L 德文， 赵克利， 徐宁生． 液压挖掘机【 M 】 ． 北京 化 学工业 出版 社 ． 2 0 0 7 ，