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第 l l 卷第 5期 2 0 1 3年 1 O月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R NA L O F C O N S T R UC T I O N MA C HI N E R Y Vo 1 ． 1 1 No ． 5 Oc t ．2 0 1 3 摊铺机液压系统的节能分析 张文文 ，王志 亮 ，王昕煜 ，赵静一 1 ． 燕山大学机械工程学 院， 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4； 2 ． 新兴铸管股份有限公司 ， 河北 邯郸0 5 6 3 0 0 摘要 通过对摊铺机液压系统应用节能设计的分析， 选择适合的节能设计， 以减少能耗． 并利用 A ME S i m软件仿 真 ， 应用传统 P I D控制液压系统， 包括对液压系统中驱动、 辅助系统和控制形式的分析， 确认传统 P I D控制在工 程机械领域减少能耗的应用的可行性． 关键词 液压系统； 节能； 负载敏感 中图分类号 T H 1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 3 0 5 0 3 9 8 0 7 Ener gy- s avi ng anal ys i s on hydr aul i c s ys t em of 。- 一 - - - ● - ● ● 一 p av i ng m a c hi ne s Z HANG We n we n ，WANG Zh i l i a n g ，WANG Xi n ． y u ，Z HAO J i n g - y i 1 ．C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g o f Y a n s h a n Un i v e r s i t y ， Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a ； 2．Xi n x i n g d u c t i l e i r o n p i p e s Co ． ，Lt d ． ， Ha nd a n 05 6 3 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t ．B y a n a l y z i n g t h e e n e r g y s a v i n g o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f p a v i n g ma c h i n e s ，t h e s e l e c t i o n o f e n e r g y s a v i n g d e s i g n i s c o n d u c t e d t o r e d u c e e n e r g y - c o n s u mi n g ．B a s e d o n t h e A MES i mT M s i mu l a t i o n．a t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l l e d h y d r a u l i c s y s t e m i s e mp l o y e d f o r s y s t e m d r i v i n g ，s u p p l e me n t a r y s y s t e m a n d c o n t r o l mo d e a n a l y s i s ．Th e r e i n，t h e f e a s i b i l i t y o f t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l c a n b e a p p l i e d f o r e n e r g y ． c o n s u ． mi n g r e d uc t i o n． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ；e n e r g y s a v i n g；l o a d i n g s e n s i t i v i t y 摊铺机液压 系统属于多泵多 回路复合液压传 动系统． 摊铺机液压系统包括行走液压 系统 、 刮板 输料液压系统、 螺旋输料液压系统、 振捣液压系统、 震动液压系统及辅助液压系统． 各部分液压 系统既 能独立的传递动力， 完成各 自的动作， 又能通过控 制系统相互关联 、 协调 ， 达到对 执行元件运 动参数 的准确控制 ． 摊铺机液压 系统的节能设计 1 ． 1 驱动 系统的节能设计 驱动液压系统由左、 右二套相同的履带驱动回 路组成． 有二挡变速摊铺低速和行走高速． 驱 动系统采用闭式液压回路， 在设计中充分利用了闭 式系统功率密度高、 布局方便、 过载保护能力强和 控制灵活等优点． 工作机构的变速和换向靠调节泵 和马达的变量机构实现， 避免了在开式系统换向过 程 中所 出现 的液压冲击 和能量损失． 相 比开式 回 路 ， 闭式 回路更适用于摊铺施工 中负荷变化剧烈 ， 前进 、 倒退 、 制动频繁， 以及速度要求严格控制的情 况 ， 使系统 的管路布置更加紧凑． 图 1为摊铺机驱动系统变量泵控马达 闭式液 压系统原理图． 通过改变泵的变量改变主油路中液 压油的流量的大小和方向来 实现车辆 的变速和换 向， 减少了因换向引起的压力波动． 变量泵的流量 可调， 可实现流量控制． 补油泵补偿系统运行过程 中的泄漏 ， 溢流阀调定系统的补油压力 ． 图 2为摊铺机闭式系统变量泵． 变量马达容积 基金项 目 秦 皇岛市科学技术研究与发展项 目 2 0 1 1 0 1 A 1 4 9 作者简介 张文文 1 9 8 1 一 ， 男， 助理研究员． E - m a i l z w w y s u ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 张文文 ， 等 摊铺 机液压系统的节能分析 3 9 9 调速回路特性曲线． 图中曲线 a b c表示车辆驱动力 矩， 曲线 d e f表示车辆行驶速度． 在车起动前将马 达的排量调到最大值， 将泵的排量调到零位． 起动 后首先调节泵 的排量 ， 逐渐调到最大值 ， 然后再将 马达的排量从最大值往小调． 调节泵 的过程 中， 马 达的排量不 变， 此 时相 当于变量泵一 定量 马达 的 回 路特性 ， 为恒扭矩工况 ． 而调节马达的过程 中， 泵的 排量保持不变， 又相当于定量泵． 变量马达的回路 特性， 为恒功率工况． 将这两种调节结合起来就是 变量泵． 变量马达 回路的调节方式 ． 0 图1 摊铺机驱动系统示意图 Fi g ． 1 Sk e t c h o f h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m o ft h e p a v e r 图 2 变 量泵 变量 马达容积调速 回路的输 出特。陛曲线 Fi g． 2 Ou t p ut c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s o f t h e v a r i a b l e p u mp a n d t h e v a r i a b l e h y dr a u l i c mo t o r i n t h e s p e e d c o n t r o l c i r c ui t 其中， MM为恒扭矩调速时的马达输 出转矩 ； ⅣM为 恒功率调速时 的马达输 出转矩 ； 为转速 ； 竹一 为 最大转速； 为最小转速． 系统 由于没有方向阀和节流阀， 液压泵输出的 压力油全部送往液压马达， 这不仅简化了液压系统 的结构 ， 而且大大减少了阀口的节流损失． 因此， 该 系统效率较高， 功率利用合理， 调速范围大， 达到了 很好的节能 目的． 1 ． 2 辅助 系统的节能设计 熨平板伸缩回路是由两个液压缸控制的， 拟采 用电液控制系统． 本 系统为开式系统 ， 采用 电液 比 例多路阀控制油液方 向， 进而控制油缸的上升和下 降． 旧式系统多采用同步阀控制缸的同步运动， 精 度较差 ， 且不能避免累计误差 ， 故改进为 电液控制 系统 ， 可以精确地控制液压缸 的位置． 然而 由于液 压伸缩熨平装置受到整体重量和刚度的限制， 一般 最大摊铺宽度控制在 9 m 以内． 液压系统原理图如 图3 所示． 在开式系统中运用负载敏感技术使液压 泵的压力． 流量与负载的压力． 流量相适应 ． 负载敏 感控制的功率损耗低， 效率远高于常规液压系统， 这种高效率、 低损失不仅节省了燃料， 也使得液压 系统的发热量较低 ． 图 3 熨平板升降液压 系统 Fi g ． 3 Hy d r a u l i c l i f t i n g s y s t e m o f t h e s e r e e d 运用负载敏感技术的系统中负载敏感变量泵通 过控制排量为液压系统提供所需的流量和压力 ， 以 达到节能调速 的 目的． 负载敏感变量泵不存在溢流 损失， 虽然系统节流损失依然存在， 但由于节流阀两 端压差恒定且较小 由阀芯弹簧设定 ， 1 ～2 MP a ， 因 此系统的节流损失很小， 其功率损耗 △ Ⅳs 为 △ N 。A p Q 1 式中Q为负载流量； A pP b P L ， P 为泵的出 口压力 ， P 为负载压力． 系统效率 ，7 为 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 l 1卷 由于泵的出 口压力 P 由负载决定 ， 所以负载 压力越高 ， 泵 的出 口压力越高 ， 其 回路 的效率也就 越高 ， 液压回路的节能效果越好． 另外 ， 负载敏感控 制泵工作时的压力只需比负载压力略高， 而不像恒 压泵那样必须工作在一个较高的设定压力， 这有利 于延长泵的寿命 ． 图 4 表示的是定量系统的能量 ， 图 5表示 的是 恒压系统的能量损失 ， 图 6表示负载敏感 系统 的能 量损失． 比较三者 ， 可以看 出， 定量系统 的能量损失 最大 ，负载敏感系统的能量损失最小． 图中， p s 表 示额定压力； P 表示实际压力 ； p 一 表示最大压力 ； Q一表示最大流量． 量 图 4 定量 系统的能量损失 Fi g ． 4 En e r g y l o s s o f t he q u a n t i t a t i v e s y s t e m 流量 图 5 恒压系统的能量损失 Fi g． 5 En e r gy l o s s o f t h e c o n s t a n t p r e s s u r e s y s t e m 流量 图6 负载敏感系统的能量损失 Fi g ． 6 Ene r g y l o s s o f t h e l o a d s e ns i n g s y s t e m 对比图4 ， 5 ， 6 ， 可知， 负载敏感控制系统是根据 液压系统的工作状态进行控制的． 调整液压泵的运 行参数， 使之与负荷匹配， 这样就可以充分吸收和利 用泵的功率 ， 更大限度地利用能量， 负载敏感系统 的 能量利用率 明显高于其他二个系统． 在负载敏感控 制系统中液压泵只需提供与执行元件负载相匹配的 压力、 流量或功率， 使系统不会产生过剩压力和过剩 流量， 节能效果可达 3 0 ％～4 0 ％． 因此利用负载敏感 系统有效地提高了系统的能量利用和降低了无功损 耗 ， 使液压系统达到调节控制节能的目的． 2 摊铺机控制系统分析 C A N C o n t r o l l e r A r e a Ne t wo r k 是控制器局域 网络的简称 ， 是 由 I S 0定义 的串行通讯总线 ， 最初 是为汽车信息综合和控制所设计的． 由于它具有较 高的位速率和抗电磁干扰性 ， 所以非常适用于分布 式实时控制 ． C A N作为数字式串行通 讯技术 ， 与其 他的同类技术相比， 在可靠性、 实时性和灵活性方 面具有独特的技术优势． 本系统利用 C A N总线进行协 同控制． 控制器采 集操控信号， 解析出希望的输出． 通过 C A N总线接收 位移传感器采集的实时伸缩缸 的位置信号 ， 求解得 到各个缸的控制量输出， 并向各输入／ 输出节点 I ／ O 节点 发送响应的控制指令， 从而控制缸动作． 这一 控制过程不断循环， 直至各个伸缩缸达到期望位置． 利用闭环控制原理实时调整油缸的位移 ． 主从 控制方块图如图 7 所示． 其中， R表示输入信号， E 表示偏差信号， U表示电信号， X ， Y表示位移信号． 2 ． 1 控制系统数学建模 熨平板升降系统使用的是 电液 比例多路阀， 控 制单出杆活塞缸运动． 通过实时调节比例阀的开口 度控制同步 ． 针对该系统 的特点 ， 建立 阀控缸 的基 本方程如下 比例阀负载流量方程 Q L K 一K P L 3 式 中 Q 为负载流量 ； K 为阀的流量增益系数 ； 为阀芯的位移 ； K 为阀的流量压力系数． 液压缸 的流量连续性方程 1 ， QL A P L 4 c 厶 式中 为总压缩容积； I9 为有效体积弹性模量； A 为有效缸面积； Y为活塞位移； C 为外泄漏 系数 ． 液压缸与负载的力平衡方程 F A PL m9 G △G ／ 、 ． ． I m B p 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 张文文 ， 等 摊铺机液压系统 的节能分析 咂巫 匦 叵 匝亟 L匹堕 至 匝函 堕 _ { 匿 T 图 7 主从控制方块图 Fi g ． 7 Bl o c k d i a g r a m o f t h e ma s t e r - s l a v e c o n t r o l 式中 F为油缸的推力 ； G 为负载 ； △ G 为外加干扰 力以及结构变形产生 的变力 ； B 为液压缸 的黏性 阻尼系数 ， 9为重力加速度． 跟负载 G相 比， 活塞杆 的质量 仇 可以忽略不 计 ， 则上式简化 ∑FA p L G △ G m y一 B p 17 综上所述 ， 忽 略黏性摩擦力及弹性力 ， 并 把油 液体积弹性模量看作无穷大， 经过简化可得阀控缸 传递函数如下 Y 塾 ㈣ ‰ 一 ⋯ ■ 一 s s 阶 式中 K 为总流量压力系数 ， K K ，C |p 为 液压缸内泄漏系数 ． 电液比例多路 阀可 以简化建模为一个二 阶震 荡环节 ， 表示如下 7 式 中 G 为简化模型 的传递 函数； k 为 比例系数 ； 8 为复变量； ∞ 为振荡频率； E sv 为阻尼比． 结合控制传递方块图， 由以上各个环节的传递 函数 ， 可 以得到 电液位置 控 制 系统 方块 图． 利用 MA T L A B ／ S i mu l i n k 进行仿真建模 ， 如 图 8所示 ． K 为放大系数 ． 图 8 同步升降控制系统主从控制传递函数方块图 Fi g． 8 T r a n s f e r f u n c t i o n b l o c k di a g r a m o f t he ma s t e r - s l a v e c o nt r o l o f s y n c h r o no us l i f t i n g c o n t r o l s y s t e m 2 ． 2 控制策略． P I D控制 建立控制系统的数学模型后 ， 即可对 系统进行 仿真分析． 输入阶跃信号， 观察动态响应性能． 本系 统为程序控制系统． 输入信号设置为期望的缸位移 曲线， 期望输出能够跟随输人信号， 有良好的动静 态特性 ， 并且达到设定的同步精度 ． P I D p r o p o r t i o n ． i n t e g r a l d e r i v a t i v e 控制是最 早发展起来的控制策 略之一 ． 由于其 算法简单、 鲁 棒性好和可靠性高， 被广泛应用于过程控制和运动 控制中， 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性 控制系统． 应用 S i m u l in k 建立的仿真模型如图9 所 示． 采用试凑法整定 P I D参数， 选定 K。 1 ； Ki 0 ． 8 ； K d 0 ． 2 ． K。 为比例环节放大系数； Ki 积分环 节放大系数； K 微分环节放大系数． 仿真效果见图 9所示． 图 9中， 1 ／ s表示积分环节 ， d u／ d t表示微 分环节 ， F 1 ，F 2均表示输入信号． 南 G 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 2 中国工程机械学报 第 1 1 卷 斜 图 9 控制系统仿真模型 Fi g． 9 S i mul a t i o n mo d e l o f t h e c o n t r o l s y s t e m 图 1 0为不加控 制器与加 P I D控制 的响应 曲 线 ， 实线为输入 ， 虚线为加入 P I D控制后 的响应 曲 线 ， 点划线为不加控制的响应． 5 4 3 2 墨 1 0 - 1 l 2 1 ．0 0．8 0 ． 6 0 ． 4 02 0 0．2 0 O ． 5 1 ． 0 1 ．5 2 ． 0 2．5 3 ． 0 3 ． 5 4．0 4 ． 5 5 ． 0 时间 ／ S a不加控制的斜坡响应曲线 0 0 ． 5 1 ．0 1 ． 5 2 ． O 2．5 3 ． 0 3 ． 5 4．0 4 ． 5 5 ． 0 时间 ／ S 由图 1 0所示 的效果曲线可知 ， 加上 P I D控制 后， 响应速度及控制精度都明显提高． 2 ． 0 1 ． 5 1 ． O 唇 0 ． 5 0 - 0 ． 5 0 O ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 1 ．2 1 ．4 1 ． 6 1 ． 8 2 ． 0 时 间 ／ S b加了P I D 控制的斜坡响应曲线 0 O ． 5 1 ．0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 3． 5 4 ． 0 4．5 5 ． 0 时间 ／ S c不加控制的阶跃响应曲线 d I TP I D 控制的阶跃响应曲线 图 1 0 不加控制器与加 P I D控 制的响应 曲线 Fi g． 1 0 Re s p o n s e c u r v e s wi t h o u t t h e c o n t r o l l e r a n d r e s p o n s e c u r v e s wi t h PI D c o n t o l l 2 O 8 6 4 2 0 2 1 l 0 O 0 0 O 誉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 张文文 ， 等 摊铺机液压系统的节能分析 3 AMEs i m 仿真 A ME s im是世界著名的工程系统高级建模与 仿真平台， 采用物理模型的图形化建模方式， 软件 中提供了丰富的应用元件库， 用户可以采用基本元 素法按照实际物理系统来构建 自定义模块或仿真 模型． 本系统利用 A ME s i m进行建模仿真 ， 主要需要 建立负载敏感变量泵 、 负载敏感多路阀、 执行缸 的 液压模型 ． 利用 P I D控制形成闭环控制 ， 进行仿真 ． 具体模型及仿真结果如图 1 1 一l 3 所示． 其中 T为 回油 口， P为压力油 口， L S为压载压力 ， A， B为执行 器压力， I 为输入信号． 吕 ＼ 稔 遥 昌 ＼ 漤 图 1 1 负载敏感变量泵 A ME s i m模型 Fi g． 1 l AM Es i m s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e l o a d s e n s i n g v a r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp B A P 图 1 2 负载敏 感多路阀 A MEs i m 模型 Fi g ． 1 2 AMEs i m s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e l o ad - s e n s i t i v e mu l t i t a n d e m v a l v e 时间 ／ S a不加P I D响应 曲线 时间／ S C加入P l D 响应曲线 皇 、 渣 趟 时间 ／ S b不加P I D位置误 差曲线 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 o 7 0 8 0 时间 ／ S d加入P I D 位置误差曲线 图 1 3 同步性仿真结果 Fi g ． 1 3 S i mul a t i o n r e s ul t s o f t h e s y nc h r o ni z a t i o n 4 0 0 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 4 中国工程机械学报 第 l 1 卷 由图 1 1 1 3可知 ， 利用 P I D进行主从控制 ， 可 以达到很好的控制效果． 跟随缸的位移能够紧跟主 动缸的位移情况， 满足控制需求． 3 ． 1 搭建实验平台并测试 安装熨平板升降装置， 包括位置传感器、 萨奥 MC 0 0 2 4控制器 、 控制面板等， 在场 内进行试验 ， 记 录各个缸的实际位移输出曲线 ， 如图 1 4所示． 由图 l 4 可知， 实际曲线与理论分析基本吻合， 验证了控 制理论的正确性 ． 皇 ＼ 时间 ／ s 图 l 4 实际缸位移效果曲线 Fi g ． 1 4 Ac t u a l d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r 4 结论 目 前国内工程机械能量利用率普遍较低， 而液 压系统控制节能技术方法很多， 有各自的优缺点和 自适应性， 必须根据具体的情况灵活应用． 利用 A M E S im对摊铺机的液压系统仿真分析， 传统的 P I D 控制可解决摊铺机节能控制在工程上的应用问题． 参考文献 [ 1 ] 李来平 ， 薛建民， 吴井泉． 旋挖 钻机动 力系统功率 匹配技术 应 用[ J ] ． 探矿工程， 2 0 0 8 ， 3 5 2 2 4 2 6 ． L I L a i p i n g ， XU E J ia n mi n ，WU J i n g q u a n ． A p p l i c a t i o n o f p o w e r ma t c h i n g t e c h n o l o g y i n p o we r s y s t e m o f r o t a r y d r i l li n g r i g E J ] ． E x pl o r a t i o n En g i n e e r i n g，2 0 0 8， 3 5 2 2 42 6． E 2 ] 武宏伟． 挖掘机负载敏感系统的联合仿真及能耗分析[ D ] ． 太 原 太原理工大学 ， 2 0 0 8 ． WU Ho n g we i ． Co - s i mu l a t i o n o f l o a d s e n s i n g s y s t e m o f e x c a v a t o r a n d e n e r g y c o n s u m p t i o n r e s e a r c h o f e x c a v a t o r [ D J ． T a i Yu a n Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 2 0 0 8． [ 3 ] 耿令新 ， 刘钊， 吴仁智． 工程机械负载敏感技术节能原理及应 用[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 8 ， 3 2 5 8 5 8 7 ． GENG Li n g x i n，L I U Z h a o， WU Re n z h i ． En e r g y s a v i n g p r i nc i p l e a nd a p pl i c a t i o n o f l o a d s e n s i t i v e t e c h n o l o g y i n me c h a n i c a l e n gi n e e r i n g E J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l T r a n s mi s s i o n ，2 0 0 8 ， 3 2 5 8 5 8 7 ． [ 4 ] 柳波， 孙东坡， 师辉宇． 发动机． 变量泵极限负荷控制系统的设 计与仿真[ J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 0 9 4 9 5 9 8 ． LI U Bo， S UN Do n g p o， S HI Hu i y u ． De s i g n a d n s i mu l a t i o n o f lo a d l i mi t s e ns i n g c o n t r o l s ys t e m f o r e n g i n e v a r i a b l e p u mp s y s t e m [ J ] ． Mo d e r n M a n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 4 9 5 9 8 ． [ 5 ] 游明琳， 吴永闯． 液压系统功率匹配与节能技术的研究L J ] ． 机 械工程与 自动化， 2 0 1 0 3 1 6 71 6 8 ． YOU Mi n g l in． WU Yo n g c h u a n g． Po we r ma t c hi n g a n d e n e r g y s a v i n g t e c h n o lo g y o f h y dra u l i c s y s t e m[ J ] ． Me c h a n i c a l E n g i ． n e e r i n g Au t o ma t i o n， 2 0 1 0 3 1 6 71 6 8 ． [ 6 ] 彭天好， 杨华勇， 傅新． 工程机械中的泵与发动机匹配F- J ] ． 工 程机械 ， 2 0 0 1 ， 3 2 8 3 73 9 ． PE NG Ti a n h a o， Y ANG Hu a y o n g，FU Xi n． P u mp e n g i n e ma r c h i n g o n c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y [ J ] ． C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y a nd Eq u i p me nt ， 2 0 0 1， 3 2 8 3 73 9． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m