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液压挖掘机功率控制系统开发 蔡登胜， 初长祥 ， 孙金泉 ， 马文宇， 赵明辉 广西柳工机械股份有限公司 摘 要 针对采用负流量系统的液压挖掘机， 分析发动机及恒功率变量泵的功率控制原理， 提出 功率控制的目标及方法， 设计相应的电控系统， 并对控制效果进行验证。实际使用证明， 开发的液压挖 掘机功率控制系统具有良好的控制性能及可靠性。 关键词 液压挖掘机； 功率； 控制 液压挖掘机是 目前最主要 的工程机械产 品之 一 ，具有工作效率高 ， 适用面广的特点 ， 在土石方作 业 中 占据 了主要地位 ， 广泛应用于房地产 、 市政建 设 、 路桥建设 、 矿产开采 、 水利电力设施建设 以及军 事工程等项 目。 1 液压挖掘机功率匹配原理 1 ． 1 液压挖掘机能量传递分析 液压挖掘机的能量传递简图如图 1 所示， 发动机 通过燃烧将燃油的化学能转化为机械能 ，再通过变 量泵将机械能转化为液压能 ，经过主控阀将液压能 分配并传递到各个执行元件 液压缸或液压 马达 ， 再 由各执行元件将液压能转换为机械能，从而实现 所需要的动作。挖掘机在工作过程 中所遇到 的负载 会对液压执行元件进行反作用 ， 由于负载的不确定性， 将造成液压能的波动并通过变量泵反作用于发动机。 } 发动机 - q 动 臂 液 压 缸 l 变量泵 - q 斗 杆 液 压 缸 - q 铲 斗 液 压 缸 主 控 阀 ．． 一 - q 回 转 马 达 行走马达 图1 液压挖掘机能量传递简图 1 ． 2 发动机功率特性分析 操作者在进行挖掘作业时， 一般不会频繁地调 节发动机的油 门 ， 而是在挖掘操作前 ， 根据工况或 操作习惯选择一个 固定的发动机油 门位置 ，因此 ， 可以将挖掘机的发动机系统视为定速系统。图 2 是 某型发动机的调速特性曲线I 1 ] 。从图 2 可 以看 出， 当 发动机油门位置 固定时 ， 发动机的空载转速 n 相应 确定 ； 当负载增加 时 ， 发动机 的转速随负载的增加 而降低； 当负载为 死时， 转速下降到 l／2 ； 若负载转矩 不超过 时 ， 发动机转速将根据负载转矩的变化沿 调速线 1 进行变化 ； 当负载转矩超过 时 ， 发动机 转速将沿着外特性曲线 2 变化。 在调速线 1 ， 发动机 的输出转矩可以快速增加而转速变化很小 ， 而在外 特性 曲线 2 ， 输出转矩少量增加 时， 转速即会发生大 的变化 。 2 ● 弓 | ‘A l l 1 l L 2 f L3 n ／ r ／ mi n 图 2 某型发动机调速特性 曲线 若输出转矩为 N i n ， 转速为 n r ／ mi n ， 则发 动机输出功率 k w 为 1 一 3 7一 _一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从 图 2可以看 出 ， 理论上 ， 发 动机的最 大功率 点在 0 点 ， 最大转矩点在 d点。 挖掘机进行挖掘动作 时 ， 需要多个执行机构同时动作 ， 这就使得负载阻 力来源具有不确定性 ， 同时 ， 在挖掘过程 中遇到的 切削阻力也具有不确定性 ， 这种负载的变化将使发 动机在保持工作稳定性方面受到极大的考验。 由图 1 和图 2可知，在挖掘机作业过程中 ， 负 载的变化反馈到发动机， 使发动机的正常运行受到 干扰 ， 当负载转矩在当前油门位置对应 的调速线与 外特性 曲线 的交点以下时， 发动机通过 自身的调速 特性克服干扰 ， 当干扰过大时 ， 发动机将产生掉速 ， 油耗增加 ， 冒黑烟 ， 闷车等现象 ， 甚至熄火。 从图 2所示 的发动机调速特性曲线可知 ， 当发 动机油 门固定在某一位置时 ， 发动机转速与输 出转 矩存在一一对应的关系 ，通过对转速进行检测 ， 可 以得到发动机的输出转矩 。 1 ． 3 变量泵功率特性分析 对于挖掘机 用变量泵 ， 若负载压力为 P M P a ， 输出流量为 Q L ／ mi n ， 输出功率为 。 k w ， 则有 2 OU 考虑到泵的泄漏以及机械传递能量损失 ， 假定 变量泵的容积效率为 ， 机械效率为 叼 ， 则变量泵 的吸收功率 为 F 一 3 O I 3 ’ r ／ v ’ 叼m 一 般 取 0 ． 9 2 0 ． 9 5 ， ‰ 取 0 ． 9 2 ～ 0 ． 9 5 。 要使发动机功率稳定， 则变量泵功率应当等于 发动机功率 。因为斜 盘式柱塞泵直接通过花键传 动轴刚性连接吸收发 动机的功率 ，若不考虑联轴 器 的影响 ，则发动机输 出功率应与变量泵吸收功 率相等 ， 即 N 0 N ． 4 由 Q n q 5 式中 q为变量泵理论排量。 可 得 Q Q g 6 叮 T。 ‘ 叼m 液压挖掘机 主要采用恒功率变量泵来进行控 制 ， 图 3为恒功率变量泵的功率调节特性曲线。 根据式 2 变量泵输出功率 的计算公式 ， 可 知液压泵功率 。 取决于压力 p与流量 Q。 由图 3 可 一 3 8一 图 3 恒功率变量泵的功率调节特性 曲线 以看出， 当恒功率变量泵进入恒功率调节状态时， 总 输出功率具有与负载无关 ， 维持恒定的性质 。 在进行 恒功率控制 时， 流量与压力的关系为反比例关系 ， 当 压力升高到起调点后 ，流量随压力升高呈双 曲线减 小。 在进行实际控制时 ， 实现完全恒功率双曲线控制 是不现实的 ， 通常采用分段弹簧 刚度不 同 来拟合 该双曲线 如图3中拟合双曲线的两段折线所示 。 从 图 3可知 ， 要进入恒功率状 态 ， 负载压 力必 须大于 p 。 ，因而 A点也称为恒功率变量泵的起调 点 ， 而改变 A点 的位置 ， 即改变p 。 的大小 ， 就可改变 恒功率曲线的位置 根据式 2 ， 改变 了变量泵 的输 出功率 。 以川 崎 K 3 V1 1 2 D T 一 1 X K R 一 9 N 9 4型变 量 泵 为 例 ， 进行功率特性分析。由图 4所示负流量控制变 量泵斜盘控制分量图可知 ， 变量泵 的斜盘位置实 际 上受到 4个分量的控制 1 泵出 口压力 P 。 的控制 ； 2 另一并联泵出 口压力 P 的交叉控制 ； 3 电控比例 阀出 口压力 P 的控制 ； 图 4 负流量控制变量泵斜盘控制分量图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 无动作时， 由回油油路上的节流口 反馈来的负 流量压力P 将泵斜盘推到最小角度 ， 从而实现节能。 在 4个控制分量 中，前 3 个分量为联合作用 ， 第 4个分量为单独作用 。 由负流量系统原理可知 ，当挖掘机作业时 ， 主 控 阀首先切断中位油路 ， 这时 ， 负流量压 力 P 降为 0 ， 因此 ， 在实际工作过程 中， 可 以不考虑 P 对变量 泵功率 的影响。 在实际工作过程中， P 。 和P 均为负载压力 ， 是不 可控 的， 要想调整 A点的位置 ， 只能通过 P 进行调 节。如图5 所示， 当P 增大时， 恒功率曲线左移， 泵 功率降低； 当P 减小时， 恒功率曲线右移， 泵功率增 大。由此可知 ， 通过调节变量泵电控 比例阀的电流 ， 可以获得不 同的泵功率。 图5 变量泵的恒功率曲线 图 6是川崎 K 3 V1 1 2 D T 一 1 X K R 一 9 N 9 4型变量泵 自带电控比例阀的电流压力 曲线。 由此得到电控系统与变量泵的相互关系 通过 调整变量泵电控比例阀的控制电流 ， 改变电控 比例 阀输 出压力 P ， 可 以改变变量泵 的排量 ， 从 而相应 改变变量泵的吸收功率和对发动机转矩的需求 。从 图 6电控 比例阀特性 电流 、 压力 曲线可 以看 出 ， 口 酋 、＼ ＼ ＼ ＼ 、 0 4 0 0 8 0 0 输入 电流／ mA 图 6 电控 比例 阀特性曲线 电流增大， 出口压力P 减小， 此时变量泵输出功率 增大； 电流减小 ， 出口压力 P 增大 ， 此时变量泵输出 功率减小 。 2 控制方案 通过对挖掘机动力 系统及工作 系统 进行分析 可知 ，要实现挖掘机发动机与液压系统 的功率匹 配， 必须完成 的工作包括 1 通过控制变量泵 ， 将执行元件的消耗功率控 制在发动机在某一油门位置时的最大功率以内； 2 通过控制变量泵，使执行元件因工作阻力变 化而产生的冲击波动控制在发动机响应能力范围内； 3 通过控制变量泵 ，使液压挖掘机工作时 ， 发 动机始终工作在某一最佳工作点上。 基于 以上分析 ， 如果不考虑能量损失 ， 为保证 挖掘动作 的连续 ， 必须保证每个作业循环中变量泵 的吸收功率小于等于发动机输出功率 。进行功率控 制的目的就是使变量泵吸收功率最大化 ， 即每个作 业循环中 ， 变量泵的吸收功率趋于与发动机最佳工 作点输出功率相等。 3 电控系统开发 控制系统硬件部分主要包括 主控制器、 显示 器 、 油 门旋钮 、 油门控制器 和油 门执行 器 直线 电 机 5大部分。控制系统的结构框图如图 7所示 ， 控 制系统的信息流如 图 8所示。 其中 主控制器负责采集各种传感器信号， 通过 内部运算 ， 将显示内容发送给显示器 ， 同时接收油 门 旋钮控制信号，并将油门控制信号发送给油门控制 器 ； 显示器 主要 向操作者显示 当前机器工作状态 ， 提 示报警信息 ， 同时 ， 操作者可通过显示器设置机器参 显示器 油门 控 制器 油 门位 置 油 门 执行器 I控泵 电 控 l 1比 例 阀l I． ．．．．． ．．．．． ．．．．． ．_ -J 转速传感器 压力传感器 温度传感器 其他传感器 图7 控制系统结构框图 发 动机 燃 油泵 一 3 9一 僦 _l』 油 一器 里 5 4 3 2 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 制压力再一次上升 ， 单 向阀又被 打开 ， 液压缸活塞 又开始下 降。由于管路体积也参与影响 ， 通常这种 现象为缓慢的低频振动。 3 ．5 _3 解决高频振动和低频振动故障的措施 1 将 内泄式液控单 向阀改为外泄式。 这样 ， 控 制活塞承受背压和换向冲击压力 的面积 控制活塞 有杆 腔端 大大减少 ， 而控制压力油作用在控 制活 塞无杆腔端 的面积没有变化 ， 这样大大减少 了控制 活塞上有杆腔端的力， 确保液控单向阀开启的可靠 性 ， 避免了高频振动 见图 2 。 2 加粗并减短 回油配管 ， 减少管路的沿程损 失和局部损失 ，减少背压对控 制活塞的作用力 ， 对 避免高频振动效果也很显著 。并且尽可能在 回油管 路上不使用 流量调节 阀 ， 万一要使用 ， 开度要 调得 比较大。 3 在液压缸和液控单 向阀之间增设一 流量调 节阀。通过调节 ， 防止液压缸因下降过快而使液压 缸上腔压力 下降到低 于液 控单 向阀的必要控制压 力 ， 另一方 面也可防止液控单向阀的回油腔背压冲 击压力 的增大 ， 对提高控制活塞动作的稳定性有好 处。 对消除上述两种振动均有利 。 要注意的是 ， 对于 负载变化较大时 ， 最好使用调速阀， 并且要调节好 。 4 建议 建议设计人员在设计应用液控单 向阀的液压 系统时应注意以下几点 1 仔细分析液控单 向阀结 构； 2 仔细分析系统原理； 3 预先了解应用液控单 向阀可能 出现的问题 ， 并采取相应措施 。 参考文献 【 1 ] 周士昌． 液压系统设计图集【 M ] ． 北京 机械工业出版社， 2 oo 3． [ 2 】闻邦椿． 机械设计手册 第 4卷， 流体与传动控制【 M ] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 3 ]黎启柏． 液压元件手册 哪． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 4 ]马玉贵． 新编液压件使用与维修技术大全[ M 】 ． 北京 中国 建材工业出版社， 1 9 9 9 ． f 5 1张磊． 实用液压技术 3 0 0 题[ M 】 ． 第 2版． 北京 机械工业 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级液压挖掘机上得到了应用。通 过实际应用， 证明该功率控制系统具有良好的控制 性能及可靠性。 参考文献 [ 1 ]董敬 ， 庄志， 常思勒． 汽车拖拉机发动JO L [ M] ． 北京 机械 工业出版社， 1 9 9 8 ． 通信地址 广西柳州 广西柳工机械股份有 限公司中央研 究 院机电研究所 5 4 5 0 0 7 收稿E t 期 2 0 1 2 0 5 1 8 一 65～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m