液压挖掘机节能系统的控制策略

液压挖掘机节能系统的控制策略

液压挖掘机节能系统的控制策略

尚　涛　赵丁选　肖英奎　国香恩　金立生

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　　【摘要】　分析了液压挖掘机发动机泵环节和泵负载环节功率匹配的原理,提出了两个环节实现功率匹配的方法,分析了两个环节不协调的原因,提出了采用电子控制方法控制换向阀的流量以实现协调控制的原理,以及能够获得节能效果的控制策略。

关键词:液压挖掘机　功率匹配　协调控制　节能中图分类号:TB11412;TD42212

文献标识码:A

ControlStrategyofEnergySavingSystemofaHydraulExcavator

ShangTao　ZhaoDingxuan　X(Jn)

Abstract

Theprincileofpowermatchesforengine2pumpandpump2loadofahydraulicexcavatorwasanalyzed,andthetechniquesusedinoilpumpcontrolsystemandvalvecontrolsystemweresuggested.

Thereasons,whichmadethetwomatchesunharmonious,wereanalyzedanda

conceptofcontrollingtheflowrateofthevalvebyelectricalmeanswasputforwardtorealizethecontrolstrategyofaharmoniccontrolandenergysaving.

Keywords　Hydraulicexcavator,Powermatching,Harmoniccontrol,Energysaving

　　引言

液压挖掘机是一个复杂的大功率机械装置,工作时能量消耗较大[1]。开发挖掘机节能控制系统的目的就是为了降低油耗,提高燃油的利用率,从而达到节省能源的目的[2]。

液压挖掘机节能控制系统的控制环节较多,主要环节有:发动机的分工况控制[3]、发动机与泵的功率匹配控制[1～4]、泵与负载的功率匹配控制[4,5]。目前,国内外较先进的液压挖掘机都是通过调节泵的排量实现功率匹配控制。这种控制方式,对于单个环节能很好地实现功率匹配。泵和泵负载两个环节的功率匹配时,由于都需要调节泵的排量[6],因而引起两个控制环节的不协调。

各环节控制效果的好坏,对挖掘机节能的影响固然重要,各个环节之间是否协调也将直接影响节能效果。本文针对发动机泵的功率匹配与泵负载的功率匹配两个环节之间的不协调性进行了分析和研究,加入了阀控环节进行协调控制,并给出微机协

调控制策略。

1　发动机泵环节的功率匹配及实现

111　发动机泵环节的功率匹配

挖掘机的发动机与液压系统组成部分的简化模型及能量转换过程如图1所示。

发动机的输出功率为

Pe=Mene

(1)

式中　Me——发动机输出扭矩

收稿日期:20040614

3国家自然科学基金资助项目(项目编号:59705005)

尚　涛　吉林大学机械科学与工程学院　讲师　博士生,130025　长春市赵丁选　吉林大学机械科学与工程学院　教授　博士生导师肖英奎　吉林大学机械科学与工程学院　博士生国香恩　吉林大学机械科学与工程学院　博士生金立生　吉林大学机械科学与工程学院　博士生

液压挖掘机节能系统的控制策略

2农　业　机　械　学　报200

5年　

ne——发动机转速

泵的吸收功率Pp为

Pp=pp(t)qVp=pp(t)Vp(t)np=Mpnp

式中　pp(t)——泵出口压力

Vp(t)——泵排量　　np——泵转速

Mp——泵扭矩　　qVp—

—泵流量

(2)

决于负载,若保证泵的流量全部进入执行元件,则泵负载环节的功率匹配是自适应的。

实现泵负载环节功率匹配的控制方法较多,目前,较为先进的挖掘机多采用负荷传感控制或电子负荷传感控制技术,如图3所示。负荷传感控制的原理是:负载的变化引起泵出油口压力的变化,为保证系统功率的匹配,泵的排量将自动随着系统压力的变化而变化。这2种方式都是在多路阀处连接了1个压力补偿阀

。

由图1可见,发动机与泵是直接相联的,所以np=ne。当不考虑机械传动效率时,若Mp=Me,则发动机的输出功率Pe与泵的吸收功率Pp相等,系统无功率损失。112　实现方法

工况作业过程中,系统压力的改变,根据转速和压力的变化情况,可采用转速感应控制、压力感应(扭矩)控制和转速、压力泵的功率匹配控制[5]。转速感应控制的优点是易实现发动机转速的准确控制,并且泵的pqV特性是标准的双曲线,无误差,既充分地利用了发动机功率,又有效地防止了发动机过载熄火。目前较为先进的节能型挖掘机多采用此种方式进行发动机泵环节的功率匹配控制。转速感应控制的原理是将检测到的发动机转速信号输入计算机并计算出转速偏差,根据转速偏差,控制泵的排量,使泵的吸收功率始终追踪发动机的输出功率,实现功率匹配。由于改变了泵的排量,发动机的转速将在最短时间内恢复到稳定工况时的转速,从而实现了恒功率控制。其控制框图如图2所示

。

图3　负荷传感控制原理图

Fig.3　Principleofloadsensecontrol

(a)电子负荷传感控制　(b)负荷传感控制

1.先导阀　2.控制阀　3.压力传感器　4.压力补偿阀　5.压差

传感器　6.排量传感器　7.高速电磁阀　8.油门执行器　9.调速器　10.手持式终端　11.控制器　12.开关阀　13.比例电磁阀　14.负荷传感控制系统

多路阀阀口相当于一个可变节流口,压力补偿阀的作用是保持多路阀阀口压差不变。由节流口的流量特性公式qVf=KfAf p可知:通过截流口的流量qVf是阀口开度Af和压差 p的函数。由于补偿阀的作用,负载压力反馈到压力补偿阀上,使阀口压差为

p=pp-p1=

=constAk

(4)

式中　Fs——压力补偿阀弹簧力

Ak——压力补偿阀阀芯有效面积

由于 p为常数,所以流量qV=f(A),即通过节流口的流量不受负载变化的影响,这是负荷传感控制的基本原理[4]。

3　两环节功率匹配不协调的分析

2　泵负载环节的功率匹配及实现

负载的吸收功率Ps为

=pcqVcPs=Fvc=FAc

　　由前述可知,在某一稳定工况下,若负载F发生变化,为实现发动机泵环节的功率匹配,泵的排量

(3)

应随之改变,即泵的输出流量qVp改变;同时,由式(3)可得,在功率恒定的情况下,进入执行元件的流量qVc也应随之发生改变。

挖掘机工作时,执行机构的流量按换向阀的开口量供给[4],并由此改变挖掘速度。通常,阀口开度的调整,是由驾驶员根据挖掘负载变化情况操纵电

式中　F——负载力　　vc——执行元件运行速度

qVc——执行元件流量pc——执行元件压力

Ac——执行元件面积

根据帕斯卡原理(压力传递原理),系统压力取

液压挖掘机节能系统的控制策略

　第3期尚涛等:液压挖掘机节能系统的控制策略3

位手柄进行控制的,此时执行机构所得流量不是负载变化后执行机构为保证泵负载环节的功率匹配所需流量。在只考虑补偿阀压降而不计其他损失时,理论上只有当泵的流量qVp、多路阀的流量qVf、执行元件所需流量qVc三者相等的情况下,执行元件吸收的功率才最多,即功率损失最小。这就要求阀的开度应按执行元件所需流量qVc自动进行调整,并与泵的输出流量相等,否则将造成溢流损失和节流损失。而驾驶员不可能精确掌握负载的变化情况,实现阀的开度与执行元件所需流量qV的精确匹配几乎是不可能的,由此产生的后果是:多余流量经安全阀溢出,造成溢流损失,负载泵环节的功率不匹配;或产生供油不足的现象,造成工作不稳定。

综上所述,传统的节能控制方式,即使能够很好的保证发动机泵环节的功率匹配或泵负载环节的功率匹配,图4　功率匹配协调控制原理图

Fig.4　Principleofpowermatchingand

harmonizedcontrol

　　忽略系统泄漏及能量损失,两 …… 此处隐藏：3633字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……