小型挖掘機液壓系統(tǒng)分析

1、2010年8月第38卷第16期機床與液壓M AC H I NE TOOL &HYDRAUL ICSA ug 2010V ol 38No 16DO I :10. 3969/j issn 1001-3881 2010 16 019 收稿日期:2009-08-28作者簡介:張樹忠(1980 , 男, 博士研究生, 主要從事機電液智能控制。電話 E-m ai:l zszgo 163 com 。小型挖掘機液壓系統(tǒng)分析張樹忠1, 吳文海1, 蔣道成2(1 西南交通大學機械工程學院, 四川成都610031; 2 四川宜賓普什重機有限公司, 四川宜賓644007摘要:針對小型

2、液壓挖掘機的工況特點, 分析并比較小型液壓挖掘機節(jié)流控制系統(tǒng)、負載敏感控制系統(tǒng)以及與負載無關的流量分配系統(tǒng)(LUDV 的功率損失和可控性, 表明LUDV 系統(tǒng)是小型挖掘機液壓控制系統(tǒng)最佳選擇。關鍵詞:小型液壓挖掘機; 功率損失; 控制特性; LUDV中圖分類號:TH137 3 文獻標識碼:A 文章編號:1001-3881(2010 16-053-2The Analysis of H ydraulic Syste m inM ini ExcavatorZ HANG Shuzhong 1, WU W enha i 1, JI A NG Daocheng2(1 Schoo l ofM echan i

3、ca lEngineeri n g , Sou t h w est Jiao tong Un iversity , Chengdu S ichuan 610031, Ch i n a ;2 Y i b i n S ichuan Push H eavy M achinery C o , LTD , Y i b i n S ichuan 644007, Ch i n aAbstrac t :B ased on t he w ork i ng character i sti cs o f m i ni hydrauli c excav ator , pow er loss and contro ll

4、ability of throttli ng contro lsyste m, l o ad sens i ng con tro l syste m and l o ad undependent flo w distributi on syste m (LUDV we re ana l y zed and co m pared . The result is tha t LUDV is t he best cho i ce f o r m i ni hydrau lic ex cava t o rs .K eyword s :M ini hydraulic ex cavato r ; Powe

5、 r loss ; Con tro ll ability ; LU DV小型液壓挖掘機具有機動能力強、體積小、多功能作業(yè)等特點, 適于各種土方量分散、作業(yè)范圍狹窄的工況, 如公路養(yǎng)護、園林綠化、小區(qū)建設、市政工程及農田建設等。近些年來得到高速發(fā)展, 2005年我國13t 以下小型挖掘機的銷量達到了11953臺。在小型挖掘機的構成中, 液壓系統(tǒng)是其核心部件, 既承擔著能量轉換的任務, 又是人的肢體的延伸, 以完成操作者的各種控制策略。而其能量損失和可控性是影響小型挖掘機性能的重要指標, 故有必要對小型挖掘機液壓系統(tǒng)的節(jié)能性和可控性進行研究。1 小型挖掘機液壓系統(tǒng)分析目前小型挖掘機的液壓系統(tǒng)主要包

6、括:節(jié)流控制系統(tǒng)(包括正流量控制、負流量控制 、負載敏感控制系統(tǒng)(LS 和與負載無關的流量分配系統(tǒng)(L UDV 。1 1 節(jié)流控制系統(tǒng)節(jié)流系統(tǒng), 采用定量泵或恒功率泵配合三位六通旁路節(jié)流多路控制閥, 結構簡單、耐用, 對于油液的污染不特別敏感, 成本較低且技術成熟, 因此目前國內仍有大量小型挖掘機采用節(jié)流控制系統(tǒng)。但節(jié)流控制系統(tǒng)存在大量的節(jié)流損失和溢流損失, 系統(tǒng)效率較低、發(fā)熱量大, 需要較大的冷卻器, 見圖1。由圖2可知,多負載并聯(lián)時其控制起點及控制范圖1 節(jié)流控制系統(tǒng)的功率分配圍與負載、流量、閥的行程都有著必然的關系, 如負載壓力大時, 多路閥閥芯的調速區(qū)減小, 挖掘機動作粗暴。圖3反應了

7、負載間的影響, 在非飽和區(qū)域內(系統(tǒng)需求流量超過泵供油能力 , 低負載執(zhí)行元件會降低高負載執(zhí)行元件的速度, 甚至迫使高負載執(zhí)行元件停止。如圖3中,在非飽和區(qū)域高負載(25M Pa速度迅速降低。圖2 節(jié)流控制系統(tǒng)的控制特性圖3 節(jié)流系統(tǒng)多負載間的影響根據(jù)上述分析可知節(jié)流控制系統(tǒng)具有以下特點:(1 控制與負載的變化有關;(2 高壓、小流量時控制范圍較窄; (3 負載之間相互影響; (4 兩個以上負載同時運動時, 具有較高負載的執(zhí)行元件可能會停止不動。1 2 負載敏感控制系統(tǒng)(LS20世紀80年代根據(jù)對節(jié)能的進一步要求, 負載敏感控制系統(tǒng)(LS 被提出來, 其原理如圖4所示, 其功率損失如圖5所示。

8、 圖4 LS 控制系統(tǒng)原理圖圖5 LS 控制系統(tǒng)的功率損失比較圖1、5可知, LS 控制系統(tǒng)(閉芯 實現(xiàn)了按系統(tǒng)所需提供流量, 因此雖然增加了低負載的節(jié)流損失, 但減少了大量的溢流損失和節(jié)流損失, 故LS 控制系統(tǒng)的效率比節(jié)流控制系統(tǒng)高。 圖6為LS 閉芯系統(tǒng)的控制特性。由圖6可知:LS 控制系統(tǒng)的控制起點與負載和流量大小均無關, 調速范圍較大, 而控制范圍則與流量大小有關。兩個執(zhí)行元件的負載壓力分別傳至各自的壓力補償閥, 其中較高的壓力經梭閥再傳送到變量泵, 控制機構使泵按需提供流量。當處于飽和狀態(tài)(泵能提供足夠流量 且 p 1、 p 2相等時, 兩個負載流量分配取決于開口節(jié)流面積A 1、A

9、 2, 可實現(xiàn)復合動作, 互不干擾, 如圖7所示。 圖6 L S 閉芯系統(tǒng)的控制特性圖7 LS 閉芯系統(tǒng)多負載間的影響當系統(tǒng)處于非飽和狀態(tài)時, 即系統(tǒng)需求的流量超過泵供油能力的極限時, 則無法保證 p 1、 p 2相等(最高負載回路上 p 小于低負載回路上的 p , 故高負載執(zhí)行元件速度會迅速降低直至停止, 從而使挖掘機失去復合動作的協(xié)調能力, 與節(jié)流系統(tǒng)相似。如圖7中, 在非飽和區(qū)域高負載(25M Pa 速度迅速降低。與節(jié)流控制系統(tǒng)相比, 負載敏感控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1 能量利用率相對較高; (2 在飽和狀態(tài)下, 流量控制精度高, 不受負載壓力變化的影響; (3 多個負載可以同步運動或以

10、某種速比運動, 且互不干擾。1 3 與負載無關的流量分配系統(tǒng)(LUDV 針對非飽和狀態(tài)下多負載復合動作互相干涉的問題, 國外液壓廠家開發(fā)了與負載無關的流量分配系統(tǒng)(LUDV , 其原理圖見圖8。通過與LS 系統(tǒng)比較可知兩者的不同之處:(1 LUDV 將壓力補償閥設在節(jié)流環(huán)節(jié)之后; (2 壓力補償閥補償信號取自系統(tǒng)中的最高負載信號, 而不是其自身負載。LUDV 系統(tǒng)中的 p 1、 p 2皆為系統(tǒng)泵出口壓力與最大負載壓力之差, 因此即使當系統(tǒng)處于不飽和狀態(tài)時, p 1、 p 2仍然相等(同時值下降 。由于無論系統(tǒng)是否處于飽和狀態(tài), p 1和 p 2總相等, 故泵所提供的流量總按照各閥的開口面積A

11、1和A 2成比例分配, 而與負載大小無關。如圖9中, 在非飽和區(qū)域高負載(25M Pa 和低負載(15M Pa, 流量按比例分配, 而與負載大小無關,只與手柄偏轉角度有關。圖8 LUDV 原理圖圖9 LU DV 多負載間的影響通過上述分析可知, LUDV 不僅繼承了LS 系統(tǒng)的所有優(yōu)點, 如能按需提供流量、能量利用率相對較高、控制范圍較大、在飽和狀態(tài)下多個負載可獨立工作互不干擾等, 而且還實現(xiàn)了非飽和狀態(tài)下的與負載無關的流量分配。2 結論通過對小型挖掘機液壓控制系統(tǒng)的比較分析可知:(1 LS 系統(tǒng)效率比節(jié)流系統(tǒng)高, 且解決了飽和狀態(tài)下多個負載互不干涉的問題; (2 LUDV 不僅繼承了LS 的

12、優(yōu)點, 而且實現(xiàn)了不同負載壓力的多個執(zhí)行元件間互不干擾的精密控制, 具有良好的控制性能。結合小型液壓挖掘機的特點, 可知LUDV 在小型挖掘機上大有用武之地。參考文獻:1! 王長江. 當今挖掘機對液壓系統(tǒng)的要求及液壓系統(tǒng)的發(fā)展方向J.工程機械與維修, 1997:38-40.(下轉第59頁 圖5 單位階躍響應曲線(1 延遲時間、上升時間和峰值時間分別為0 0571s , 0 0504s 和0 117s , 反映了系統(tǒng)響應的初始快速性很好;(2 調節(jié)時間為0 682s , 說明系統(tǒng)具有較好的總體快速性;(3 超調量為19 3%, 表明了系統(tǒng)響應的相對平穩(wěn)性;由上述指標可知, 系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)態(tài)誤差

13、, 而且響應速度快, 動態(tài)性能較好。4 2 2 正弦輸入響應特性帶材的#蛇行運動是糾偏控制系統(tǒng)最難克服的干擾形式, 所以以能克服#蛇行運動為設計目標4。在工程設計中可將#蛇行 運動近似為正弦圖6 正弦輸入響應曲線運動, 所以仿真該系統(tǒng)在正弦輸入下的響應。如圖6所示, 系統(tǒng)在正弦輸入信號作用下的響應曲線與輸入信號曲線十分逼近, 可以看出系統(tǒng)具有較好的跟隨性。4 3 系統(tǒng)的精度分析4 3 1 跟隨誤差e rv = k =0 0317 9=1 676mm4 3 2 干擾誤差若干擾負載是階躍形式輸入時, 則引入的干擾誤差為e n (% =k cek A(s式中:k ce 為總流量-壓力系數(shù);k 為系統(tǒng)

14、增益;A 為閥控缸作用面積; N (s 為外負載力。將k ce 、k 、A 和N 的值代入上式得e n (% =1 684&10-7m忽略放大器的零漂、死區(qū)以及負載運動時的靜摩擦、元件的精度等所引起的誤差, 該系統(tǒng)的總誤差為e =e r +e n =1 676+0 000168=1 676168mm <2mm可見系統(tǒng)誤差滿足精度要求。5 結束語作者設計的系統(tǒng)是一種基于比例閥的帶鋼跑偏電液控制系統(tǒng)。它具有對油污不敏感、工作可靠、維護簡單、成本低廉等優(yōu)點。雙向液壓鎖和電磁換向閥的應用保證了卷取機液壓缸與檢測器液壓缸的互鎖與系統(tǒng)的安全。運用M atlab /Smi uli nk 對系統(tǒng)

15、的性能進行仿真分析, 結果表明該系統(tǒng)能較好地滿足穩(wěn)定性、響應速度與控制精度要求。文中的仿真分析結果, 為傳統(tǒng)糾偏系統(tǒng)的改造設計提供了一定的理論依據(jù)。參考文獻:1! 李順. 淺論電液比例閥在長機列鋁材生產線糾偏控制系統(tǒng)中運用的優(yōu)勢J.鋁加工, 2003(2:39-41.2! 關景泰. 機電液控制技術M.上海:同濟大學出版社, 2004.3! 黃忠霖. 控制系統(tǒng)M atlab 計算及仿真實訓M.北京:國防工業(yè)出版社, 2006.4! 徐同旺. 光電液伺服式帶材糾偏與對中控制J.冶金自動化, 1994, 18(6:29-32.5! 蘇東海, 任大林, 楊京蘭. 電液比例閥與電液伺服閥性能比較及前景展

16、望J.液壓氣動與密封, 2008(1 :1-4.(上接第80頁 參考文獻:1! 喬忠良. 全數(shù)字直流調速裝置及工程應用J.太原理工大學學報, 2000, 3(2:12-15.2! 李云飛, 談臻峰, 程甜甜, 等. 變頻器通用測試軟件平臺的設計與實現(xiàn)J.計算機工程與應用, 2007, 47(10:115-116.3! S iem ens E l e ctrica l D r i v es L td . . S I M OR EG D C M aste r6RA70系列使用說明書M /OL.http :/www4. s i e m ens .4! 孫玉勝, 伍銀波, 郭永喜, 等. 直流調速系統(tǒng)的計算機輔助設計J.水利電力機械, 2007(6:54-56. 5! S I M AT IC S TEP7V5. 4編程參考手冊M.2006. 6! 劉開烈, 朱建民, 王昭進, 等. S7 300PLC 與直流調速裝置6RA 70的通訊J.現(xiàn)代機械, 2008(1:78-79. 7! 薛朝改, 曹海旺, 谷文韜. 基于虛擬儀器的動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的研制J.微計算機信息, 200