液壓挖掘機(jī)負(fù)流量控制系統(tǒng)的節(jié)能分析與實(shí)現(xiàn)

1、第29卷第2期2006年2月合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版J OU RNAL OF H EFEI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYFeb.2006 收稿日期:2005203221;修改日期:2005206221作者簡(jiǎn)介:王爽(1957-,男,河南南陽人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;李志遠(yuǎn)(1949-,男,山東棗莊人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.液壓挖掘機(jī)負(fù)流量控制系統(tǒng)的節(jié)能分析與實(shí)現(xiàn)王爽1,李志遠(yuǎn)1,余新2(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院,安徽合肥230009;2.合肥通用機(jī)械研究所,安徽合肥230031摘要:文章對(duì)挖掘機(jī)中的液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了分析;建立了基于六通型多路閥

2、的電液比例負(fù)流量控制系統(tǒng)的控制模型,提出了該系統(tǒng)節(jié)能控制的設(shè)計(jì)原則,并對(duì)此模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算;在自行研制的試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)表明,該控制系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能和調(diào)速性能。關(guān)鍵詞:挖掘機(jī);節(jié)能技術(shù);負(fù)流量控制;樣機(jī)試驗(yàn)中圖分類號(hào):TD63.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100325060(2006022*Energysaving analysis and realization of the inverted flux control system of hydraulic excavatorsWAN G Shuang 1,L I Zhi 2yuan 1,YU Xin 2yang 2(1.Sc

3、hool of Machinery and Automobile Engineering ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ;2.Hefei General Machin 2ery Research Institute ,Hefei 230013,China Abstract :The energysaving technique of t he hydraulic system in excavators is an important issue in t he industry of hydraulic excavat

4、ors.In t his paper ,t he energysaving effect of t he Inverted Flux Cont rol System based on multipat h valves wit h six 2way is investigated.The correspo nding co nt rol model is built ,and after comp uter simulation ,t he design p rinciple of t his energysaving cont rol system is ad 2vanced.The tes

5、t result on t he homemade test 2bed indicates t hat t he cont rol system has excellent capa 2bility of speed regulation and energysaving.K ey w ords :excavator ;energysaving technique ;inverted flux control ;test 2bed testing0引言液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中存在的各種形式的功率損失,都會(huì)不同程度地降低挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的使用效率。挖掘機(jī)工作時(shí),在不計(jì)沿程阻力的條件下,液壓系統(tǒng)的最高

6、效率可達(dá)95%以上。但由于挖掘機(jī)負(fù)載變化較大,操作狀況千差萬別,因此液壓系統(tǒng)的效率變化也非常大。液壓挖掘機(jī)采用節(jié)能技術(shù)不僅能有效地降低燃油消耗率,還能減少液壓系統(tǒng)功率損失,提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率,使動(dòng)力系統(tǒng)與負(fù)載所需功率更好地匹配,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓元件的工作強(qiáng)度,減少系統(tǒng)發(fā)熱,提高設(shè)備正常使用的可靠性。因此,國內(nèi)外挖掘機(jī)行業(yè)對(duì)挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)都十分重視。為避免功率損失,國內(nèi)外提出了多種方案。常用的措施是在回轉(zhuǎn)油路上加裝蓄能器、二次調(diào)節(jié)傳動(dòng)技術(shù)等,但由于這些系統(tǒng)過高的成本而使其應(yīng)用受到限制。目前常用的節(jié)能技術(shù)有壓力切斷、正流量控制和負(fù)流量控制等。其中壓力切斷功能是消除系統(tǒng)過載時(shí)的溢流損失,但這

7、種功能要求平衡閥的設(shè)定壓力較低,會(huì)使壓力切斷在回轉(zhuǎn)過程中失去作用。正流量控制是利用操縱手柄的先導(dǎo)壓力對(duì) 泵排量直接控制,靠六通多路閥控制液壓缸的速度和方向。此系統(tǒng)能有效地消除操縱手柄處于中位時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的空流損失。但由于六通多路閥的中位回油損失是必然存在的,位于調(diào)速區(qū)內(nèi)的閥心難以形成克服負(fù)載的系統(tǒng)壓力,直到閥心基本越過調(diào)速區(qū)后液壓油才開始進(jìn)入工作油缸,因此該系統(tǒng)會(huì)造成油缸速度突然加快。負(fù)流量控制的本質(zhì)是一種恒流量控制系統(tǒng),它有利于液壓系統(tǒng)功率損失的減少,在系統(tǒng)節(jié)能方面極具潛力。所以,從節(jié)能角度出發(fā),深入研究并改進(jìn)負(fù)流量控制系統(tǒng),具有十分重要的實(shí)際工程意義13。1負(fù)流量控制負(fù)流量控制系統(tǒng)是為消除采

8、用六通閥產(chǎn)生的節(jié)流損失而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),其基本原理如圖1所示 。圖1負(fù)流量控制原理在六通閥的中位回油路上設(shè)置流量檢測(cè)裝置,利用檢測(cè)信號(hào)對(duì)液壓泵排量進(jìn)行控制,使通過中位回油箱的流量始終保持在一個(gè)很小的恒定值,從而可以大大減小甚至基本消除中位回油功率損失。只要O 口還未完全關(guān)閉,在負(fù)流量控制機(jī)構(gòu)作用下,通過中位的流量被控制在給定值。隨著工作閥口的進(jìn)一步打開,在系統(tǒng)流量分流的作用下,液壓泵需要增加排量才能滿足中位流量的恒定。隨著閥心的繼續(xù)移動(dòng),O 口繼續(xù)關(guān)閉,液壓泵排量逐步增加,所增加的流量都流入了工作液壓缸,使液壓缸速度逐漸增加。當(dāng)O 口完全關(guān)閉后,中位回油量為零,負(fù)流量控制功能不起作用,系統(tǒng)流量

9、全部進(jìn)入工作油缸。因此,負(fù)流量控制的本質(zhì)是一種恒流量控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的負(fù)流量控制挖掘機(jī)上,負(fù)流量控制功能通常用負(fù)流量控制泵實(shí)現(xiàn)。如圖2所示,將流量檢測(cè)節(jié)流口前的壓力直接連到圖2中的負(fù)流量先導(dǎo)控制口X 1,在負(fù)流量控制閥的作用下實(shí)現(xiàn)泵排量隨先導(dǎo)壓力的增加而減小。X 1口為先導(dǎo)壓力油入口,來自于六通閥的中位回油流量檢測(cè)裝置。其不足之處在于多路閥調(diào)速范圍有限,受負(fù)載影響較大。一旦閥心越過調(diào)速區(qū),負(fù)流量控制功能就失去作用而功率限制功能開始動(dòng)作,使切換過程中系統(tǒng)流量變化較大4 。1.負(fù)流量控制閥2.功率限制閥3.壓力切斷閥圖2負(fù)流量控制泵原理2電液比例負(fù)流量控制模型和計(jì)算根據(jù)負(fù)流量控制分析,只要能控制液

10、壓泵排量,就能實(shí)現(xiàn)負(fù)流量控制。實(shí)際上,傳統(tǒng)的負(fù)流量控制泵也是一種排量可控的比例泵,只是其排量隨先導(dǎo)壓力的增加而減小5。因此,負(fù)流量控制也可以用排量隨先導(dǎo)壓力的增加而增加的正流量控制泵實(shí)現(xiàn),其控制算法也不再局限于用機(jī)2液控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),而可以用機(jī)2電2液控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),而且性能更好,如圖3所示。由于采用了電子控制技術(shù),節(jié)流口前的壓力控制不僅可以用PID 制策略實(shí)現(xiàn),也可以用其他控制策略實(shí)現(xiàn),從而使系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性。412合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第29卷此時(shí)閥心位于微調(diào)區(qū),多路閥的A 口、O 口都處在打開的狀態(tài),使泵輸出的流量經(jīng)過P 口后分成兩部分,一部分通過A 口進(jìn)入液壓缸,另一部分通過O

11、口和流量檢測(cè)節(jié)流口回油箱。在這一過程中,因?yàn)榭刂仆ㄟ^O 口的流量為定值,只需要調(diào)整閥心位置改變A 口和O 口的通流面積比,從而使增加的泵輸出流量都通過A 口流入液壓缸,實(shí)現(xiàn)液壓缸的速度調(diào)節(jié) 。圖3電液比例負(fù)流量控制在采用PID 控制策略時(shí),可得負(fù)流量控制的表達(dá)式為e (t =p O COM -p O (t q (t =K P e (t +K I t 0e (t d t +K Dd e (t d t(1式中e (t 控制誤差p OCOM 設(shè)定壓力p O (t 節(jié)流口前檢測(cè)壓力q (t 泵排量控制值K P PID 控制中的比例系數(shù)K I PID 控制中的積分系數(shù)K D PID 控制中的微分系數(shù)如果

12、令(1式中的K I 、K D 為零,即變?yōu)橥ǔＫ枋龅呢?fù)流量控制策略。對(duì)負(fù)流量控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),首先需要確定流量檢測(cè)節(jié)流口上的工作壓力和流量值(p 0、Q 0,并以此設(shè)計(jì)節(jié)流口。節(jié)流口上難免要產(chǎn)生一定的功率損失,但這一損失較小。只要工作點(diǎn)(p 0,Q 0確定,就可以根據(jù)節(jié)流口的壓力2流量方程初步計(jì)算出所需要的節(jié)流口直徑d ,即d =100048Q 2010-63600C 2d 2p 0(2式中d 節(jié)流孔直徑,mmQ 0通過節(jié)流孔的工作流量,L/min C d 節(jié)流孔流量系數(shù),通常取0.61液壓油密度,kg/m 3p 0節(jié)流孔前工作壓力,M Pa按照以上公式進(jìn)行模擬計(jì)算,設(shè)p 0為3M Pa ,Q

13、 0為液壓泵最大流量的5%。如果發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2200r/min ,泵最大排量為28mL ,(2式中參數(shù)選取如下:=780kg/m 3,C d =0.61,p 0=3M Pa ,Q 0=3L/min 。由此可以計(jì)算出圓整后節(jié)流孔的直徑d =1.2mm 。若假設(shè)控制節(jié)流口前工作壓力p 0仍為3M Pa ,可以根據(jù)(2式對(duì)流過節(jié)流口的流量及其功率損耗進(jìn)行驗(yàn)算,即工作點(diǎn)流量為Q 0=C dd 242p 0=3.629 L/min (3節(jié)流口功率損耗為W =p 0Q 0=0.182kW (4由計(jì)算可知,節(jié)流口上所產(chǎn)生的功率損耗很小,在實(shí)際控制中還有加大節(jié)流口工作壓力的余地。由于在任何情況下,旁路回油

14、通路上產(chǎn)生的功率損失都被控制在很小的值,因此系統(tǒng)效率大幅度提高,節(jié)能效果顯著。3試驗(yàn)驗(yàn)證PID 控制試驗(yàn)是在自行研制的液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行的,試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。圖4負(fù)流量控制試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)框圖試驗(yàn)中在多路閥的旁路回油路上加裝了流量檢測(cè)節(jié)流孔,在該處安裝壓力傳感器用來測(cè)量回路的壓力變化。在液壓泵的轉(zhuǎn)動(dòng)軸輸入端安裝轉(zhuǎn)速計(jì),轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出電壓反映了泵的轉(zhuǎn)速變化。壓力信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)分別經(jīng)標(biāo)定和模數(shù)轉(zhuǎn)換后,512第2期王爽,等:液壓挖掘機(jī)負(fù)流量控制系統(tǒng)的節(jié)能分析與實(shí)現(xiàn)送計(jì)算機(jī)記錄存儲(chǔ)6。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,當(dāng)控制挖掘機(jī)斗桿動(dòng)作時(shí),節(jié)流口在設(shè)定的不同開啟狀況下,節(jié)流口處的壓力泵和排量隨時(shí)間的變化。圖中泵的

15、實(shí)際工作轉(zhuǎn)速n m 反映了泵排量的變化 。(a (b 1.壓力2.實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速3.理論轉(zhuǎn)速圖53種狀況下泵排量和節(jié)流口處的壓力及轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖5顯示出PID 具有明顯的恒壓控制作用,當(dāng)挖掘機(jī)手柄緩慢壓下(挖掘機(jī)斗桿縮進(jìn)時(shí),多路閥A 口打開(見圖3,在O 口關(guān)閉之前p O 基本不變,但為保持旁路節(jié)流口處實(shí)際壓力不變,泵排量必須緩慢上升,增加的流量全部進(jìn)入工作油缸,這顯示了系統(tǒng)的調(diào)速特性。當(dāng)O 口完全關(guān)閉后,可以看出節(jié)流口處壓力明顯減到最低點(diǎn),同時(shí)泵排量迅速達(dá)到最大,手柄壓下(斗桿縮進(jìn)時(shí)情況正好相反7,8。由試驗(yàn)可以看出,節(jié)流口在不同開啟狀況下,在節(jié)流口前設(shè)定不同的工作壓力,對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性和調(diào)速性都

16、有一定的影響。同時(shí)根據(jù)(2式和(3式,可以從圖5估算出多路閥A 在O 口關(guān)閉之前、在O 口過渡位置和在O 口完全關(guān)閉后的3種狀況下,其功率損失分別為26W 、400W 和1.7kW 。4結(jié)論分析表明,基于六通型多路閥的電液比例負(fù)流量控制系統(tǒng)在挖掘機(jī)斗桿任何工作情況下,旁路回油通路上產(chǎn)生的功率損失都很小,因此系統(tǒng)的效率大幅度提高,節(jié)能效果顯著,同時(shí)系統(tǒng)還具有良好的調(diào)速性能。在自行研制的液壓挖掘機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)表明,在節(jié)流口設(shè)定的不同開啟狀況下,在節(jié)流口前設(shè)定不同的工作壓力,對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性能和調(diào)速性能都有一定的有利影響,這也驗(yàn)證了分析結(jié)果。參考文獻(xiàn)1Krns H P ,J ansson A ,Palmberg J O.The design of pres 2sure compensators for load sensing hydraulic system A .Control 96,U KACC International Conference on ,Septem 2ber ,1996C.1996.1456-1461.2王晨,應(yīng)富強(qiáng).液壓挖掘機(jī)的智能化節(jié)能控制策略J .浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2000,28(2:108-111.3陸森林,和衛(wèi)星.單斗液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)J .江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,1