液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现

第29卷第2期 2006年2月

合肥工业大学学报(

自然科学版)

JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY

Vol.29No.2 Feb.2006

收稿日期:2005-03-21;修改日期:2005-06-21

作者简介:王 爽(1957-),男,河南南阳人,合肥工业大学硕士生;

李志远(1949-),男,山东枣庄人,合肥工业大学教授,博士生导师.

液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现

王 爽1, 李志远1, 余新

2

(1.合肥工业大学机械与汽车学院,安徽合肥 230009; 2.合肥通用机械研究所,安徽合肥 230031)

摘 要:文章对挖掘机中的液压系统的节能效果进行了分析;建立了基于六通型多路阀的电液比例负流量控制系统的控制模型,提出了该系统节能控制的设计原则,并对此模型进行了计算机仿真计算;在自行研制的试验样机上进行的试验表明,该控制系统具有显著的节能和调速性能。关键词:挖掘机;节能技术;负流量控制;样机试验

中图分类号:T D63.1 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2006)02-0213-04

Energysaving analysis and realization of the inverted flux

control system of hydraulic excavators

WANG Shuang 1

, LI Zh-i yuan 1

, YU Xin -yang

2

(1.School of M achin ery an d Automobile En gineering,Hefei U nivers ity of T echn ology,H efei 230009,Chin a; 2.H efei General M achin -

ery Research Institute,H efei 230013,China)

Abstract:T he ener gysaving technique o f the hydraulic sy stem in ex cavators is an important issue in the industr y o f hy draulic ex cavators.In this paper,the energ ysav ing effect of the Inv erted Flux Contro l

System based o n m ultipath valv es w ith six -w ay is investig ated.The corresponding contr ol m odel is built,and after computer sim ulation,the desig n principle of this energ ysaving contr ol sy stem is ad -v anced.T he test result on the ho memade test -bed indicates that the control system has ex cellent capa -bility o f speed regulatio n and energ ysaving.

Key words:ex cavator;energ ysaving technique;inver ted flux control;test -bed testing

0 引 言

液压挖掘机的液压系统中存在的各种形式的功率损失,都会不同程度地降低挖掘机液压系统的使用效率。挖掘机工作时,在不计沿程阻力的条件下,液压系统的最高效率可达95%以上。但由于挖掘机负载变化较大,操作状况千差万别,因此液压系统的效率变化也非常大。液压挖掘机采用节能技术不仅能有效地降低燃油消耗率,还能减少液压系统功率损失,提高发动机功率的利用率,使动力系统与负载所需功率更好地匹配,从而降低发动机和液压元件的工作强度,减少系统发

热,提高设备正常使用的可靠性。因此,国内外挖掘机行业对挖掘机节能技术都十分重视。为避免功率损失,国内外提出了多种方案。常用的措施是在回转油路上加装蓄能器、二次调节传动技术等,但由于这些系统过高的成本而使其应用受到限制。

目前常用的节能技术有压力切断、正流量控制和负流量控制等。其中压力切断功能是消除系统过载时的溢流损失,但这种功能要求平衡阀的设定压力较低,会使压力切断在回转过程中失去

作用。正流量控制是利用操纵手柄的先导压力对泵排量直接控制,靠六通多路阀控制液压缸的速度和方向。此系统能有效地消除操纵手柄处于中位时系统产生的空流损失。但由于六通多路阀的中位回油损失是必然存在的,位于调速区内的阀心难以形成克服负载的系统压力,直到阀心基本越过调速区后液压油才开始进入工作油缸,因此该系统会造成油缸速度突然加快。负流量控制的本质是一种恒流量控制系统,它有利于液压系统功率损失的减少,在系统节能方面极具潜力。所以,从节能角度出发,深入研究并改进负流量控制系统,具有十分重要的实际工程意义

[1~3]

。

1 负流量控制

负流量控制系统是为消除采用六通阀产生的节流损失而设计的控制系统,其基本原理如图1

所示。

图1 负流量控制原理

在六通阀的中位回油路上设置流量检测装

置,利用检测信号对液压泵排量进行控制,使通过中位回油箱的流量始终保持在一个很小的恒定值,从而可以大大减小甚至基本消除中位回油功率损失。

只要O 口还未完全关闭,在负流量控制机构作用下,通过中位的流量被控制在给定值。随着工作阀口的进一步打开,在系统流量分流的作用下,液压泵需要增加排量才能满足中位流量的恒定。随着阀心的继续移动,O 口继续关闭,液压泵

排量逐步增加,所增加的流量都流入了工作液压

缸,使液压缸速度逐渐增加。当O 口完全关闭后,中位回油量为零,负流量控制功能不起作用,系统流量全部进入工作油缸。因此,负流量控制的本质是一种恒流量控制系统。

在传统的负流量控制挖掘机上,负流量控制功能通常用负流量控制泵实现。如图2所示,将流量检测节流口前的压力直接连到图2中的负流量先导控制口X 1,在负流量控制阀的作用下实现泵排量随先导压力的增加而减小。X 1口为先导压力油入口,来自于六通阀的中位回油流量检测装置。其不足之处在于多路阀调速范围有限,受负载影响较大。

一旦阀心越过调速区,负流量控制功能就失去作用而功率限制功能开始动作,使切换过程中系统流量变化较大

[4]

。

1.负流量控制阀

2.功率限制阀

3.压力切断阀

图2 负流量控制泵原理

2 电液比例负流量控制模型和计算

根据负流量控制分析,只要能控制液压泵排量,就能实现负流量控制。实际上,传统的负流量控制泵也是一种排量可控的比例泵,只是其排量随先导压力的增加而减小[5]

。因此,负流量控制也可以用排量随先导压力的增加而增加的正流量控制泵实现,其控制算法也不再局限于用机-液控制结构实现,而可以用机-电-液控制结构实现,而且性能更好,如图3所示。

由于采用了电子控制技术,节流口前的压力控制不仅可以用PID 制策略实现,也可以用其他控制策略实现,从而使系统具有更好的调速性。

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合肥工业大学学报(自然科学版)第29卷

此时阀心位于微调区,多路阀的A 口、O 口都处在打开的状态,使泵输出的流量经过P 口后分成两部分,一部分通过A 口进入液压缸,另一部分通过O 口和流量检测节流口回油箱。在这一过程中,因为控制通过O 口的流量为定值,只需要调整阀心位置改变A 口和O 口的通流面积比,从而使增加的泵输出流量都通过A 口流入液压缸,

实现液压缸的速度调节。

图3 电液比例负流量控制

在采用PID 控制策略时,可得负流量控制的表达式为

e(t)=p O COM -p O (t)q(t)=K P e(t)+K I Q t

0e(t)d t +K D

d e(t)d t (1)

式中 e(t))))控制误差

p O COM )))设定压力

p O (t))))节流口前检测压力q(t))))泵排量控制值K P )))PID 控制中的比例系数K I )))PID 控制中的积分系数K D )))PID 控制中的微分系数

如果令(1)式中的K I 、K D 为零,即变为通常所描述的负流量控制策略。

对负流量控制进行设计时,首先需要确定流量检测节流口上的工作压力和流量值(p 0、Q 0),并以此设计节流口。节流口上难免要产生一定的功率损失,但这一损失较小。只要工作点(p 0,Q

0)确定,就可以根据节流口的压力-流量方程初

步计算出所需要的节流口直径d ,即

d =1000

4

8Q 20Q @10

-6

3600C 2

d P 2p 0

(2)

式中 d )))节流孔直径,mm

Q 0)))通过节流孔的工作流量,L /min C d )))节流孔流量系数,通常取0.61Q )))液压油密度,kg/m

3

p 0)))节流孔前工作压力,MPa

按照以上公式进行模拟计算,设p 0为3M Pa ,Q 0为液压泵最大流量的5%。如果发动机额定转速为2200r/min ,泵最大排量为28mL ,(2)式中参数选取如下:Q =780kg /m 3,C d =0.61,p 0=3M Pa ,Q 0=3L/min 。

由此可以计算出圆整后节流孔的直径d =1.2mm 。若假设控制节流口前工作压力p 0仍为3M Pa ,可以根据(2)式对流过节流口的流量及其功率损耗进行验算,即工作点流量为

Q 0=C d P d

2

4

2Q

p 0=3.629L/min (3)

节流口功率损耗为

W =p 0Q 0=0.182kW (4)

由计算可知,节流口上所产生的功率损耗很

小,在实际控制中还有加大节流口工作压力的余地。由于在任何情况下,旁路回油通路上产生的功率损失都被控制在很小的值,因此系统效率大幅度提高,节能效果显著。

3 试验验证

PID 控制试验是在自行研制的液压挖掘机上进行的,试验测试系统如图4所示。

图4 负流量控制试验的测试系统框图

试验中在多路阀的旁路回油路上加装了流量检测节流孔,在该处安装压力传感器用来测量回路的压力变化。在液压泵的转动轴输入端安装转速计,转速计的输出电压反映了泵的转速变化。压力信号和转速信号分别经标定和模数转换后,

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第2期王 爽,等:液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现

送计算机记录存储

[6]

。试验结果如图5所示,当控制挖掘机斗杆动作时,节流口在设定的不同开启状况下,节流口处

的压力泵和排量随时间的变化。图中泵的实际工作转速n m

反映了泵排量的变化。

(

a)

(b )

1.压力

2.实测转速

3.理论转速

图5 3种状况下泵排量和节流口处的压力及转速随时间变化

图5显示出PID 具有明显的恒压控制作用,

当挖掘机手柄缓慢压下(挖掘机斗杆缩进)时,多路阀A 口打开(见图3),在O 口关闭之前p O 基本不变,但为保持旁路节流口处实际压力不变,泵排量必须缓慢上升,增加的流量全部进入工作油缸,这显示了系统的调速特性。当O 口完全关闭后,可以看出节流口处压力明显减到最低点,同时泵排量迅速达到最大,手柄压下(斗杆缩进)时情

况正好相反[7,8]

。

由试验可以看出,节流口在不同开启状况下,在节流口前设定不同的工作压力,对系统的节能性和调速性都有一定的影响。同时根据(2)式和(3)式,可以从图5估算出多路阀A 在O 口关闭之前、在O 口过渡位置和在O 口完全关闭后的3

种状况下,其功率损失分别为26W 、400W 和1.7kW 。

4 结 论

分析表明,基于六通型多路阀的电液比例负流量控制系统在挖掘机斗杆任何工作情况下,旁路回油通路上产生的功率损失都很小,因此系统的效率大幅度提高,节能效果显著,同时系统还具有良好的调速性能。

在自行研制的液压挖掘机上进行的试验表明,在节流口设定的不同开启状况下,在节流口前设定不同的工作压力,对系统的节能性能和调速性能都有一定的有利影响,这也验证了分析结果。

[参 考 文 献]

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(责任编辑 吕 杰)

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