（机械电子工程专业论文）挖掘机电液控制系统研究——发动机和泵的联合控制系统.pdf

摘要 摘要 由于国内基础设施建设的蓬勃发展，用于工程基础设施建设的工程机械在 最近十年中发展势头也相当好，其中作为工程机械主力机种的挖掘机在所有机 种中所占比重较大，并且其技术相对于其他机种来说也较为全面和复杂。 挖掘机一般来说，人们都把它作为大功率机种，这类大功率机械在工作时 难免会产生能量上的浪费，人们通过总结得到，传统液压挖掘机的发动机的能 量使用率仅为3 0 在较为先进的采用了模式控制技术的挖掘机在发动机到泵 这一环节上仍然有相当大的能量浪费。所以本文以液压挖掘机作为载体，分析 其发动机和泵的联合控制系统，尽量减少发动机到泵这一个环节的能量浪费。 并设计完成硬件和软件电路。 在分析系统之前首先对挖掘机行业和其本身的技术发展做了分析，例如挖 掘机国内国外的技术现状和发展趋势，然后简单描述了挖掘机的各个部分的控 制技术，接着转到本人所要研究的发动机和泵的联合控制技术，分析了为什么 我们要研究这项技术。 文章分析了发动机和泵的各自的特性，并以不同的例子完成了系统建模， 通过对两者的分析完成了发动机和泵的联合控制系统的建模。模型建立完成之 后，通过对国外两种机型的模式控制的介绍，向读者说明了这种模式控制的优 点和缺点，同时提出自己所提出的模式控制理论，并做了详尽的论述。 接着对自己所论述的控制系统进行了硬件设计，其中涉及到电源模块的设 计、最小控制系统的设计、外围信号采集和功率驱动电路的设计，并且对所有 模块作为一个整体进行了一定程度的论述。再次，在硬件设计完成的基础之上， 完成了软件的设计。这里详细论述了主控制模块的设计，对模式控制理论的内 容进行了补充。还提到了各种辅助模块的设计，例如怠速模块、程序滤波模块 等等。 在硬件和软件设计完成的基础之上，本人利用实验室现有的条件，基本完 成了所设计系统的测试，得出的测试数据结果基本符合结论，在文章的最后提 出了本论文的不足之处和有待改进的地方，并对课题进行了展望。 关键词：液压挖掘机泵发动机控制 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ci n f r a s t m c t u r e ，t h ec o n s t r u c t i o n m a c h i n e su s e di ni n f r a s t r u c t u r eb u i l d i n ga d v a n c ev e r yf a s ti nt h er e c e n td e c a d e ，i n w h i e l l ，h y d r a u l i ce x c a v a t o r a c ta st h em a j o rm e m b e ra n dh a v ef lb i gs h a r e t e c h n i q u e a p p l i e di n t oh y d r a u l i ce x c a v a t o ri si n v o l v e di nf lw i d e rr a n g ea n dc o m p l e x t h a no t h e r m e m b e r sd o g e n e r a l l y , e x c a v a t o r i sl o o k e da sak i n do fm a c h i n ew i t h h u g e p o w e r , s o i tw o r k w i t h l a r g ew a s t eo fe n e r g yi n e v i t a b l y , i tw a sc o n c l u d e dt h a to n l y 3 0 o fe n e r g y y i e l d e db ye n g i n eo fe x c a v a t o rw a su s e de f f i c i e n t l y i na d v a n c e de x c a v a t o rw i t h m o d e c o n t r o l ，ab i gp a r to fe n e r g yi nf u e lc a r l ts t i l lt r a n s m i tf o r me n g i n e t op u m p i n t h i sd i s s e r t a t i o n 。o nt h eb a s eo ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o r , t h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m o f e n g i n ea n dp u m p i sa n a l y z e di no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yw a s t e ，n e x t ，d e s i g n i n g t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b e f o r ea n a l y z i n go ft h es y s t e m ，t h ee x c a v a t o rt r a d ea n dd e v e l o p m e n to fi t s t e c h n i q u e a r ed i s c u s s e d ，s u c ha sc u r r e n t t e c h n i q u e a n dd e v e l o p i n gt r e n do fe x c a v a t o l t h e nt h ec o n t r o l t e c h n i q u e o fv a r i o u s c o m p o n e n t s ，n e x t t h e i n t e g r a t e d c o n t r o l t e c h n i q u e o f e n g i n e a n dp u m pi si n v o l v e d ，d i s c u s s i n gw h yi ti ss t u d i e d t h ee a c hc h a r a c t e r i s t i co fe n g i n ea n dp u m pi sa n a l y z e da n dt h e i rm o d e l sa r e b u i l t 。t h e nt h em o d e lo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fe n g i n ea n dp u m pi sb u i l t n e x t ， m o d ec o n t r o lm e t h o d so ft w ot y p eo fe x c a v a t o r sa r ei n t r o d u c e d t l l o s ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g ea r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，an e wt y p eo fm o d e c o n t r o lm e t h o di s p u t f o r w a r da n dd i s c u s s e dd e t a i l e d l y h a r d w a r eo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，c o n c l u d i n gd e s i g n i n go ft h e p o w e rs u p p l y ，d e s i g n i n go fm i n i m u mw o r k i n gs y s t e m ，d e s i g n i n go fp e r i p h e r a l c i r c u i ta b o u ts i g n a l i n p u ta n ds i g n a lo i l t p u t ，a n dr e g a r d e da s aw h o l et h e ya l e a n a l y z e d a f t e ra c c o m p l i s h m e n to fh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d ，i nw h i c h ， t h em a i nc o n t r 0 1m o d u l ea n do t h e r a s s i s t i n g m o d u l ea r e d e s i g n e d a st h e c o m p e n s a t o r yc o n t e n t t om o d ec o n t r o lt h e o r y ，c o n c l u d i n gi d l es p e e dc o n t r o lm o d u l e ， f i l t e rm o d u l ea n ds oo n o nt h eb a s eo fa c c o m p l i s h m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，u s i n gt h ea v a i l a b l e e q u i p m e n t si nt h el a b ，t h ee x p e r i m e n t s a b o u tt h es y s t e ma r ed o n e ，t h er e s u l t i n gd a t a m a t c ht h ec o n c l u s i o n i nt h ee n d ，t h es h o r t a g e sa n dm e n d i n ga r eb r o u g h tf o r w a r da n d t h en e x ts t e di n v o l v i n gt h ed i s s e r t a t i o ni sg i v e nad i r e c t i o n k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , p u m p ，e n g i n e ，c o n t r o l l i n g n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：彩 沙呕年；其f b 一一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一一一一一一一一一一一一：一一 经指- , 9 教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 扩珂年，月，夕日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着国民基础设施建设的蓬勃开展，大量工程的上马，工程机械行业的发 展在最近十年也迎来了巨大的发展，作为工程机械的主力机种挖掘机 最近几年在国内无论是技术的发展还是市场的扩大都有不俗的表现。 由于挖掘机的市场是以中等机型为主，特别是2 0 t 级的挖掘机市场份额最 为巨大，作为液压动力的大功率机械，它所需要的原动机的功率都很大，然而 原动机所发出的能量由于能量传递系统本身的特性，有很大一部分都被自白浪 费。所以，无论是国内还是国外，现在研究中所涉及到的一个相当重要的方面 是挖掘机的节能控制，而能量从发动机传递到泵的这个环节中，能量的损失( 能 量不能充分利用) 也相当大，所以探讨如何把发动机和泵作为个整体来分析， 尽量减少这个环节产生的能量浪费以及如何使发动机在最优的状态下运行就成 为本入的研究课题。 首先本章节探讨了挖掘机的发展，说明了挖掘机研究的巨大实际潜力；然 后逐渐论述到为什么要对泵和发动机进行控制，控制的基本原理；最后得出本 课题研究的前景。 1 1 挖掘机的发展概况 挖掘机是一种重要的工程机械，由于自身灵活机动的特点，广泛应用在建 筑、道路工程、水利建设、民用设施、港口建设、国防工程等土石方施工和矿 山作业当中。同时因为国内基础设施建设项目的不断扩展，对其需求也在不断 的增长。 1 1 1 国外挖掘机的发展和现状 挖掘机的雏形于十九世纪四十年代在美国西部的铁路建设时期诞生，当时 已经有了基本的工作部件铲斗，斗杆和动臀，以蒸汽作为动力。当时当地 这样的一种机械部分代替了人手的劳动，减轻了工人的劳动强度。但是这之后 挖掘机发展缓慢，因为当时的液压技术比较落后，并且像这种多自由度机械的 制造和操纵都比较繁琐：直到二十世纪五、六十年代飞机和机床的液压技术在 第1 章绪论 挖掘机上应用，以及之后液压技术的不断进步，使得挖掘机的体积和传动系统 方面大大简化，八十年代电子技术的应用，特别是单片微机应用于挖掘机的控 制系统，这使得挖掘机能够更加符合人的意志更加高效的工作，到现在为止， 经过了动力革命、传动革命、控制革命三个阶段之后，挖掘机已经成为了集合 了机械、液压、电子等各种工程技术的主力机种。从比较直观的以下几个方面 可以看出挖掘机的发展： 外形体积方丽，能源的发展使得人们能够给挖掘机提供更大的动力，为了 提高挖掘机的生产效率，产生了大型、超大型的挖掘机，同时由于人口数量的 增长，城市的增加，为了在狭窄巷道内行走，缩减了挖掘机的宽度产生了窄型 的挖掘机；为了能够在狭小的空间内作业，小型、微型挖掘杌也应运而生；由 于挖掘机的广泛使用，挖掘机应用于各个场合，为了能够在湿软的地面作业， 比一般挖掘机接地比压小的加长型也出现在挖掘机家族之中，总之，为了适应 各种工况和环境，现在挖掘机的种类在不断的增加。 动力方面，挖掘机最初使用蒸汽作为动力，蒸气机的动力传递给机械结构 完成动作：随后电力作为较为清洁便利的能源被挖掘机采用，由电动机作为动 力源使整个庞然大物运作起来；之后柴油机的运用使得挖掘机可以更加灵活的 在工地之间转移，并且液压系统的的引入，发动机发出的动力由液压系统吸收 再传递给执行件，这大大简化的挖掘机的传动系，挖掘机的重量和体积都得到 减轻。 在挖掘机的结构部件方面，从最基本的工作部件铲斗，就已经衍生出 好多种类，通过斗的数量分为多斗挖掘机和单斗挖掘机。而单斗挖掘机中，通 过标准斗衍生出的应用于不同场合的铲斗，尖锐斗齿的挖沟型、侧板和底板加 厚的岩石斗，底板和侧板平整的斜坡修整斗以及加大的重载斗，同时可以把铲 斗更换为其他的作业装置，如破碎锤、抓斗、吸盘、吊钩等等：有时在使用加 重斗或是搬运密度较大的物件时，斗杆也可以适应性的更换，如在使用加重斗 时可以使用较短的斗杆；行走装置方面，履带行走装置应用于行走路面状况比 较恶劣的情况，当在城市中，为了保护城市路面，又需要行走速度快，能够自 行转场的挖掘机时可以使用轮式挖掘机，如果挖掘机几乎不需要转场，有时也 可以用步履式挖掘机来进行作业。 所以说，挖掘机由于种类繁多，机动灵活可以完成多种任务，适用面相当 广。 现在国际的挖掘机制造商分为三块：以美国为代表的北美制造商，以德国 为代表的欧洲制造商，以韩国和日本为代表的亚洲制造商。它们现在的竞争已 经不再集中于以上的三个方面，而是转为控制系统的竞争。随着世界的发展， 更加强调人本思想，例如如何更加经济的利用能源，更少的产生能量的浪费； 如何提高人对机器的操纵性能，更快更好的完成工作：如何使人在挖掘机的工 作环境中感觉到更加舒适。 第1 章绪论 1 1 2 国内挖掘机的发展和现状 1 9 5 4 年我国就开始生产机械式挖掘机，最初是由抚顺机械厂引进的苏联的 机械式挖掘机，后来逐渐发展直n s o 年代，由于国外液压挖掘机的先进技术的 引进，机械式挖掘机逐渐被淘汰( 本文若无特殊说明，所提及的挖掘机都是指单 斗液压挖掘机) 。 1 9 6 7 年我国就开始了液压挖掘机的制造，当时只是仿制，后来在8 0 年代初， 我国的较早涉足挖掘机领域的制造厂商开始引进先进的国外挖掘机制造技术， 例如利勃海尔( 1 i e b h e e r ) 、德玛克( d e m g g ) 、和奥加凯( o k ) 公司的产品， 当时主要通过引进德国的挖掘机的制造技术，消化吸收和移植，n s 0 年代的中 期，全国液压挖掘机的年产量已经达到1 2 0 0 多台。 8 0 年代末9 0 年代初，企业以技贸结合、合作生产的方式联合引进日本挖掘 机的制造技术，挖掘机的制造厂家迸一步增加，当时的年产量已经迭盈j 2 0 0 0 多 台。 到了9 0 年代中期由于大规模的国土开发，国家加大了对基础设施假设的投 资力度，加上国内经济繁荣，国外挖掘机的制造厂商纷纷涌入中国在中国建立 合资企业，加上国内的挖掘机制造商经过洗牌之后，现今国内有二十多家挖掘 机制造企业，从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，挖掘机的年总产量以两位数增长，而2 0 0 1 年 丑j 2 0 0 3 年，挖掘机的销量更是以5 0 以上的速度在增长，2 0 0 3 年国内挖掘机的 制造厂商的总销量达到的3 0 0 0 0 台，由于国家对进口挖掘机的限制进一步放宽， 仅2 0 0 3 年上半年，就从国外进口挖掘机6 7 7 6 台，这是一个多么大的市场! 国家 和地方政府在“九五”、“十五”计划期间，已经或准备在交通运输、能源、原 材料、民用建筑和水利工程中的巨大投资给挖掘机行业提供了巨大的发展空间。 1 2 挖掘机电液控制系统基本组成和关键技术 挖掘机的三大部件，也是技术含量最高的三个组成部分( 发动机、液压系 统和电子控制系统) 再加上机械金属结构共同构成了整个挖掘机。对于挖掘机 的控制系统，由于对系统控铝4 使系统动作是来自两部分的信号，控制电信号和 先导控制液压，所以总称之为电液控制系统。对于挖掘机电液控制系统，它从 目的上说主要完成两个方面的任务节能和操纵性。由于挖掘机是大功率机 械，对于如何减少挖掘机工作时的能量浪费对于挖掘机控制系统是至关重要的 问题，对于节能课题的研究集中于如何使发动机的燃料利用率最高和如何使泵 以所需流量和压力输出( 即对泵和发动机的控制) 。再者，挖掘机是多自由度系 统，司枧在操纵控制系统时如何佼控制系统能够完全按照自己的意图工作也是 很重要的问题，这里直接的控制对象就是多路阎和泵。控制系统在对阀、泵和 发动机控制时并不是单一的控制，而是它们之间相互配合完成动作要求。下面 针对各类对象介绍控制功能。 第1 章绪论 1 2 1 阀的控制 对于阀的控制主要是为了完成操控性的要求。我们知道，为了操纵轻便舒 适执行机构的主换向阀的控制都是由先导阀控制来完成，对先导阀的控制是控 制系统发出控制信号控制先导阀。这是比较通用的控制规则。但是对阀的控制 的主要技术集中在满足特殊要求而设置的特殊功能阀的控制。特殊功能阀有两 类：流量的通断、流量的限制。 1 流量的通断 这一类主要是指泵的分流、合流。因为现今的挖掘机液压供油主泵为了满 足功能要求往往不止个。不同的动作之下就要满足泵的分流合流的要求。例 如为了满足斗杆的动作速度的要求，就需要进行斗杆合流”。为了满足动臂动 作速度的要求，有的挖掘机生产 厂商设置有动臂合流阀”：。直线 行驶阀也是其中一个例子。为了 保证挖掘机在行走时的独立性， 用专门设计的直线行驶阀来控 制。图1 ，1 是现代( h y u n d a i ) r c 2 1 0 3 型液压挖掘机直行阀的 原理图。在执行阀通电之后，阎 到回转 保证了p l 压力油只供给行走装 置+ 从而保证了行走的独立性。 斗，斗轩 2 流量的限制 图11 现代r c 2 1 0 3 型挖掘机直行阀原理图 为了保证回转马达( 或动臂 负找垃 感阀 图1 2 负载敏感阀原理图 第1 章绪论 油缸) 的供油，有的挖掘机生产厂家设置有回转优先阀( 或动臂优先阀) 。当几 个执行机构同时动作的时候，为了保证回转( 或动臂) 的供油不会因为其他机 构动作的影响而发生改变，系统中设置电磁阀，优先保证回转马达( 或动臂油 缸) 的供油限制流入其他机构的流量。 负载敏感阀也属于对流量的限制阀。如图1 2 所示，图中有三个执行件，相 应有三套负载敏感阀。原理上操纵主阀阀和压力补偿阀合称为负载敏感阀，补 偿阀可以设置在操纵阀前或者操纵阀后，相应的称为阀前补偿或阎后补偿。操 纵阀前后的压力被作为控制油压加在压力补偿阀的阀杆两端，来控制压力补偿 的开口度大小。操纵阀产生动作并稳定在一定的开1 3 度时，流过它的流量也稳 定下来：如果执行件的负载增加之后，流经搡纵阎的流量减小，由于操纵阀的 开口度不变，就使得加在操纵阀前后的压差减小，此压差通过控制油路对压力 补偿阀起作用，使得压力补偿阀的开口变大，这样流入执行件的流量又上升恢 复到原来的状态，这样流量便与负载无关。反之亦然。所以这种补偿阀的作用 是在操纵阀开1 3 不变的情况下，限制流过它的流量保持定值，也就是使执行件 的速度恒定。执行件相互之间不会干扰。 1 2 2 单泵控制 定量泵的输出排量与压力的曲线如图l 一3 所示。当负载一定时，定量泵输 出压力恒定，当达到溢流阀的压力时溢流回油箱，输出曲线是一条直线a b 。 但是，挖掘机的工作工况复杂多变，全液 压挖掘机的变量泵为所有的工作装置提供动 力，除了本身的挖掘作业以外，还要承担诸如 行走、挖沟、吊装等作业，即使就一般的挖掘 作业来说，一个基本的工作循环可以分解成四 个动作：挖掘满斗起升回转卸载 返回。这四个动作所完成的操作也有很大的不 同点： 挖掘：主要是铲斗、斗杆单独挖掘，有时 还有动臂动作； 满斗举升回转：动臂起升到指定高度然后 回转一定的角度，问有铲斗的角度调整； 卸载：斗杆调整卸载高度和卸载半径，铲 斗卸载，间有动臂的动作； q 图1 3 定量泵的p q 曲线图 返回：转台反向回转，动臂和斗杆下放。 在不同的动作时，各个执行件在不同时刻所需要的流量是不同的，况且同 一个执行件的动作速度不同，泵所需要提供的流量也会不同，所以这是就需要 液压泵按需供油。如果一直按照最大压力下的最大流量供油，由于挖掘机并不 是一直工作在最大功率输出位置，而更多的情况则是部分功率的输出，所以这 样难免产生不必要的能量浪费。同时，挖掘机有如此多的运动方式及作业工况， 第1 章绪论 司机在发号指令的时候，挖掘机是否是按照司机预期的要求完成作业，也就是 挖掘机的操作性的好坏。所以对泵的控制，主要是针对节能性和操作性而作出 的。泵的控制方式也很多，有恒压控制，恒功率控制，负流量控制，正流量控 制，负载感应控制等等。下面就简单的予以介绍： 1 恒压控制 a i b i a c 图1 4 恒压控制泵的原理及p q 曲线 p 交量泵的最高压力( 截止压力) 经过设定之后，为一个恒定值。最初是为 了消除系统过载时的溢流损失，节省能量。当泵口的压力低于设定的压力值时， 泵的排量为最大排量，变量机构不工作；当泵的输出压力达到设定压力后再继 续增加时，泵的排量迅速减小到最小排量值，使得泵的输出压力稳定在设定的 压力值，控制机构简图如图1 4 ( a ) ，压力一排量输出特性曲线如图1 4 ( b ) ， 曲线好像到达一定的值之后马上被切断，所以这种控制方式又被称之为压力切 断控制( 或压力截止控制) 。由于泵的截止压力是由一个可压缩弹簧调定，所以 通过调整弹簧的预压缩量可以改变截止压力，而且现在这种泵体上留有远程控 制口，通过电液控制技术动态改变控制口的液压力可以改变泵的截止压力。 2 恒功率控制 变量泵的最大输出功率经过设定之后为一个恒定值。恒功率控制泵的使用 使得泵既能充分利用发动机功率，又不会使发动机过载熄火，改善了挖掘机的 操作性能又使发动机工作在理想工作点。实际上泵所完成的是恒扭矩控制，因 为这是在转速恒定的基础上使得扭矩恒定，从而达到输出功率恒定。当泵的输 出未达到功率设定值，泵以最大流量输出，随着外负荷的增加，泵的出i ：1 1 压力 也是跟随负载一直增加；当达到泵的扭矩控制值时。泵的出口压力信号通过恒 扭矩控制阀，推动变量油缸运动。当泵的出口压力在变量范围内增高，泵的排 量就相应减小；当泵的出口压力在变量范围内减小，泵的排量就相应增大。基 第1 章绪论 本保持出口压力和排量的乘积即扭矩为一个恒定值。与恒压控制泵相似，恒功 率变量泵的输出扭矩也可以通过人工或者电液控制技术动态设定，改造成为变 功率控制。恒功率控制泵的控制系统简图和p q 输出特性曲线如图1 5 ( a ) ( b ) 图i 6 负流量控制原理简图及控制输出特性 相当于检测一个流回油箱的流量信号，不同公司所使用的元件不同：例如小松 公司是用自己开发的射流传感器来检测。”。”，日立、c a t 、现代等公司则直接 用简单的节流小孔。2 “州。”瞄1 。这些元件然后把这个信号传回到泵的排量控制机 构，完成泵的排量变化，减小了中位溢流损失。这种控制系统是一种负荷传感 控制系统，由日本的小松公司在2 0 世纪8 0 年代首先推出啪3 ，用运在其p c 系列挖掘 第1 章绪论 机上，被称之为开中心负荷传感控制系统“”3 q 为中位溢流流量，即流过压差 传感器的流量，q 为泵的排量，q 越高泵的排量就越小，如图1 6 ( b ) ，在不同的 溢流流量q 下可以得到不同的排量q ，图1 6 ( c ) 所示为三个不同的q 下的p q 曲 线。 4 正流量控制 正流量控制的目的是为了用变量泵的容积调速代替定量泵系统中的节流调 速，来提高系统效率u ”。并在7 0 8 0 年代开始应用于挖掘机“”。它的控制原理 是直接用主阀的先导阀的压力来控制泵的排量。般来说，操纵手柄和先导阀 的阀芯相连，手柄位移量越大( 即意味着司机想让加快执行件的动作速度) ，先 导阀的输出压力也就越高，这样使得主阀的开口度变大，这个先导阀的压力信 号传到泵的变量机构，使得泵的排量增大，达到了输出流量增加的目的。图1 一 a ( b ) 芦 图1 7 正流量系统的控制原理图和控制压力一流量曲线 7 ( a ) ( b ) 分别为正流量系统的控制原理图和控制压力一流量曲线。图( b ) 中 p c 为先导阀的控制压力，q 为泵的排量。 5 负载敏感控制 这是一种对泵的出口压力进行控制的控制形式。这种控制系统把泵的出口压 力和流入执行件的油流压力( 即负载工作压力) 引到泵体内的负载敏感控制阀， 通过这两个压力的比较来时刻调整泵排量近丽控制泵的出口压力，使得泵的出 口压力仅比负载压力大出一个p ，这个p 实际上是主阀前后的压差，这种控 制方式使得这个p 保持定值，在主阀开度固定的情况下，即流通截面积一定的 情况下，流过润口的流量保持恒定，所以这使得执行件的动作速度保持恒定， 这改善了系统的调速特性，节约了能源。p 的取值一般为系统最高压力的5 1 0 嗍。图l - 8 为负载敏感泵的控制系统原理图。这种控制技术在2 0 世纪六七十 年代就已经被提出啪“踟，但是直至0 1 9 8 8 才在欧洲正式在液压挖掘机上使用1 ， 进入9 0 年代后，日本也开始在这方面加以研究1 ，推出了一系列的液压挖掘机。 第1 章绪论 液压挖掘机在挖掘作业的时候，系统需 要给它提供强大的动力，而液压动力都由液 压泵来供给，所以液压系统的供油主泵要满 足一定的工作特性，现在都为径向桂塞泵， 因为它有一系列适用于挖掘机的优点：结构 紧凑，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小， 易于实现变量，压力可以很高，采用双泵和 多泵系统时可以提供很大的流量。 1 2 3 多泵控制 图1 ，8 泵的负载敏感控制原理图 液压挖掘机由于工作工作装置较多，动作复杂，单泵并不能够较好的满足要 求。例如有时要保证行走的独立性，有时回转不能受到其他执行件动作的影响， 有时要首先保证动臂的工作状态，所以为了保证每个工作装置的独立性， 又兼顾到不能使系统中泵的数量太多产生资源的浪费，所以对于中型的挖掘机 现在一般都使用两个大流量的变量主泵对液压系统提供动力油液，再使用一个 小流量定量副泵对先导油路或变量机构供油。对于双泵变量有以下的几种控制 方式： 1 全功率控制 在全功率控制液压泵中，两只泵的排量机构通过机械或者液压机构保持一 致，在任何情况下两个泵的排量都相同，当时使用这种控制系统有其优点：变 量机构的简单使得泵的的内部结构也较为简单；两个泵各自都能够完全吸收发 动机的功率，这提高了作业装置的作业能力。 但是由于本身结构上的特点，全功率泵控系统不可避免的存在功率损失。因 此现在的中型大型挖掘机上已经不采用这种控制系统 2 分功率控制 分功率控制系统只是简单的将两个恒功率控制的液压泵组合在起，为了防 止发动机过载，每个泵最多只能吸收发动机一半的功率。这种系统的优点在于 每个泵都能够根据各自回路的负载单独进行变化，这样对负载的适应性要好于 全功率控制系统。 9 第1 章绪论 但是由于单泵自身条件的限制，只能吸收5 0 的发动机功率，所以当一个泵 图1 9 现代2 1 0 - - 3 型液压挖掘机的交叉功率泵控系统 的不在全扭矩状态下工作时，另一个泵确不能够吸收这个泵空余出来的功率， 因此发动机的功率得不到充分的利用，从而限制了挖掘机的工作能力。现在这 种控制方式在国外大中型挖掘机上也已不再使用。 3 交叉功率传感控制 针对全功率泵控系统和分功率泵控系统的不足，出现了交叉功率泵控系统， 这种系统既能像全功率控制系统那样充分利用发动机的功率，又能够像分功率 系统那样依据每个泵的负载状况调整输出流量。 而且在交叉泵控系统中，对于每个泵并不完全只是恒功率控制，还有其他的 控制方式予以配合，图1 9 为现代2 l o 一3 型液压挖掘机的交叉功率泵控系统，其 中f 】和f r 口为负流量控制口，h s 口为远程控制的变功率控制口。 1 2 a 发动机的控制 1 0 蔓! 雯堕丝 由于柴油机具有燃料经济性较高和机动性能好等优点，符合工程机械的动 力和性能要求，所以在工程机械所使用的原动机都为柴油机。图1 1 0 简单绘出 茎 妊 葺 兰 g n e 图i 1 0 柴油机万有特性曲线 了柴油机的万有特性曲线，横轴为发动机的转速n ，纵轴为发动机的输出扭矩m e ( 或是发动机的平均有效压力p e ) ，同时图中绘出了不同的等燃油消耗率曲线g e 和不同的等功率曲线n e 。，图中最内层的等燃油消耗率最小，也就是说，柴油机 工作在最内层的位置( 低油耗区域) ，由于柴油机负载多变，使得柴油机的工作 点经常偏离经济工作点，造成了燃油利用率不高，尤其是在高转速小负载的情 况下更为严重”。对于柴油机来说，在调速拉杆位置一定的情况下，发动机所 能输出的功率p 由发动机工作当时的转速n 决定，因为一定的输出转速1 7 _ 对应发动 机一定的输出转矩m ，发动机的输出功率由转速和输出转矩的乘积决定。不同的 调速拉杆位置下，柴油机所提供的动力是不相同的，为了适应不同动力( 功率) 调节下的要求，可以人为的调节发动机的调速拉杆位置达到想要的动力性能。 早期的柴油发动机的调速拉杆位置是由油门踏板来控制的，一定的调速拉 杆位置对应着一定发动机的调速曲线，近而控制了发动机的功率输出特性。这 种控制方式一般都是由操纵挖掘机的司机根据经验人工进行控制的，怎样的工 况需要多大的功率，需要多大的调速拉杆位置。不同的调速拉杆位置对应着不 同的调速特性，图1 1 1 ( a ) 中表示了不同的油门踏板位置1 、2 、3 下的调速特 性曲线。线段l 表示柴油机的外特性曲线，线段2 和3 1 j 是调速拉杆位置减小一定 程度下的调速特性。因为不同的调速拉杆位置下我们可以得到不同的调速曲线， 第i 章绪论 所以在整个调速范围内，输出扭矩在一个面工况内工作( 如图1 1 i b ) ，这样的 m n - i ( b ) n i ( c ) r l 图1 1 1 柴油机工作特性 面工况映射到n n 特性曲线上同样是某个面工况( 如图1 1 1 c ) ，这样理论上柴 油机可以适应任意的工况变化。 之后电子控制替代了司机意图实现了对发动机油门的控制，转而由小型电 机或是微型液压油缸驱动发动机油门。这样的控制方式同样可以得到如图卜一3 的调速特性曲线。采用电子控制方式之后，可以通过软件设定，计算得到在某 个调速拉杆位置之下的最佳转速，得到最佳的功率工作点或是最佳油耗点。这 样不但节省了燃油消耗而且也简化了司机的操作。 对泵和发动机进行联合控制，把两者看成为一个整体，其目的就是在于， 使泵在满足外界功率的要求的情况下，发动机提供等量的动力( 及功率和扭矩) 使发动机完全满足按需供给，同时还要调节发动机在最优化的条件下工作，这 样不但节省了燃油，而且时刻保持发动机在优良的条件下工作，延长了发动机 的使用寿命。 1 2 5 泵和发动机联合控制系统 节能是衡量液压挖掘机的性能的重要指标，长期使用之后，人们通过总结 得到，传统液压挖掘机的发动机的能量使用率仅为3 0 ，传动系的能量利用率 为5 5 ，所以控制好发动机到泵这一环的能量传递，保证发动机的能量能够更 有效的传递到液压系统完成做功具有十分重要的意义，即对泵和发动机进行联 合控制。 1 压力感应控制【2 0 1 这种控制方式实际上是恒扭矩控制。如图1 1 1 中，额定转速下对应额定转 矩，对应额定功率。实际情况中，发动机调速拉杆位置不变的情况下，发动机 一定的转速对应于一定的转矩，调速器工作时，发动机在调速曲线上工作时， 转速变化不大，如果忽略转速的影响，假设在某一调速拉杆位置下，转速稳定， 发动机的输出扭矩则保持恒定，则泵的理论吸收扭矩应该和发动机在此转速下 的输出扭矩相等。所以我们可以用变量主泵的出口压力来控制自身的排量。液 压泵出口的压力增高时，泵斜盘转角减小，泵的排量自动变小，液压泵出口的 第1 章绪论 压力减小时，泵倾斜盘转角增大，泵的排量也自动增大，这榉泵的变量特性往 往是由若干直线段组成的曲线，逼近恒功率双曲线，而泵的吸收转矩不变。而 压力感应控制又有两种方式：液压机械控制方式和电子控制方式。 液压机械控制方式 这种控制方式是通过液压和弹簧力来得到的。图1 5 ( a ) 即它的控制原理 图。主要的控制机能由图中的恒扭矩控制阀( t c c 阀) 实现，泵的出口压力加 在t c c 阀的一端，另一端由弹簧力平衡，控制泵的压力通过t c c 阀，t c c 阀出 口压力为进入液压缸，控制活塞的行程从而调整泵的排量。 电子控制方式 这种控制方式的变量特性是通过软件来实现的：由压力传感器检测出液压 泵出口处的压力，输入到控制器，经过控制器计算处理之后，输出电信号来控 制变排量机构，从而控制液压泵的排量。 但是恒压感应控制方式有一定的不足：第一，泵的控制特性一般还是由液 压和弹簧共同作用来实现，不能得到理想的恒功率双曲线，所以实际上的压力 一流量输出曲线并不是像图1 5 ( b ) 那样光滑的曲线，而是分段的直线，存在 近似的误差；第二，当发动机周围的环境或自身的条件发生变化时( 例如气压 降低或燃油较差发动机性能恶化) 对发动机的转速变化很大，从而的输出功率 有较大的影响。 为了克服恒转矩控制的缺点，我们在压力感应的基础之上有加上转速感应 控制，来实现更为理想的泵和发动机的控制。 2 压力和转速的联合控制 该系统由变量泵控制活塞，电液比例减压阀，控制器，调速拉杆位置传感 器，转速传感器，压力传感器组成。词速拉杆位置传感器检测得到发动机的调 速拉杆位置，输入控制器，由微处理器计算出在此调速拉杆位置下，发动机最 大功率下的转速，并以此转速作为控制目标。当泵的吸收功率过大使发动机转 速低于目标转速时，控制器发出控制信号，通过电液比例减压阀，使泵的吸收 功率降低，减小柴油机的负荷，使发动机的转速上升。当泵的吸收功率过小使 发动机的转速高于目标转逮时，控制器发出控制信号，通过电液比例减压阎， 使泵的吸收功率增加，增加发动机的负荷，使发动机的转速下降，发动机始终 维持最大功率处的转速处工作。 3 ，电控技术背景下的换式控触 电控技术开始应用于车辆以后，特别是在汽车上的应用，控制系统的各种 限制陆续得到突破”，随者大规模集成电路的发展，美国通用公司从1 9 7 6 年开 始将微机运用于发动机的控制系统。此后挖掘机等工程机械也逐渐把电子控制 技术应用在发动机的控制，同时联合泵和液压回路的控制，把整机的控制整合 在一起使得控制性能更加优良。国外基本上所有的挖掘机生产厂家在发动机和 泵的联合控制系统中都不约而同的使用了模式控制。 1 3 第1 章绪论 这里所提到的模式控制是指挖掘机针对不同的工况条件，使发动机和泵工 作在特定的条件下，在某些点达到了泵和发动机的匹配。模式控制包括动力模 式控制和作业模式控制。动力模式是指泵和发动机的在特定工作条件下的联合 功率输出，例如在挖掘机在小功率工况下和大功率工况下就需要选择不同的模 式；而作业模式输出是指为了完成不同的作业内容而设置的模式选择，这种模 式控制更加偏重的是阀之间的配合动作，是在动力模式的背景之下的控制，例 如在平地和行走两个工作状态下就要选择不同的作业模式。可以看出模式控制 是有级的，也就是说，不同的模式在理想状态下发动机是在某几个点工况工作， 这样直接用模式选择开关就可以完成发动机的输出。在这一点上以上的模式控 制有很大的优越性。 泵和发动机的联合控制作为挖掘机节能控制的一部分，在国内起步较晚。 国内在节能控制方面比较成功的是浙江大学，1 9 9 4 年，浙江大学与广西玉林柴 油机厂合作开发的2 0 t 节能控制、 参数显示、故障报警液压挖掘机是目前国内机电一体化技术在挖掘机上实 施的一个商品化产品，之后，1 9 9 5 年1 0 月，玉柴工程机械公司试制出两台 w y 2 0 一y c 具有一定机电一体化水平的液压挖掘机。其柴油机和液压系统等主要 部件均是进口件，增强了挖掘机的工作可靠性。其双泵系统与m e c 机械电子控 制系统相结合，使挖掘机具有交叉功率调节、三档功率预选、自动降速等泵和 发动机联合控制方面的功能，可以使发动机的功率最大限度地得到利用，减少 发热，降低能耗，提高了泵和液压元件的使用寿命。但由于成本较高，推广有 一定难度。最近十年的发展，国外几乎所有的在挖掘机行业领头的生产厂家在 我国都开办有独自或是合资的工厂，国内的生产厂家在国外厂家的夹击之下， 一边探索，一边积极寻求合作，取得了一定的成果。 泵和发动机的联合控制系统进行电子模式控制之后，与机械式控制相比有 一定的优越性： 减轻驾驶员劳动强度并提高作业效率：传统液压挖掘机的油门控制是通 过钢丝软轴、定滑轮、杠杆等机构把柴油机的调速拉杆引到司机室的脚踏板上， 由人根据负载情况脚踏油门来控制柴油机的输出功率，由于液压挖掘机的的作 业过程是多机构协调动作的过程，操作者不仅要照顾到动臂、斗杆、铲斗的运 动，还必须注意到回转、行走和柴油机的工作状态，操作者工作时手脚有限， 往往操作者无暇根据负载的大小而调节调速拉杆位置的大小，以及脚踏板的行 程有限，操作者也不能够进行油门的精确定位。应此造成了燃料的大量的无意 义的消耗，液压挖掘机的油门由入控改为电控之后，作业时控带j 器可以根据负 载的情况自动进行功率匹配，自动调节油门的大小，这不仅节约了能源，也降 低了操纵者的劳动强度，使操纵者有更多的时间，精力来照顾其他机构的工作， 从而也提高了劳动生产率。 减少驾驶员操纵技术差异对作业的影响：工程机械的作业性能除了与自 身的结构特点相关外，还有赖于正确的控制和操纵。联合控制系统通过微型计 算机自动操纵，可以根据外部环境进行控制，从而可不依赖于驾驶员的操纵水 平，而是发动机功率高效率的转化成作业功率，提高了整车的经济型和动力性。 第1 章绪论 改善模式切换的过渡特性并提高传动系的寿命：动力选择模式还可以按 照不同的外部工况条件相应的进行人工切换，控制系统会保证切换过程的连续 性和平稳性，从而改善了动力切换的品质，提高了操作的舒适性。 减少车辆排放降低环境污染：发动机尾气是当今主要的公害之一，而车 辆废气的构成与发动机的使用条件有密切关系，柴油机在稳定工作时排放量小， 在非稳定工作状态时排放量大，在接近怠速和接近最大转速时排放量大。动力 模式把发动机调整在污染较小的转速范围内工作。 1 2 6 控制系统的关键技术 对于挖掘机的整个控制系统来说，各个控制对象之间并不是相互孤立的， 而是通过控制器把它们联系在一起的。它们形成了一个完整的整体。根据以上 的论述，挖掘机控制系统中的关键技术包括以下几个部分： 阀的控制：使设计的阀组结构与要实现的输出特性相适应。 泵的控制：不同使用要求下的泵的本体结构选型和变量控制机构的设计和 选型；由输入信号决策输出的大小，满足整个系统的压力和流量要求，另一个 方面受到发动机输出性能的限制。 发动机的控制：在自身条件允许之下，由输入信号按照控制逻辑完成调速 拉杆位置和转速的调节信号，控制发动机工作在所需要的理想状态。 在1 2 4 中，已经提到泵和发动机联合控制的重要性。对于挖掘机的整个 控制系统来说研究课题太大。本论文主要以泵和发动机作为控制对象对其进行 研究。 1 3 关于泵和发动机联合控制系统开发的应用前景 1 3 1 自主开发泵和发动机联合控制系统的目的和可行性 1 开发的目的