（机械电子工程专业论文）柱塞泵总功率与负流量控制分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 液压挖掘机是一种高效的工程机械，已广泛地应用于各个领域。液压传动 作为其主要的动力传递方式，具有功率大、能耗高的特点。为降低能耗、提高 效率以及机器寿命与可靠性，厂商对挖掘机液压系统进行了深入研究，并研制 出多种控制机构和方法。其中，总功率与负流量控制能够有效地防止发动机过 载、提高系统效率，已经成为挖掘机液压系统主流控制方式之一。 恒功率控制由两条折线最佳逼近功率双曲线，近似实现恒功率。当双泵出 口压力分别作用在两泵的载荷柱塞则构成总功率控制。负流量控制由多路阀压 力检测单元导出的控制压力作用先导柱塞，使泵的输出流量与负载运动速度成 正比、与控制压力成反比。控制系统由四部分组成：载荷柱塞、连杆机构、阀 控缸以及斜盘。为得出载荷与先导柱塞、平衡弹簧以及连杆机构的结构参数计 算方法，以泵的压力一流量曲线为基础推导得出对应的参数方程组。结果表明 该方程组是一个欠约束方程组，给定不同的初始条件得到不同参数的结构。为 选择和验证满足控制系统静态与动态特性要求的参数，用a m e s i m 建立了总 功率与负流量控制仿真模型，对柱塞面积、平衡弹簧弹性系数、弹簧初始压缩 量等选取不同数值，得到对应参数系统的阶跃响应并比较分析了阶跃响应的上 升时间、调节时间以及超调量的数值及变化规律，定性地得出参数变化时对系 统动态特性的影响以作为控制机构参数甄选依据。 伺服柱塞与换向阀参数直接影响整个系统的性能。首先分析了斜盘所受液 压力矩，推导得出满足拖动要求时伺服柱塞腔最小面积。为分析换向阀输出流 量，用正弦速度积分的方法得出满足响应时间条件时伺服柱塞的运动速度并与 仿真结果对比。结果表明积分得出的速度与仿真结果存在10 - - - 2 0 的偏差。 由连杆机构推导得出理想反馈时阀芯位移，并与仿真得出的实时反馈阀芯位移 进行比较。结果表明实时反馈阀芯位移为理想反馈阀芯位移的6 0 。将这些偏 差值用于对计算结果修正，并依据换向阀最大流量以及阀芯位移分析了换向阀 结构参数计算。 关键词：轴向柱塞泵；总功率控制；负流量控制；a m e s i m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 一! i i i i i 鼍i 詈曼皇! ! 鼍鼍鲁喜量詈! ! 曼g 皇量置量_ a bs t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o ri sav e r ye f f i c i e n tc o n s t r u c t i o nm a c h i n e ，h a sb e e nw i d e l y a p p l i e d i nv a r i o u s f i e l d s h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n i s i t sm a i n d r i v i n gf o r c e t r a n s m i s s i o nm o d e ，w i t hb i gp o w e r ，h i g he n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i n o r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i m p r o v ee f f i c i e n c ya n dm a c h i n el i f ea n d r e l i a b i l i t y ，m a n u f a c t u r e r sc o n d u c t e dai n d e p t hr e s e a r c hi ne x c a v a t o rh y d r a u l i c s y s t e ma n dd e v e l o p e dav a r i e t yo fc o n t r o l l i n gm a c h i n e r ya n dm e t h o d s a m o n g t h e m ，t h e t o t a l h o r s e p o w e ra n dn e g a t i v e f l o wc o n t r o lc a nb ee f f e c t i v ei n p r e v e n t i n gm o t o ro v e r l o a d a n di m p r o v es y s t e m e f f i c i e n c y , h a sb e c o m eo n e m a i n s t r e a mo ft h ee x c a v a t o rh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l l i n gw a y s t h et w ob r o k e n p r e s s u r e f l o wl i n e s o fc o n s t a n t p o w e rc o n t r o l b e s t a p p r o x i m a t e st op o w e rh y p e r b o l i c ，a p p r o x i m a t er e a l i z a t i o no fc o n s t a n tp o w e r c o n t r 0 1 t h ep a i r so fp u m po u t l e tp r e s s u r ea c t i n go nl o a d i n gp l u n g e ra n dc o n s t i t u t e t h et o t a l h o r s e p o w e rc o n t r 0 1 t h e c o n t r o lp r e s s u r eo fn e g a t i v ef l o wc o n t r o l e x p o r t e db yd e t e c t i o nu n i to fm u l t i c h a n n e lv a l v ei sa p p l i e dt ot h ep i l o tp l u n g e r ， s ot h a tt h ep u m po u t p u tf l o wi s p r o p o r t i o n a lt ot h ev e l o c i t yo ft h el o a d ，a n d i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n t r o lp r e s s u r e c o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ff o u r c o m p o n e n t s ：t h el o a dp i s t o n ，p l a n a rl i n k a g e ，t h ev a l v e c o n t r o l l e dc y l i n d e ra n d s w a s hp l a t e t ow o r ko u tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h e l o a da n dt h ep i l o tp l u n g e r ，b a l a n c es p r i n ga n dt h el i n k a g e ，d e r i v i n gt h er e l a t e d e q u a t i o n sb a s e do nt h ep r e s s u r e f l o wc u r v e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee q u a t i o n s a r eu n d e r - c o n s t r a i n e d e q u a t i o n s ， g i v e n d i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n sa r e c o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n tp a r a m e t e r ss t r u c t u r e t os e l e c t i o na n dv e r i f yt h e p a r a m e t e so ft h ec o n t r o ls y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o ls y s t e ms t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，e s t a b l i s h i n gt h et o t a lh o r s e p o w e ra n dn e g a t i v ef l o w c o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e li na m e s i m s e l e c t i n gad i f f e r e n tv a l u eo ft h ep l u n g e r d i m e n s i o n ，b a l a n c es p r i n ge l a s t i c i t yc o e f f i c i e n t ，t h ei n i t i a la m o u n to fc o m p r e s s i o n s p r i n g sa n ds oo n ，t og e tt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e ms t e pr e s p o n s e a n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y s et h es t e pr e s p o n s er i s et i m e ，a c c o m m o d a t i o nt i m e ，a n d o v e r s h o o t ，a n dt h eq u a l i t a t i v ee f f e c ta p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mw h e nt h e p a r a m e t e r sc h a n g e d s oa st os e l e c tp a r a m e t e r sb a s e do nt h er e s u l t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 s e r v op i s t o na n dv a l v eh a v ead i r e c ti m p a c to no v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e s ot h a t ，f i r s th a v i n gaa n a l y s i so fh y d r a u l i ct o r q u ea p p l i e dt ot h es w a s hp l a t e ，a n d d e r i v i n gt h em i n i m u ma r e ao ft h es e r v op l u n g e rs e l e c t i o nw h i c hm e e t i n gt h ef o r c e b a l a n c ee q u a t i o n f o rt h ea n a l y s i so fv a l v eo u t p u tf l o w ，d e r i v i n gt h es p e e do f s e r v op i s t o nw i t hs i n ei n t e g r a lm e t h o dt om e e tt h er e s p o n s et i m e c o m p a r e dt h e s e r v op i s t o nv e l o c i t yw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei s 10 2 0 d e v i a t i o n sb e t w e e nt h es p e e do fi n t e g r a t i o na n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s v a l v es p o o ld i s p l a c e m e n td e d u c e df r o mt h el i n k a g ei d e a lf e e d b a c k ，c o m p a r e dt o t h es p o o ld i s p l a c e m e n td e r i v e df r o ms i m u l a t i o no fr e a l t i m ef e e d b a c k t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er e a l t i m ef e e d b a c ks p o o ld i s p l a c e m e n ti st h ei d e a lf e e d b a c ks p o o l d i s p l a c e m e n t6 0p e r c e n t t h e s ed e v i a t i o nv a l u e sa r eu s e dt oa m e n d t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s t h e nb a s e do nm a x i m u mf l o wo fv a l v ea n dt h ev a l v es p o o ld i s p l a c e m e n t a n a l y s e dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：a x i a lp i s t o np u m p ；t o t a lh o r s e p o w e rc o n t r o l ；n e g a t i v ef l o wc o n t r o l ； a m e s i m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：弧乃窄 日期：夕胗牛二 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 由泵的压力一流量曲线推导出柱塞泵总功率控制与负流量控制机构 中载荷柱塞与连杆机构参数的方程组，分析得出该方程组是欠约束方程组，不 同的初始条件得到不同参数结构。建立了a m e s i m 总功率与负流量控制模型， 仿真得出取不同参数对应的系统阶跃响应，定性地得出参数单调变化时系统动 态特性影响以及变化趋势。 ( 2 )比较了理想反馈与实时反馈换向阀阀芯位移，由仿真结果与计算结 果得出两者的偏差；仿真得出伺服柱塞的运动速度，与由正弦速度积分得出的 结果进行对比。把对比结果作为初始计算修正依据。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：乡砍石穹 e t 期：0 口0 q - ，土 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 液压传动是三大传统动力传递方式之一，已经广泛地应用于航空航天、船 舶、冶金以及加工制造等各个领域。机械是人类肢体的延伸，它的出现大大提 高了生产效率。液压挖掘机作为其中的一种，具有效率高、适应性好等特点， 已经广泛地应用于水利、土木等各种施工建设。由于液压系统功率大、压力高， 机器工作环境恶劣、工况复杂，虽然行业经过几十年地积累和发展，液压系统 的效率与可靠性得到了很大地提高，但仍然有很多问题需要研究和解决。 1 1 论文选题背景及意义 液压系统在以液压挖掘机为代表的工程机械中得到广泛地应用和发展。我 国自2 0 世纪6 0 年代末开始研究液压挖掘机。为提高国内液压技术水平，在 2 0 世纪8 0 年代初从德国引进液压元件生产技术。从9 0 年代开始，随着中国 经济的发展，液压挖掘机等工程机械开始得到广泛地应用，推动了国内液压元 件生产技术的进步和挖掘机生产商的发展，国内小型挖掘机制造企业由当初少 数十几家发展到现在大约一百多家。 依据国内工程机械协会标准分类，整机质量小于等于1 3 吨的挖掘机为小 型挖掘机。小型挖掘机由于价格低廉、质量小、保养维护方便、作业半径小、 多功能及灵活高效而被广泛地应用。国内城市化以及道路等基础设施建设的加 快，促进了国内外小型挖掘机在中国市场的应用和发展。国内也出现了以山河 智能、柳工、玉柴以及徐挖等为代表的众多企业。中国国内小型挖掘机市场占 全球小型挖掘机市场约9 的份额，相对于日本的1 9 、北美的1 9 以及欧洲 的3 5 ，且同时相对于国土面积以及中国经济的发展速度，国内小型挖掘机有 着很大的发展空间。因此，国外以日立建机、现代、斗山以及小松等厂商也大 力发展中国小型挖掘机市场。由以往的市场数据统计，2 0 0 2 年国内小型挖掘 机行业销售量为l7 0 0 台，2 0 0 6 年为1 7 万台，至2 0 0 7 年为2 0 万台【ij 。 相比于国内挖掘机市场的快速发展，我国液压元件设计和生产技术远远滞 后。小型挖掘机主要由结构件总成、覆盖件总成、行走装置、回转装置、液压 系统、动力系统以及电器系统和空调设备等八大部分组成。其中，液压系统和 动力装置最为关键和重要。据业界统计，目前小型挖掘机零部件国产化百分比 不到7 0 ，占整个采购成本的5 0 。而液压系统中的核心元件：泵、阀以及马 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 达等关键元件设计生产技术、工艺以及专利都掌握在日本和德国等少数厂商手 中。这些关键元件的采购成本占了整机成本的4 0 。而国内几乎没有完整的挖 掘机液压系统方案供应商。从国外进口的全套液压机系统，采购成本占整机的 3 0 。此外，国外厂商供货周期长、灵活性差，难以满足国内厂商的差异化要 求以及对市场的快速响应，而且技术受制与人，难以对外资企业形成竞争力。 国内挖掘机生厂商在技术、质量以及可靠性上发展也不同步，只有少数企业的 质量水平接近国际水准。更多的制造商在机制、资金、人才以及管理上都普遍 地存在问题，难以形成有效的竞争力【2 】。 由此可见，要实现国内液压挖掘机技术的突破，还需大力发展液压元件设 计生产技术、提高质量与可靠度。近年来随着市场的开发，国内液压元件厂商 在提高自身研发水平的同时，也加快了国外先进液压元件技术的引进以及与高 校的联合研究，并取得了一些成果。 此外，挖掘机高效作业的同时，伴随着大功率、高能耗。在能源日益昂贵 与紧张、环境保护越发深于到人心的时代，对挖掘机节能减排以及提高效率、 降低噪声的要求也越发地迫切和深入。同时，对挖掘机液压系统采用节能控制， 不仅可以提高燃油利用率，而且可以降低一系列的成本。资料显示，工程机械 将近4 0 的故障来自液压系统，l5 左右的故障来自发动机【3 】。采用节能技术， 可以提高发动机功率的吸收效率，减少液压系统功率损失与发热；使动力系统 与负载所需功率更好地匹配，降低了发动机和液压元件的工作强度，提高了设 备寿命与可靠性。 本文分析和讨论的轴向柱塞泵总功率及负流量控制可以有效地防止发动 机过载和提高发动机与泵的效率，已经广泛地应用于液压挖掘机。文中叙述了 总功率以及负流量控制原理，推导基于压力一流量求解载荷柱塞、平衡弹簧以 及连杆机构参数的方程组。应用a m e s i m 模型仿真了控制系统的阶跃响应， 分析和比较了不同参数对应的系统的动态特性，仿真和比较了换向阀阀芯位移 以及伺服柱塞速度与公式计算的偏差。为总功率与负流量控制机构的分析设计 起到借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 自2 0 世纪5 0 6 0 年代液压挖掘机诞生以来，由于加工技术和加工精度的 限制，液压元件以及挖掘机的稳定性和可靠性都存在很大的问题。由于定量泵 和定量马达结构简单可靠、加工容易、价格低廉，而且流量恒定便于控制。因 此，早期的液压挖掘机基本上采用定量泵一定量马达这种结构的液压系统。但 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 是在定量系统中，由于流量固定，当外载荷小时，不能增大流量，提高作业速 度，功率不能被充分利用；当外负载大时，又不能减小流量，提高转矩以克服 尖峰负载。因此，为了保证主机正常工作，定量系统的发动机功率主要根据最 大外负载和正常作业速度来设计。在般情况下，发动机功率有很大的贮备， 但挖掘机正常作业时，平均外负载只有最大负载的5 0 - 6 0 ，也就是发动机 功率实际上只利用了5 0 6 0 t 4 | 。 由于定量泵的流量恒定，因此有很大的节流以及溢流损失。造成了液压系 统效率低下，不仅浪费了大量的能源、减低了挖掘机的经济效益，还产生大量 热量，使液压系统温度升高，降低了液压油的粘度。在增大了系统泄露的同时， 加快了密封圈老化的速度，增加了密封圈脱落物以及外物进入系统的可能性 1 3 】，在一定程度上影响了系统的正常工作。因此现有的液压挖掘机一般不常用 定量泵一定量马达系统。 自2 0 世纪8 0 年代，由于液压设计、生产技术的进步和变量泵液压系统的 需求，基于变量泵构成的液压系统和各种功率、流量控制方式开始得到广泛应 用。相对于定量泵系统，变量泵可以通过调节斜盘的倾角来改变泵的排量，使 泵的流量输出与负载相匹配：当负载压力低时变量泵增大流量输出，提高负载 的运动速度以提高工作效率；当负载压力高时变量泵降低流量输出以克服峰值 扭矩，从而保护发动机防止发动机过载熄火。相对于定量系统，变量泵大大提 高了系统的效率以及抗过载能力。下图l l 为两个简单的定量泵系统和变量 泵系统，由能量输出与吸收图可以对比得出两个系统中变量泵系统效率要明显 地高于定量泵系统。 a )b ) a 一定量泵系统；b 一变量泵系统 图1 1 定量泵系统与变量泵系统简易模型 i l i i j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 变量泵液压系统明显地提高了挖掘机效率，得到了企业和市场的认可。并 针对挖掘机不同应用类型发展和设计出多种功率和流量控制方法，其中总功率 控制、负流量控制已经广泛地应用于小型挖掘机。 p p m o x o p a )b ) a 一定量系统：b 一变量系统 图l 一2 定量系统与变量系统能量利用示意图 1 2 1 恒功率控制 2 0 世纪6 0 年代，液压挖掘机开始应用恒功率变量泵。目的是既能充分利 用柴油机功率，又不会使柴油机过载。针对挖掘机作业循环中的各种动作，以 往挖掘机普遍采用了双泵双回路系统，以提高复合动作的准确性【3 】。恒功率控 制由最初简单的单泵控制发展到双泵控制，并且出现了不同性能的控制结构形 式。下面为各种不同类型的恒功控制。 ( 1 ) 全功率控制 全功率液压泵由双泵组成，如图l 一3 所示。两个泵的排量靠机械或液压 机构保持一致，任何情况下双泵的流量都相同。其优点在于：( 1 ) 能够在一定 条件下充分利用发动机功率；( 2 ) 两个泵各自都能够吸收l0 0 的发动机功率， 提高了工作装置的作业能力；( 3 ) 结构简单【3 1 。由于两个系统的排量保持一致， 可以使两个需要同步的动作保持一致。但是当挖掘机做单一地动作时，泵就会 输出多余的流量，使系统存在溢流损失，造成系统发热和功率损失”】。因此， 全功率控制已经不应用于中大型液压挖掘机。 ( 2 ) 分功率控制 分功率控制泵由两个排量和控制结构完全相同的泵串联组成。两个泵都可 以实现恒功率控制，并且最多可以吸收发动机5 0 的额定功率。在挖掘机中串 联双泵分别向两条液压回路供油：其中一个泵向斗杆、回转马达以及左侧行走 马达供油，另一个泵向动臂、铲斗、右侧行走以及辅助元件供油。分功率控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的优点在于，两个泵的流量可以根据各自回路的负载单独变化，对负载的适应 性由于全功率控制。缺点在于，由于每一个泵最多只能吸收发动机5 0 的功率， 因此，当其中一个泵负载压力低于调压力时，另一个泵却不能吸收剩余的功率， 从而不能充分地利用发动机功率。 图l 一3 全功率控制原理不意图 ( 3 ) 交叉功率控制 交叉功率控制原理如图l 一4 所示。交叉功率控制是在全功率控制以及分 功率控制基础之上发展起来的，交叉功率控制在原理上仍是全功率控制，但是 每个泵的流量可以不同。交叉功率控制为两台排量和控制机构完全相同的泵串 联组成。因此交叉功率控制能够像分功率系统，每一台泵可以独立控制各自的 回路。同时两台泵又可以交叉控制。通过交叉联接控制，工作压力经过测量阀 芯作用在另一个泵上，并调整用于设定功率点的弹簧力。随着压力的升高，每 台泵的功率减少到总功率的5 0 。如果其中一台泵需要很小或不需要功率时， 则另一台泵自动的吸收剩余出来的功率，从而l0 0 的利用发动机功率【6 】。因 此，交叉功率控制既能像全功率控制一样吸收发动机全部功率，又可以像分功 率控制可以依据回路的负载压力实现对各自回路的独立控制，从而充分利用发 动机功率。 交叉功率控制相对于全功率控制以及分功率控制，它提高了低负载回路对 实际负载功率的适应性，使发动机功率的利用率进一步提高。采用交叉功率控 制双泵之间功率的动态分配更适合于中大型液压挖掘机，避免了双泵流量相等 所造成的缺陷，充分利用了发动机的功率，提高了挖掘机的作业效率【5 】。但是 交叉功率控制与全功率控制一样，泵的工作点被限制在有限的几条双曲线上， 从而限制了工作点与发动机的匹配范围，不能吸收发动机全部的功率，同样地 存在功率损失。因此，交叉功率控制通常与其他控制方式相结合 3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 4 交叉功率控制原理不意图 上面介绍了国外几种应用于液压挖掘机泵的恒功率控制方式。为实现恒功 率控制，就必须使回路的负载压力和泵的流量输出满足户q = c 的双曲线关系。 实现泵的双曲线功率输出，有不同的原理和结构。下面介绍国外出现的几种恒 功率控制实现方法。 泵恒功率控制机构按照控制力划分有两大类：( 1 ) 液压力一弹簧力平衡方 式；( 2 ) 电磁力一弹簧力平衡方式。这两种类型按照力平衡方式，液压力一弹 簧力平衡方式又可以分为：( 1 ) 直接位移反馈式；( 2 ) 位移一力反馈式；( 3 ) 压力、位移反馈式；( 4 ) 位移一力矩反馈式。电磁力一弹簧力平衡方式也可以 划分为：( 1 ) 电液比例排量控制+ 恒功率控制器；( 2 ) 电液比例负载敏感控制 器+ 恒功率控制器；( 3 ) 电液比例压力控制+ 恒功率控制器【_ 7 1 。这七种控制方 式各有不同的动静态特性和优缺点，本文讨论的总功率控制采用直接位移反馈 式的液压力一弹簧力平衡控制方式。从当前生产技术、元件的可靠性考虑，电 磁力一弹簧力平衡方式是不及液压力一弹簧力平衡方式控制机构可靠。挖掘机 工作环境恶劣，温差大而且多尘土，并且负载快速剧烈变化导致的振动，对元 件和系统提出了很高的可靠性和耐用性要求。所以，挖掘机多采用液压力一弹 簧力平衡方式的恒功率控制机构，而电磁力一弹簧力平衡方式多应用于如注塑 机等处于相对温和稳定工作环境中的液压系统。随着技术的进步和元件可靠性 的提高，这种控制方式也将越来越多地应用于挖掘机等工程机械。液压力一弹 簧力平衡控制方式原理示意图如下所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 c ) a 一直接位移反馈：b 一位移一力矩反馈； 1 2 2 负流量控制 b ) d ) c 一位移一力反馈；d 一压力、位移反馈 图1 5 液压力一弹簧力恒功率控制示意图 负流量控制是一种负荷敏感控制系统，由小松公司2 0 世纪8 0 年代初率先 推出，用于其著名的p c 系列挖掘机上，称为o l s s ( o p e nc e n t e rl o a ds e n s i n g s y s t e m ) 系统。这种系统有助于消除六通多路阀产生的空流损失和节流损失p 】。 下图l 一6 为负流量控制原理示意图。 如图所示，负流量控制主要由带有旁路压力检测单元的多路阀、负流量控 制变量泵组成。压力检测单元为一个与溢流阀并联的阻尼孔，阻尼孔与油箱连 通。因此，负流量控制压力即为阻尼孔的压差。由阻尼孔流量计算公式有t q = c a p 。对于结构确定的阻尼孔，其流量公式系数c 近似为常数，流量与压 差成比例关系。旁路压力检测单元与负载回路相并联，泵的输出流量等于旁路 流量与负载流量之和。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 压力j 味惮元 = = = = = = = 妇腰垒压西葑五二 主泵k 3 v 1 1 2 d t = = = ：= = j = _ 二一负澹雌翻 图1 6 负流量控制原理图 当负载运动速度减低时，则流向负载的流量减小。由流量连续性定理可知， 流向旁路的流量增加。由阻尼孔流量公式可知，此时旁路检测单元f r 输出的 压力异增大。负流量控制信号异控制泵的负流量控制机构推动斜盘，使斜盘倾 角变小从而使泵的输出流量减小，以减小多路阀的溢流损失。相反地，当负载 运动速度增大时，则流向负载的流量增加，压力检测单元流量降低，检测压力 只减小，控制机构使斜盘倾角增大，泵的流量输出增大以提高作业速度和效率。 从而由负载的运动速度来调节泵的流量输出以实现节能提效。这种控制方式己 被市场上主要的挖掘机生产商如日立、小松、卡特彼勒以及主要的液压元件生 产商如力士乐、川崎等广泛生产和使用。下图1 7 ( a ) 为负流量控制的压力一 流量曲线。 q 蕞犬髓 q 最大赶 糯女撇青p i 撇者 曩艋女p i a )b ) a 一负流量控制p q 曲线；b 一正流量控制p q 曲线 图1 7 正负流量控制尸一q 曲线 一 一 夤 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 3 其他控制方式 除了恒功率控制与负流量控制，针对不同功率大小以及使用领域的挖掘 机，近年来还出现了一些其他被广泛使用的控制方式。 ( 1 ) 正流量控制 正流量控制于2 0 世纪7 0 - 8 0 年代开始应用于液压挖掘机。与负流量控制 类似，采用容积调速代替定量系统中的节流调速，以提高系统的效率。不同的 是，当正流量控制中的先导控制压力增大时，泵的斜盘倾角增大，泵的输出流 量增加；相反地，先导控制压力减小时，泵的输出流量减小。正流量控制系统 通常用三位六通多路阀，如日立建机的e x 4 0 0 液压挖掘机，其先导控制压力 由操作手柄引出。当操作手柄处于中位时，先导压力为零，此时泵的输出流量 为零；当手柄有操作时，先导控制压力随手柄位移增大，此时系统的输出流量 增大。如图1 7 ( b ) 所示。挖掘机的流量输出与手柄操作成比例，因此可以有 效的减少溢流损失。由正流量控制的尸q 曲线可知，泵的输出功率随操作手柄 位移增大而增大，因此在无操作或小位移时可以有效节省能源，尤其在中大型 等大功率挖掘机上。但梭阀组的存在一直是正流量控制系统中的不足，不但增 加了系统的复杂性，而且还影响了系统的响应速度【3 】。同时，正流量控制因为 有较好的特性而被国内外厂商广泛的研究与应用。我国第一台国产正流量控制 液压挖掘机于2 0 0 9 年在三一重工集团诞生。 ( 2 ) 负荷敏感控制 负荷敏感控制就是通过检测负载大小，在满足负载驱动所需的压力条件下 使泵的输出压力以及流量与负载运动速度自动相适应，最大可能的提高系统的 效率。早在2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代负荷敏感控制就应用于类似挖掘机的行走式工 程机械，直到19 8 8 年才在欧洲真正应用于液压挖掘机。进入9 0 年代后，日本 也开始对这方面加以研究，并推出了一系列相应的产品，如小松p c 2 0 0 6 、 日立建机e x 2 0 0 2 等。负荷敏感通过梭阀检测系统最高负载压力，为保证正 常工作，泵的输出压力与最高的负载压力相适应，即负荷传感只在最高负载回 路上起作用，对其它负载压力较低的回路采用压力补偿，以使阀口压差继续保 持定值。当阀口开度过大使系统要求的流量超出泵的输出流量时，最高负载回 路上的执行元件速度将会降低直至停止，使挖掘机动作失去协调性【l 】。为解决 这一问题，在多路阀后加流量分配型压力补偿阀，该补偿阀是基于比例溢流阀 原理的定差式减压阀。系统最高负载压力传递给所有的压力补偿阀，使多路阀 所有的输出压力都限定在统一的最高压力之下，从而使多路阀的各阀口压差相 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 等。因此即使泵的输出流量不足，无法维持多路阀上正常的负荷敏感压差，但 在溢流型压力补偿阀的作用下仍然可以使各个阀口压差保持一致。此时，虽然 各个执行机构的运动速度降低，但是各运动速度的比例关系保持不变。典型的 负荷敏感产品有l i n d e r 公司的v w 系列同步阀和r e x r o t h 公司的l u v d 阀， 以及日立建机与小松公司的部分挖掘机3 1 。 1 2 4 发展趋势 自液压挖掘机诞生以来，液压系统由定量系统发展到变量系统，并且在变 量系统上又出现了不同类型的功率与流量控制。在倡导节能环保、高效的今天， 可以预见液压挖掘机在节能环保的方向上还有很长的路要走。下面简单介绍一 些企业的研究和发展方向【3 j ： ( 1 ) 电液比例技术。可以对挖掘机精细、快速、多样化控制；( 2 ) 泵一 发动机匹配技术。发动机与泵成为一体，控制器依据挖掘机的工作状况自动调 整发动机与泵，在满足正常作业的同时实现两者的最佳匹配；( 3 ) 可变参数控 制。挖掘机控制元件的参数将依据工作状况和环境进行调整，使挖掘机参数能 够广泛地适应不同的工作环境；( 4 ) 现场总线技术和嵌入式设备。将来的挖掘 机将拥有更多通过现场总线连接的电子控制元件和完善的传感器。实现对挖掘 机的智能控制、状态检测以及故障预警和诊断；( 5 ) 完善负荷敏感等现有技术。 负荷敏感因为其良好的节能效果和操作性能得到了市场和客户的赞誉。随着比 例分配阀的出现将得到进一步完善；( 6 ) 多种控制方法组合。由于各种控制方 法自身的缺陷，只用一种方法对泵的功率以及流量进行控制难以满足要求，现 有很多挖掘机都采用两种或两种以上的控制方法对泵进行控制。 1 3 研究内容与目标 本文以挖掘机等工程机械用液压泵直接位移反馈总功率以及负流量控制 机构为研究对象。通过对控制机构原理分析，推导得出控制机构的数学方程以 及用于求解载荷柱塞、平衡弹簧、连杆机构参数的方程组。在a m e s i m 多学科 仿真软件中，建立液压、机械以及控制相混合的以k 3 v 6 3 为参照设定参数的 仿真模型。利用模型仿真总功率控制在多个压力点下的阶越响应以及载荷柱 塞、平衡弹簧等参数对其动态特性的影响。仿真负流量控制在泵的多个输出压 力点下不同控制压力时的阶越响应，分析负流量控制机构参数对系统动态特性 的影响。对控制机构的换向阀进行分析，比较依据理想反馈计算得出的阀芯位 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 移与仿真得出的存在实时反馈时的位移。对伺服柱塞运动速度的仿真结果与计 算得出的数值进行对比，得出存在反馈时伺服柱塞运动速度与计算间的偏差， 为准确设计计算伺服柱塞以及换向阀的最大流量提供依据。仿真伺服柱塞大腔 控制压力对泵的动态影响特性的影响。最后分析两种控制方法匹配时机构所需 要满足的条件。 通过论文期间的学习和论文写作，希望论文能够实现以下目标： ( 1 ) 计算控制机构的负载，分析机构的工作原理，得出控制系统的传递函 数，并建立a m e s i m 仿真模型。 ( 2 ) 分析系统的动态响应特性；得出载荷柱塞、换向阀以及伺服柱塞等对 控制系统动态特性的影响。 ( 3 ) 分析并推导出控制结构参数的计算公式和方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章总功率与负流量控制原理分析 本文研究讨论的k 3 v 6 3 泵具有的交叉功率控制是一种良好的串联双泵控 制方法，不仅可以实现总功率控制，又可以实现对双泵单独控制满足各自回路 流量要求，并且任意单泵都可以10 0 吸收发动机功率。在功率控制压力作用 下泵功率曲线平移，从而可以工作在多条功率曲线上以更好的满足作业和匹配 要求。交叉功率控制因为具有良好的控制特性在小型挖掘机液压系统被广泛采 用。交叉功率控制系统中双泵的排量和控制机构完全相同，每个泵功率控制系 统中的载荷柱塞由双泵出口压力共同作用实现总功率控制。文中主要讨论分析 k 3 v 6 3 泵交叉功率控制中的总功率控制，并以任意单泵为研究对象。 总功率控制仅能实现功率控制，因此常常结合负流量控制对泵实现功率与 流量控制。下面首先对总功率与负流量控制结构和原理进行分析，由控制系统 的结构推导出载荷柱塞与伺服柱塞的位移关系，进而导出控制系统压力流量关 系的数学形式，为后面系统分析以及数学模型推导建立基础。 2 1 总功率控制原理 对于液压泵而言，恒功率就是使泵的输出压力和流量的乘积等于常数，即 p q = c ，从而使发动机的输出功率近似为常数，并且当负载压力增大时，降低 泵的输出流量使发动机能够克服峰值扭矩。不仅提高了发动机的抗过载能力， 而且降低了发动机的功率贮备，提高了系统效率。由液压力一弹簧力平衡实现 恒功率控制的基本原理是：泵出口压力作用的载荷柱塞由两个并联的初始作用 位置不同的弹簧平衡。载荷柱塞移动时在两个区间内对应的弹簧有效弹性系数 不同，因此，对于的载荷柱塞的压力一位移折线的斜率不同。再由载荷柱塞控 制动力元件得到两段逼近双曲线的流量输出折线。本文讨论的k 3 v 6 3 直接位 移反馈式总功率控制，载荷柱塞通过连杆机构对执行机构进行控制，其单泵结 构示意图如图2 一l ( a ) 所示。如图所示总功率控制一共有三个泵：一个先导泵、 两个主泵。载荷柱塞由两个主泵的出口压力共同控制。因此任意一个主泵出口 负载压力变化时都能控制两个泵的斜盘倾角变化从而实现总功率控制。 直接位移反馈总功率控制过程为：泵起动时在先导泵压力作用下，控制机 构复位此时斜盘倾角达到最大。双泵的出口压力作用在载荷柱塞上，当压力增 大时载荷柱塞在控制压力的作用下向右运动。通过销钉6 带动伺服连杆5 绕销 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 钉2 逆时针转动。由于伺服柱塞的大腔处于闭死状态，此时伺服柱塞保持位置 不变，因此销钉8 固定。在伺服连杆5 的作用下，通过销钉4 使反馈连杆7 绕 销钉8 顺时针转动。当反馈连杆转动时，通过销钉3 使换向阀的阀芯1 向右运 动。此时换向阀处于左位，伺服柱塞大腔与泵的出口压力相通。在大腔压力作 用下伺服柱塞向右运动，斜盘的倾角变小使泵的流量输出降低，同时伺服柱塞 运动使销钉8 随柱塞向右运动。在载荷柱塞与弹簧的作用下伺服连杆5 及销钉 4 保持不动。销钉8 推动反馈连杆7 绕销钉4 逆时针转动，并由销钉3 推动换 向阀阎芯l 向左运动并关闭阀口。此时伺服柱塞大腔闭死，斜盘位置固定。当 泵的出口压力降低时，控制机构的运动方向相反，泵的斜盘倾角增大。 a 1b 、 1 换向阀芯：5 一伺服连杆7 一反馈连杆：9 伺服柱塞：1 0 载荷柱塞；1 1功率控 制柱塞；1 2 一先导泵；2 、3 、4 、6 、8 一销钉：b 1 、b 2 一主泵 a 一总功率控制单泵结构示意图；b 一变功率原理示意图 图2 1 直接位移反馈总功率控制“1 此外，k 3 v 6 3 泵还可以实现变功率控制。如上图所示先导泵控制压力由电 磁比例减压阀控制后作用在载荷柱塞左侧的功率控制柱塞。再由功率控制柱塞 控制载荷柱塞使斜盘倾角变化。作用在载荷柱塞上的主泵压力不变，当功率控 制压力只增大时泵p q 的曲线左移，泵吸收豹功率减小：功率控制压力减小 时泵豹p q 曲线右移，泵的吸收功率增大。如图2 一t o ) 所示。困此泵能够工 作在一系列的功率曲线上。 载荷柱塞通过连杆机构实现对换向阀控制，伺服柱塞也是由连杆完成对换 向阀的位移反馈。连杆机构对换向阀位移传递以及反馈作用如下图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 a )b )c ) a 一初始位置：b 一打开换向阀；c 一最终位置 图2 2 伺服连杆及反馈连杆运动示意图 总功率控制压力一流量关系、载荷柱塞位移及载荷柱塞与换向阀芯、伺服 柱塞间位移关系是控制系统重要的静态特性，设计泵的功率控制系统时应当保 证满足。下面建立泵总功率控制的压力一流量数学函数。 2 1 1 载荷柱塞 由分析可知，载荷柱塞所受的外负载作用力有：两泵的出e l 压力p 。、p ：， 载荷柱塞的平衡弹簧作用力e 以及功率控制柱塞的作用力。因此，载荷柱塞的 力平衡方程为： p r 4 + p , 4 + p 2 4 = f o + j b 乞 ( 2 1 ) 式中，4 为功率控制压力p ，作用在功率控制柱塞上的有效面积；4 为泵l 出1 ：3