（机械电子工程专业论文）多功能液压挖掘机负载功率匹配研究.pdf

中南大学硕j ：学位论文摘要 摘要 在普通型液压挖掘机连接铲斗的部位安装通用连接器，通过该通 用连接器，用户可根据需要将铲斗更换成特殊工作机构如钻孔机、液 压破碎器等，使液压挖掘机具有钻孔、破碎等多种功能。这种新型的 液压挖掘机称之为多功能液压挖掘机。多功能液压挖掘机与普通型液 压挖掘机类似，也有重载模式、经济模式、轻载模式以及怠速模式这 几种工作模式，其功率参数与挖掘作业工况相适应，当其通用连接器 更换不同工作机构作业时，所需压力、流量及功率有所不同，不能完 全按上述工作模式来工作。为解决该问题，本文以多功能液压挖掘机 泵控系统为研究对象，对其进行了负载功率参数控制，使得不同工况 作业时负载功率参数能实现最佳匹配。主要研究内容如下： 1 提出多功能挖掘机负载功率匹配控制方案。在分析普通型液 压挖掘机功率控制系统的基础上，对多功能液压挖掘机泵控系统进行 了研究，并分别就多功能液压挖掘机多工况以及特定工况下负载功率 匹配进行了分析，提出了多功能液压挖掘机负载功率匹配控制方案。 2 多功能挖掘机泵控系统伺服阀理论研究。伺服阀是负载功率 匹配关键元件，故本文对伺服阀进行了设计与研究，并分析了其静态 特性与动态特性。 3 多功能挖掘机负载功率匹配功率键合图建模研究。应用功率 键合图理论，以多功能挖掘机泵控系统为研究对象，分别就多功能挖 掘机多工况以及特定工况下的作业建立了数学模型。 4 多功能挖掘机负载功率匹配仿真研究。应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，分别就多功能挖掘机多工况以及特定工况作业 进行了仿真，仿真结果表明，所研制的伺服阀能实现不同工况作业时 负载功率参数的匹配；在算法上，运用流量反馈p i d 控制，使泵的输 出流量稳定，以避免不必要的功率损失。 5 实验研究与分析。设计了负载功率匹配实验方案；通过调整 不同实验参数进行实验，分别就多功能挖掘机多工况及特定工况进行 了负载功率匹配实验，验证了本实验方案的可行性。通过实验测试表 明，实验结果与预期一致，达到预期目的。 关键词多功能挖掘机，泵控系统，功率键合图，负载功率匹配 中南大学硕士学位论文a b s l 融( j r h y d r a u l i cc o n n e c t o ri si n s t a l l e da tt h ep a r to fc o n n e c t i n gb u c k e ti n t h ec o m m o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r t h r o u g ht h eh y d r a u l i cc o n n e c t o r ，u s e r s c a nc h a n g eb u c k e ti n t os p e c i a lt o o l ss u c ha sd r i l ls t e ma n dh y d r a u l i c k n a p p e ra sr e q u i r e m e n t ，m a k et h ee x c a v a t o rh a v ec a p a b i l i t i e so fd r i u i n g a n df r a g m e n t a t i o n w ec a l l t h i sn e wk i n do f h y d r a u l i ce x c a v a t o r m u l t i f u n c t i o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r j u s tl i k ec o m m o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r , m u l t i - f u n c t i o n h y d r a u l i c e x c a v a t o ra l s oh a s h e a v y - l o a d - m o d e l ， e c o n o m i c l o a dm o d e l ，l i g h t l o a dm o d e la n di d l em o d e l ，a n di t sp o w e r p a r a m e t e r sa r eo n l ys u i t a b l ef o re x c a v a t i n g w h e nw ec h a n g ed i f f e r e n t t o o l sa tt h eh y d r a u l i cc o n n e c t o r , r e q u i r e dp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n dp o w e r a r ed i f f e r e n t t h e r e f o r e ，w ec a n n o tc o m p l e t e l ym a k et h em u l t i f u n c t i o n h y d r a u l i ce x c a v a t o rw o r ka c c o r d i n gt ot h ea b o v em o d e l s i no r d e rt o s c a l et h i sp r o b l e m ，t h ea u t h o rs t u d ym u l t i - f u n c t i o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r s p u m p c o n t r o l l i n gs y s t e m , a n dc o n t r o ll o a d p o w e rp a r a m e t e r s ，m a k es u r e t h el o a d p o w e rp a r a m e t e r sm a t c hb e s ti nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o i 塔 t h em a i ns t u d yi sa sf o l l o w s 1 b r i n gf o r w a r dt h ec o n t r o lp r o j e c ta b o u tl o a d p o w e rm a t c h i n go fa m u l t i - f u n c t i o n h y d r a u l i c e x c a v a t o r o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h e p o w e r - c o n t r o l l i n gs y s t e mo fc o m m o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r , t h i sp a p e r s t u d i e si t s p u m p - c o n t r o l l i n gs y s t e m , a n a l y z e s t h em u l t i - f u n c t i o n h y d r a u l i ce x c a v a t o r sp o w e rm a t c h i n gu n d e rm u l t i p l ec o n d i t i o n sa n d s p e c i a lc o n d i t i o n s ，a n dp r o v i d e st h el o a d p o w e rm a t c h i n gc o n t r o h i n g p r o j e c to fm u l t i f u n c t i o nh y d r a u l i ce x c a v a t o r 2 t h et h e o r e t i c a ls t u d yo fp u m p - c o n t r o l l i n gs y s t e m ss e r v o - v a l v ei n am u l t i f u n c t i o ne x c a v a t o r a ss e r v o - v a l v ei st h ek e yc o m p o n e n to ft h e l o a d p o w e rm a t c h i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n ds t u d i e st h es c r v o - v a l v e ，a n d a n a l y z e si t ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 3 t h ep o w e r - b o n d g r a p hm o d e l i n gs t u d y a b o u t l o a d p o w e r m a t c h i n g o fam u l t i f u n c t i o ne x c a v a t o r t h i s p a d e r e s t a b l i s h e s m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rm u l t i p l ec o n d i t i o n sa n ds p e c i a lc o n d i t i o no fa m u l t i f u n c t i o ne x c a v a t o rb yp o w e r b o n d g r a p ht h e o r ya i m i n g a t t t 中南人学硕学位论文a b s t r a ( j r m u l t i f u n c t i o ne x c a v a t o r sp u m p c o n t r o l l i n gs y s t e m 4 t h es i m u l a t i o ns t u d yo fl o a d - p o w e rm a t c h i n gf o ram u l t i f u n c t i o n e x c a v a t o lt h i sp a p e rm a k e ss i m u l a t i o nf o r m u l t i p l ec o n d i t i o n sa n d s p e c i a lc o n d i t i o no fm u l t i f u n c t i o ne x c a v a t o rs i m u l a t i o nw i t hs o f t w a r eo f m a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed e v e l o p e d s e r v o - v a l v ec a nr e a l i z em a t c ho fl o a d p o w e rp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s i na r i t h m e t i c ，t h i sp a p e ru s e sp i dc o n t r o lo ff l o wr a t e f e e d b a c k ，m a k e st h ef l o wr a t eo u t p u ts t a b l e ，a n da v o i d st h eu n n e c e s s a r y p o w e r l o s s 5 t h ee x p e r i m e n ts t u d ya n da n a l y z i n g t h i s p a p e rd e s i g n s a n e x p e r i m e n t a lp r o j e c to fl o a d p o w e rm a t c h i n g ，a n dm a k e se x p e r i m e n to f l o a d p o w e rm a t c h i n gu n d e rm u l t i p l ec o n d i t i o n sa n ds p e c i a lc o n d i t i o nb y m o d i f y i n gd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，a n dt h er e s u l t sp r o v et h e e x p e r i m e n tp r o j e c ti sa v a i l a b l e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti st h es a m et ot h e a n t i c i p a n tr e s u l t a f t e r e x p e r i m e n t a lt e s t ，a n d i tr e a c h e st h ea n t i c i p a n t p u r p o s e k e yw o r d sm u l t i f u n c t i o n e x c a v a t o r , p u m p c o n t r o l l i n gs y s t e m ， p o w e r b o n dg r a p h ，l o a d p o w e rm a t c h i n g 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： e l 期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者繇一导师签名碰 年狗日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着科学技术的发展和工程实际的需要，近些年来液压挖掘机有向多功能化 发展的趋势。这种液压挖掘机是在普通型液压挖掘机连接铲斗的部位安装通用连 接器，通过该通用连接器，用户可根据需要将铲斗更换成特殊工作机构如钻孔机、 液压挖坑器、液压破碎器、液压振动平板夯等，使液压挖掘机具有钻孔、挖掘、 装载、破碎、平地、夯实、埋管施工等多种功能。这种新型的液压挖掘机称之为 多功能液压挖掘机。多功能液压挖掘机体积小、重量轻、操作简便、适应性强、 发展前景广阔，具有大中型挖掘机械不可替代的优势。 普通型液压挖掘机为适应挖掘作业的需要，有重载模式、经济模式、轻载模 式以及怠速模式这几种工作模式1 1 1 ，其功率参数与挖掘作业工况相适应。而多功 能液压挖掘机的液压、电气控制系统与普通型液压挖掘机一致，但其通用连接器 更换其它工作机构( 如钻孔机等) 作业时，所需功率参数与挖掘作业工况不同， 因而不能完全按上述工作模式来工作，否则会出现功率匹配不合理，导致不必要 的功率浪费。倘若多功能液压挖掘机泵与负载的功率匹配合理，则可以很大地提 高能源利用效率。因此，为了使多功能液压挖掘机更换不同工作机构作业时，既 能满足工况要求，又能实现功率匹配，需要对其泵与负载的功率匹配控制进行研 究。 1 2 研究目的、意义 多功能液压挖掘机体积小，重量轻，操作简便，适应性强，发展前景广阔， 具有大中型挖掘机械不可替代的优势i z l 。对于用户来说，投资一台多功能挖掘机， 等于拥有了数台不同功能的设备施工能力，减少了设备闲置时间，拓宽了增效的 领域，提高了创造财富的效率，所产生的经济和社会效益是其他同类产品无法比 拟的。 多功能挖掘机集多种功能于一身，具有普通挖掘机不可替代的优点。但由于 多功能液压挖掘机的液压、电气控制系统与普通型液压挖掘机一致，而普通型液 压挖掘机功率参数与挖掘作业工况相适应；当多功能液压挖掘机通用连接器更换 其它工作机构( 如钻孔机等) 作业时，所需功率参数与挖掘作业工况不同，因此 必须对其进行相应功率控制，以实现功率匹配，提高能量的利用率。众所周知， 挖掘机能量的总利用率还是很低，只有2 0 左右1 3 】o 可以预见，巨大的能量损失 1 中南人学硕 学位论文 第章绪论 使节能技术成为衡量多功能液压挖掘机先进性的重要指标。与此同时，由于世界 能源危机及人们对环保的日益重视，也迫切需要研究与开发多功能液压挖掘机的 功率控制技术。有资料表明，工程机械将近4 0 的故障来自液压系统。采用功率 控制技术后，可减少液压系统功率损失，使动力系统与负载所需功率更好的匹配， 这样可降低液压元件工作强度，提高设备使用时的可靠性。系统功率控制效果不 理想时，主要表现为系统严重发热，有的甚至高达8 0 。c 以上，严重影响系统的 可靠性，进而造成维修费用增加、误工损失等，使用户难以承受。由此可见，多 功能挖掘机的功率控制研究有其必要性与经济价值。 国内外对挖掘机功率匹配与控制已经作了很多研究，不过多是针对挖掘机挖 掘作业展开的，对破碎、钻孔、夯实等工况作业的功率匹配研究则很少，不能适 应多功能挖掘机刁：同工作机构作业时的功率匹配要求，有必要就多功能挖掘机负 载功率匹配进行特别研究。因此，本文主要针对多功能挖掘机的功率匹配与控制 展开，重点研究多功能挖掘机泵与负载的功率匹配与控制，这对于提高多功能挖 掘机作业时的能源利用效率具有重要的理论意义和现实意义。 1 3 国外挖掘机功率匹配控制研究现状 多功能液压挖掘机是适应普通型液压挖掘机多功能化作业发展起来的，其液 压、电气等控制系统与普通型液压挖掘机类似，而普通型液压挖掘机功率匹配控 制比较成熟，故本文以普通型液压挖掘机功率匹配控制研究现状为例，介绍普通 型液压挖掘机功率匹配控制，这对多功能液压挖掘机功率匹配控制有很大借鉴意 义。挖掘机功率匹配控制，在国外经历了两个阶段：2 0 世纪8 0 年代以前，世界 各大挖掘机生产公司主要采用非电子功率控制技术实现功率匹配：2 0 世界8 0 年 代后期，国外各大挖掘机生产公司均纷纷采用电子功率控制技术实现功率匹配。 而且它们大多集中在应用在全液压挖掘机的发动机与液压系统的功率匹配控制 i - 【4 1 。 1 非电子功率控制装置 非电子功率控制装置主要是通过液压系统自身压力，由各种液压阀控制以调 整泵的变量摆角。根据控制形式的不同，可分为功率控制系统、流量控制系统和 组合控制系统三大类。其中组合控制系统是功率控制和流量控制的组合控制，在 液压挖掘机上应用最多i 引。 下面以交叉功率传感控制系统为例，介绍非电子功率控制。交叉功率传感控 制系统将全功率和总功率系统的优点结合了起来，既能充分利用发动机功率，又 可以根据每个泵各自的工况需求提供不同的流量1 6 。工作原理如图1 - 1 所示。 ， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 功率交叉控制系统是在分功率控制系统的基础上增加了一个压力测量滑阀， 由另一个泵的压力油作用于压力测量滑阀，通过压缩弹簧而产生一个附加力 作用于平衡杠杆。杠杆平衡时 m l mh + m 嗽、 m 附= cl 由分功率控制系统可知 ( 1 - 1 ) m h 一厂( p ，窜) - m , 一 ，附- m ，一f 附c ( 1 - 2 ) 式中：j l c 调压弹簧弹簧力在平衡杠杆上产生的恒定力矩，m 。压力感 应活塞施加给杠杆的力矩，m 附，f 附压力测量滑阀压缩弹簧而产生 的作用于平衡杠杆的附加力，c 杠杆支点至调压弹簧中心线的距离，p 一 一泵的工作压力，鼋泵的排量。 通过调压弹簧将m 。 按1 0 0 的总功率进行调 定，则当另一个泵的压力 等于零时，一0 ， f 附c = 0 ，m 。- m , ，即此 时这个泵可以按1 0 0 的 总功率进行调节。当其中 一只泵的输出压力在零到 最小起调压力之问变化 时，其排量始终处在最大 位置，对发动机功率的吸 收在0 到5 0 之问变 化，另一只泵吸收发动机 功率则在5 0 到1 0 0 之间变化。通过这样的功 率交叉控制，如果一个泵 的功率达不到5 0 的总 功率时，余下的功率就可 被另一个泵完全吸收利用 【5 】。 以上是功率交叉控制 图1 - 1 交叉功率传感控制系统 力襁匾滑阀 中南大学硕。f 学位论文 第一章绪论 系统的工作原理。这儿有必要说明，上文提到的三种控制系统，无论是功率控制 系统，流量控制系统，还是组合控制系统，它们自身都有一些缺陷【7 】o 它们均为 纯机械或液压的，给主机的安装、布置带来了麻烦和困难；况且，它们的控制精 度也较低。目前，这几种控制方式的液压挖掘机在国内和一些不发达的国家仍然 占据一部分市场份额。但是，在欧、美等发达国家已经逐步被电子控制的新型液 压挖掘机所取代。 2 电子功率控制装置 2 0 世纪8 0 年代末，由于世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅 速提高，电子功率控制装置纷纷被采用，出现了一系列电子功率控制以及低噪声、 低排放的全液压挖掘机1 8 】1 9 】f 1 0 1 。该阶段电子功率控制的研究主要围绕两个方面展 开：一方面主要是单独研究发动机、变量泵、马达及各种控制阀等挖掘机重要部 件，例如将机械调速器改为电子调速器，使发动机燃油喷射更合理、更经济：将 各种液压元件由以前的液压控制、机械控制改为电子控制，使其可靠性及精度得 到提高。另一方面主要是将液压挖掘机的动力系统( 如发动机) 与液压系统( 如 变量泵、马达及各种控制阀) 作为整体来考虑，研究发动机变量泵一负载三者 之间的功率匹配关系，使发动机的功率输出更合理，这样便可使挖掘机的燃油消 耗得到降低，劳动生产率也可得到提高【1 1 l 。国外在上述两方面研究已取得很大进 展，下面分别就国外在发动机电子功率控制、变量泵电子功率控制以及发动机一 变量泵一负载三者之间功率匹配的电子功率控制的研究现状做详细介绍。 1 ) 发动机的电子功率控制 发动机的电子功率控制，主要是针对发动机转速进行控制。柴油机控制的目 的，是通过控制柴油机油门开度的大小来调节柴油机的输出转速【1 2 】【1 3 l 【1 4 】。常用 的控制形式有三种：第一种是借助普通电磁阀和液压缸来控制发动机的油门开 度，第二种是借助步进电机或商线位移电磁铁来控制发动机油门开度，第三种是 借助发动机电子调速器来控制发动机油门开度【4 j 。其中，第二种控制形式目前应 用的最多，它是通过电位计发出信号输入控制器，经过控制器综合分析后发出指 令来控制电机，这样便可调节油门转角，从而实现油门开度的调节。 下面以国外具有代表意义的发动机电子功率控制系统一一康明斯公司 ( c u m m i n s ) 新开发的发动机电子调速器( 转速感应控制器) 为例，介绍发动机 的电子功率控制，其原理见图1 2 1 5 l 。它采用控制器( 微机) 对发动机燃料系统 进行控制，能达到高性能和低成本的日的。其原理是：根据柴油机实际转速n 。、 齿条位移( 油门开度) 和柴油机目标转速n ，经发动机控制器演算分析后，确定 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 齿条位移目标值r ，由可动线圈调节齿条位置，使达到齿条位移目标值r 。因 一定的齿条位移对应着一定的柴油机转速，所以可达到柴油机目标回转速度m ， 从而达到高性能和低成本的目的。 图1 - 2 新一代发动机电子调速器原理 2 ) 变量泵的电子功率控制 变量泵的电子功率控 制，主要是及时有效的调控 泵的排量，以适应外负载的 要求，同时充分利用发动机 的功率。变量泵的电子功率 控制系统，可分为三种情形 【1 5 】；( 1 ) 功率控制系统泵 的驱动速度恒定时，功率控 制实质就是扭矩控制：扭矩 不变时是恒功率控制，扭矩 变化时是变功率控制。这类 功率控制主要包括分功率控 制、总功率控制、功率交叉 控制、压力切断控制及变功 率控制等等。( 2 ) 流量控制 系统。泵的驱动速度恒定时， 流量控制实质就是泵的排 1 带变功率结构a 1 1 v o 泵体2 泵控制调节 装置3 l e 2 恒功率调节阀4 恒功率调节 弹簧5 比例电磁铁6 调节响应时间单向 截流阀7 s 2 负荷传感阀8 a p 值调节弹簧 9 比例电磁铁 图卜3a 1 1 v o l e 2 s 2 变量泵系统原理图 s 中南大学硕士学位论支 第一章绪论 量控制。这类流量控制主要包括手动流量控制、正流量控制、负流量控制、负荷 传感控制等等。( 3 ) 组合控制系统。目前国外厂家大都采用组合控制系统，这类 控制是将上述功率控制与流量控制进行组合，从而对泵进行及时控制。 变量泵的电子功率控制方面，目前国外大多数采用了电液比例阀的方式来调 节泵的排量。以博世力士乐公司的a i i v ol e 2 s 2 斜盘式变量泵为例，该泵采用 了变功率变量机构及负载传感阀，其变量泵系统原理图如图1 - 3 所示【1 1 l 。通过改 变作用在油泵控制调节装置的控制电流大小来调节泵吸收功率；同时还可以通过 改变负载传感阀压差ap 的大小来调节同一阀芯开度时流量的大小，从而调节了 作业速度的的快慢。 3 ) 发动机变量泵负载三者之间功率匹配的电子功率控制 发动机变量泵负载三者之间功率匹配的电子功率控制，其方法是先 根据工况要求将发动机油门调节在某一档位上，然后通过调节变量泵的排量实现 功率匹配1 1 6 1 。这种电子功率控制有两种实现途径：第一种途径，根据负载要求， 将柴油机调速拉杆调节在几个特定位置，并相应调节变量泵的吸收扭矩，使柴油 机稳定的运行在标定或经济工作点上。第二种途径，结合发动机的转速，借助转 速感应控制，直接控制变量泵的吸收功率。 这类电子控制技术，派生了许多分支技术，如分工况控制、转速感应控制、 发动机与变量泵相互控制、变量泵与负载的匹配控制、电子负载传感控制等，这 些控制方式在大多数国外机型中己被应用。 发动机与变量泵功率匹配控制方面，比较典型的是日立建机的e l l e 系统 ( e l e c t r i c l o a d - - s e n s i n ge x c a v a t i o ns y s t e m ) ，它同时控制发动机和变量泵【1 8 1 。该 系统具有三个特点：自动减速功能：当操作者停止任何操作3 巧s 之后，系统 动作自动减速，油门回到较小位置；根据负载的情况，由人给定作业模式一轻 载、正常、重载模式，自动调节油门开度和泵的排量，通过发动机油门一变量泵 的综合调节，使液压泵的输入功率等于发动机的输出功率。同时，使发动机在最 佳工作点工作。采用中位闭式主滑阀，当负载压力增高时，使主阀前后的压差 保持不变。这意味着即使挖掘时负载变化，当操作手柄位置不变时，液压缸的移 动速度不变，从而改善了操作性。 变鼍泵与负载功率匹配控制方面，比较典型的是小松公司的e o l s s ( e l e c t r i c a l o p e n c e n t e r l o a d s e n s o r s y s t e m ) 子系统，它是开式中心负荷传感系 统，主要通过控制斜盘式变量柱塞泵旋转斜盘的倾角来减少燃油的消耗，其原理 如图1 4 所示。作业时，系统根据负载变化，对变量泵流量作相应的调节，使 换向阀节流点前后的压差保持不变，即泵的压力总是等于负荷压力与此节流压差 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 之和，从而使泵的流量始终与换向阀上的调节流量需求相适应，实现泵与负载的 功率匹配【1 9 1 。 图1 4 小松e o i , s s 系统 发动机变量泵负载三者之间功率匹配控制方面，比较典型的是 c i s s 系统液压挖掘机，它是综合泵与负载的匹配控制、泵与发动机的匹配控制 及自动减速控制为一体的最佳功率节能控制系统。该系统通过负载传感l s 阀检 测负载并控制主泵的流量，实现泵与负载的匹配控制；设置五种作业方式，可以 选择最合适的发动机扭矩和泵吸收扭矩以适合于工作性质，调节器和泵控制器， 根据为每种方式所设定的泵吸收扭矩，通过燃油控制表盘，检测出发动机的实际 速度和由发动机调节器所设定的速度，并进行控制，使得泵能把发动机每个输出 点的扭矩全部都吸收过来，达到泵与发动机的匹配控制的目的；当机器在等待工 作或在等待翻斗车时，如果所有的控制杆都在空档位置，发动机速度就会自动降 低到中速，以减少燃油消耗和噪声，如果有任何一根控制杆受到操作，发动机速 度立即就返回到设定速度【1 9 1 。 1 4 国内挖掘机功率匹配控制研究现状 我国从1 9 6 7 年开始研制液压挖掘机1 2 0 1 2 ，由于受配套件如柴油机、液压 件以及企业自身各种条件的影响，挖掘机的质量和技术未能达到应有的水平。到 7 中南大学顾 。学位论文第一章绪论 了8 0 年代仞，国内几个主要挖掘机主机厂先后引进了当时国际上比较先进的液 压挖掘机制造技术，主要是德国的利勃海尔( l i e b h e r r ) 、德玛克( d e m a g ) 和奥加 凯( o & k ) 公司的产品，同时，从德国力士乐公司引进了一批液压件生产技术。 通过消化、吸收和移植，使国产挖掘机的产品性能指标达到国际2 0 世纪8 0 年代 初的水平。2 0 世纪9 0 年代初，我国挖掘机行业经历了一个重要的发展阶段， 但目前从国内产品来看，其性能指标大部分仍只能达到国际2 0 世界8 0 年代水平。 更令人遗憾的是，国内对柴油发动机、主液压泵、马达及多路换向阀等挖掘机的 主要配套件上，无论在技术难点还是在生产工艺及制造水平上都没有实质性的提 高，致使这些关键配套件的品种和质量( 主要是工作可靠性) 不能完全满足主机 的需要i 捌。 因此，国内大多数厂家为了提高液压挖掘机的性能，从以下两个方面做了努 力：( 1 ) 它们与国外合资，比较著名的有烟台大宇、常州现代、合肥日立、成都 神钢、徐州卡特等，这些企业都拥有先进的技术，但关键技术却在外商手里，难 以国产化。( 2 ) 它们引进国外先进的液压元件、液压系统及电控节能控制系统 来提高国产挖掘机品质。如三一重工公司生产的挖掘机采用了林德公司的负荷传 感同步( l s c ) 控制系统，该系统为闭中心负荷传感系统，因液压泵只向各执行 机构提供其需要的流量，因而没有溢流损失：复合动作时，各个执行机构动作互 不干扰，可操作性好；该系统还集成了电子控制功能，根据作业工况，可实现对 柴油机油门、液压泵的排量的电子控制。该系统是目前国产挖掘机功率控制节能 技术很先进的配置，遗憾的是整个系统都是从国外进口的，因此在关键技术上仍 受到国外的封锁。 与此同时，国内一些科研院校和液压挖掘机生产厂家也进行了很多的自主研 发工作，并取得了一些成果。比如，上海铁道大学的宋又廉、张谦等人瞄】提出 了一种能感受负载的功率控制节能液压系统，该系统能时刻根据负载情况调整泵 的压力和流量，使油泵流量恰好满足负载变化要求，而油压仅比负载压力略高一 个较小值，达到降低液压系统能量损失的目的；浙江大学与长江挖掘机厂合作开 发的集远程无线遥控、故障监控、节能控制于一体的实用化液压挖掘机，已从原 理上进行了实验；吉林大学机械学院在赵丁选教授的带领下，将发动机、变量泵、 阀和负载作为一个整体进行了研究，采用模糊控制技术实现了发动机与变量泵的 全功率匹配，克服了国内外挖掘机节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控 制的不足，并且成功的实现了二级溢流控制，通过台架实验取得了良好的节能效 果；湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学协作，在国家8 6 3 项目的支持下， 投入大量资金，研发了具有自主知识产权的机电一体化挖掘机，已通过台架实验 验证，实现了发动机变量泵负载之间的自动功率匹配控制，取得了较好 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的功率匹配节能效果。 1 5 本论文的主要研究内容 由于国内研究的滞后及国外技术上的封锁，目前国产液压挖掘机仍普遍采用 机械、液压等传统的方式进行控制，已不能适应液压挖掘机多功能化作业时功率 匹配节能的需求。因此，国内的挖掘机生产厂家及相关院校需要立足于本国国情， 自行研究一些多功能液压挖掘机功率控制关键技术，才能缩小与国外的差距。针 对这一问题，本文将从泵与负载功率匹配的角度，进行多功能液压挖掘机负载功 率匹配方面的研究。 本文主体部分所要研究的内容如下： 1 多功能挖掘机负载功率匹配与控制总体方案研究。首先分析普通型液压 挖掘机功率控制系统，接着对多功能液压挖掘机泵控系统进行研究，并分另4 就多 功能液压挖掘机多工况以及特定工况下负载功率匹配进行分析，提出多功能液压 挖掘机负载功率匹配控制方案。 2 多功能挖掘机泵控系统伺服阀结构参数研究。对伺服阀的主要结构参数 进行研究，并分析伺服阀静态特性与动态特性。 3 多功能挖掘机负载功率匹配功率键合图建模研究。应用功率键合图理 论，分别就多功能挖掘机多工况以及特定工况下的工作建立数学模型。 4 多功能挖掘机负载功率匹配仿真研究。应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软 件，分别就多功能挖掘机多工况以及特定工况工作进行仿真，分析仿真结果，看 能否实现不同工况工作时负载功率参数的匹配；在算法上，运用流量反馈p i d 控制，使泵的输出流量稳定，以避免不必要的功率损失。 5 实验研究与分析。设计负载功率匹配实验方案；对多功能液压挖掘机泵 控系统进行多工况与特定工况下负载功率匹配实验，验证泵控系统实现负载功率 匹配的可行性。 9 中南大学硕士学位论史 第一章多功能液压挖掘机负载功率匹配拧制方案 第二章多功能液压挖掘机负载功率匹配控制方案 绪论一章提出了本文的研究内容，本章将在分析普通型液压挖掘机功率控制 系统的基础上，对多功能液压挖掘机泵控系统进行研究，并分别就多功能液压挖 掘机多工况以及特定工况下负载功率匹配进行分析，提出多功能液压挖掘机负载 功率匹配控制方案。 2 1普通型液压挖掘机功率控制系统分析 由于普通型液压挖掘机的功率参数只 o 与挖掘作业工况相适应，而多功能液压挖掘 机的液压、电气控制系统与普通型液压挖掘啪。 机一致，但其通用连接器更换其它工作机构 q o ( 如钻孑l 机等) 作业时，所需功率参数与挖 掘作业工况不同。例如，图2 - 1 为多功能挖 掘机泵与负载工作点匹配曲线图，泵的最大 ” 输出流量为q 一，最大负载压力为p 。，a 点对应的流量为q o ，负载压力为p o 。图中， p o p m a xp 图2 - 1 泵与负载工作点匹配 曲线1 、2 、3 为液压挖掘机挖掘作业时变量泵的工作曲线，泵的工作点被局限在 几条曲线上。当多功能挖掘机的工作机构更换成如钻孔机，其工作点为图中a 点时，此时倘若仍按普通型液压挖掘机的功率控制模式进行控制，就不能实现泵 与负载的功率匹配。为解决上述问题，本文有针对性的对变量泵输出功率进行控 制，以实现多功能液压挖掘机多工况以及特定工况下泵与负载的功率匹配。 2 2多功能液压挖掘机泵控系统分析 图2 2 为普通型液压挖掘机泵控系统原理图。图中，减压阀6 与顺序阀1 2 都是普通型液压阀，其功率参数都是与液压挖掘机挖掘作业工况相适应的。当工 作机构由铲斗更换成别的作业属具( 如钻孔机等) 时，其功率参数不能适应新工 况下的负载功率匹配。 中南大学硕士学位论文 第二章多功能液压挖掘机负载功率匹配控制方案 1 1 轴向柱塞变量泵2 7 1 1 1 7 节流孔3 棱阀4 先导泵 5 1 4 电磁换向阀6 减压阀8 排量控制阀芯9 压力切断阀芯 l o 换向阉1 2 。顺序阀1 3 伺服阀芯1 5 变量杆16 变量活塞 l & 模拟负载1 9 多路阀 图2 - 2 普通型液压挖掘机泵控系统原理图 为了解决上述问题，本文对其泵控系统进行了研究，将普通型液压挖掘机泵 控系统中的减压阀换成比例减压阀，顺序阀换成比例顺序阀，并在主油泵出油口 安装了压力传感器，另外还配置了工控机，、使得多功能液压挖掘机工作机构改变 时，系统仍能实现泵与负载的功率匹配，其泵控系统原理图如图2 - 3 所示。泵启 动后，伺服阀芯1 3 处于左位，变量活塞1 6 往右运动，轴向柱塞变量泵1 斜盘倾 角增大，排量增大，系统流量增大，执行机构快速运动。当系统压力升高，左腔 压力升高，压力切断阀芯9 向左运动，。伺服阀芯1 3 向左移动，变量活塞1 6 左腔 压力减小，变量活塞1 6 向左移动，轴向柱塞变量泵1 斜盘倾角减小，排量减小， 系统流量减小，执行机构运动速度放慢。当系统压力继续增大至压力切断所需压 力时，比例顺序阀1 2 开启，换向阀1 0 处于左位，压力切断阀芯9 左移，推动伺 服阀芯1 3 ，伺服阀芯1 3 完全处于右位，变量活塞1 6 向左运动，轴向柱塞变量 泵1 斜盘倾角减小至几乎零排量，系统流量仅需补充油液泄漏即可。当发动机怠 速时，执行机构不工作，来自液压泵的油全部通过节流孔1 8 回油箱，形成的压 力通过换向阀1 0 推动压力切断阀芯9 左移，使轴向柱塞变量泵1 维持小排量。 1 1 中南大学硕e 学位论文第二章多功能液仟挖掘机负载功率匹配撺制方案 多功能挖掘机进行不同工况作业时，工作机构运动速度即泵最大排量通过比例减 压阀6 的设定压力柬控制，不同的设定压力，通过排量控制阀芯8 右腔的作用力 控制伺服阀芯1 3 右端运动行程。通过上述工作原理可知，该泵控系统通过控制 器设定比例减压阀6 及比例顺序阀1 2 的控制参数，实现对系统压力和流量的控 制及泵输出参数与负载的功率匹配。 i 71 61 5 1 4 1 3】21 】 l 轴向柱塞变量泵2 7 。1 1 1 8 节流孔3 梭阔4 先导泵 5 1 4 电磁换向阀6 比例减压阀8 排量控制阔芯9 压力切断阔芯 1 0 换向阔1 2 比例顺序阔1 3 伺服阀芯1 5 变量杆1 6 变量活塞 1 7 压力传感器 1 9 模拟负载2 0 多路阀 图2 - 3 多功能液压挖掘机泵控系统原理图 通过上述分析可知，多功能液压挖掘机工作机构更换时，图2 - 3 中多功能液 压挖掘机的泵控系统能适应不同工况下的作业需求，较好的实现了负载功率匹 配。 中南大学硕士学位论文第二章多功能液压挖掘机负载功率匹配控制方案 2 3 多功能液压挖掘机负载功率匹配控制方案 2 3 1 多功能液压挖掘机多工况下的负载功率匹配 液压挖掘机的功率控制，有重载模式、经济模式、轻载模式以及怠速模式这 几种工作模式，其功率参数与挖掘作业工况相适应。而多功能液压挖掘机的液压、 电气控制系统与普通型液压挖掘机一致，但其通用连接器更换其它工作机构( 如 钻孔机等) 作业时，所需功率参数与挖掘作业工况不同，因而不能完全按上述工 作模式来工作，须针对不同工作机构制定相应的控制策略，方可实现多工况下泵 与负载的功率匹配。 多功能液压挖掘机工作机构不同时，作业工况不同，负载功率参数也各不相 同，须进行相应控制，以实现多工况下泵与负载的功率匹配。比如，当多功能液 压挖掘机工作机构为铲斗，处于挖掘作业工况时，系统所需最大流量大约是 1 8 0 u m i n ；若将工作机构换成钻孔机，处于钻孔作业工况时，则系统所需最大流 量大约是8 0 i m i n 。此时，就要对泵进行相应控制，使泵的最大排量维持在 8 0 u m i n 左右。具体控制措施是：泵控系统原理图中，通过控制器改变比例减压 阀6 的设定压力，不同的设定压力，通过排量控制阀芯8 右腔的作用力控制伺服 阀芯1 3 右端运动行程，使得泵的最大排量为8 0 l m i n 左右。同时，为适应负载 大小的变化，需调整相应的切断压力，即调整比例顺序蹲1 2 的控制参数，使得 切断压力与新的作业工况相匹配。 同理，当多功能液压挖掘机工作机构换成液压挖坑器、液压破碎器、液压振 动平板夯等，此时的控制策略与上述情形类似。由此可见，多功能液压挖掘机更 换不同工作机构，即处于多工况作业时，、按上述控制策略进行控制，克服了普通 型液压挖掘机功率控制系统的缺陷，有效的实现了多工况下泵与负载的功率匹 配。 2 3 2 多功能液压挖掘机特定工况下的负载功率匹配 多功能液压挖掘机不仅需在不同工作机构即多工况作业时实现泵与负载的 功率匹配，还需要在特定工作机构即特定工况作业时，不同工作模式下仍能实现 泵与负载的功率匹配。如果多功能液压挖掘机工作在重载作业模式，此时工作机 构所需要的功率等于或稍低于泵的输出功率，则基本上没有功率损失；而当多功 能挖掘机工作在经济作业模式和轻载作业模式时，此时工作机构所需的功率就会 大大低于泵的输出功率，若不加以控制，多余的功率就以压力损失或流量损失的 形式在系统中消耗掉，造成极大的能量浪费1 2 4 1 1 2 5 】【矧。为此，多功能挖掘机在特 1 3 中南人学硕 ：学位论文第二章多功能液骶挖掘机负载功率匹配拧制方案 定工况作业时，应对全功率变量泵进行功率控制，根据负载的大小相应地调节泵 的排量输出。 下面以多功能挖掘机工作机构为钻孑l 机时为例，介绍在特定工况下，不同作 业模式时泵与负载的功率匹配控制是如何实现的。泵控系统原理图中，通过控制 器改变比例减压阎6 的设定压力，该设定压力与钻孔作业工况相适应，通过排量 控制阀芯8 右腔的作用力控制伺服阀芯1 3 右端运动行程，使得泵的最大排量为 8 0 l _ m i n 左右，以满足钻孔作业工况。同时，为适应负载大小的变化，需调整相 应的切断压力，即调整比例顺序阀1 2 的控制参数，使得切断压力与钻孔作业工 况相匹配。接下来，当多功能液压挖掘机处于重载作业模式下，轴向柱塞变量泵 1 斜盘倾角最大，排量最大，系统流量最大，钻孔机快速钻孔；经济作业模式