（机械工程专业论文）挖掘机正流量控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文根据国内外液压挖掘机节能技术的发展历史和现状，在分析与研究挖掘 机流量节能控制方式性能的基础上，重点对电控正流量控制系统进行了阐述，研 制出了采用电控正流量控制系统的履带式液压挖掘机，并进行了试验测试与分 析。 本课题研究的对象为川崎的正流量控制系统，其液压部分主要由具有正流量 节能控制方式的主泵、主阀以及具有压力检测的手脚先导阀组成。主泵具有正 流量节能控制方式和总功率控制方式；主阀由8 组换向阀组成，具有合流、再生、 锁定、优先和补油等功能。 在分析正流量液压系统的基础上，建立正流量关键液压元件的数学模型。并 使用a m e si m 软件建立其仿真模型，进行了正流量控制、总功率控制、回油再生 以及挖掘工况等的仿真分析，得出正流量系统的动、静态特性。 随后，采用英国n c o d e 公司的e d a q 数据采集仪对正流量控制系统的挖掘机 进行实车测试，完成了空载单个动作的完成时间及响应、复合动作完成时间及响 应、挖掘效率等项目测试。经与负流量控制系统的挖掘机试验数据对比表明：正 流量控制系统的挖掘机响应时间短，流量波动小，操作性更好，挖掘效率更高， 油耗更低。 经本课题对正流量控制系统的研究，对挖掘机正流量控制系统及元件有了深 入的理解和应用。 关键词：挖掘机；节能；正流量；建模仿真；测试 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 摘要 t h isa rticl ein tr o d u c e dd e v e1o p m e n talhist o r yo fe n e r g ys a vi n g t e c h n 0 1 0 9 y a n diti n tr o d u c e de l e c tr o n i cc o n t r o lp o siti v ef l o ws y st e m s p e cia 11y w ed e v elo p e da ne x c a v at o rw it ht h iste c h n o1o g y ，a n ddidf ield t e s t t h isp o sitiv ef1o ws y st e mw asp r o d u ctb yk a w a s a k i itw asm a d eu po f a m ainp u m pw h ic hh a dp o sitiv eflo wc o n tr o1f u n ctio na n dto ta1p o w e r c o n tr 0 1f u n c t i o n ，am a i nv a i v ew h i c hh a d8s p 0 0 1sw i t hc o m b i n a t i o n ， r e g e n e r atio n ， a n ti e x c u r sio n ， p rio rit y ， a n dr e m o tec o n tr olv a1v e t h em a t h e m a ti c a1m o d e lw asf o u n da f t e ra n al y z e dt h ep ositi v ef l o w c o n tr o1 s y ste m a n dt h esim ulatio nm o d elw asf o u n dw h ic hu se da m e si m t h e si m ulatio nw a sd o n ew it ht h ism o d ela n ds o f t w a r e t h ef ieldte stf o rt h er e alm a c hin ew asd o n ea ft e rsi m ulatio n w eg o t s o m ec o n c1u sio n sa fte rf ieldte st c o m p a r ew it hn e g ativ ef1o wc o n t r 0 1 ， p o siti v ef l o wc o n t r 0 1h asq u i c k l yr e s p o n d ，m o r ec o n t r o l1 a b i1 it y ， h i g h e r e f f i c i e n c y ， 1 0 w e rd i e s e lc o n s u m e k e yw o r d s ： e x c a v ato r ， e n e r g ysa vi n g ，p o sitiv eflo w ， si m ulatio n ，te st i i i 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本课题是在浙江大学魏建华教授指导下完成的。在课题研究期间，魏教授曾 多次给予启发性指导意见，对课题的顺利完成提供了决定性的帮助。魏教授广博 的知识，深厚的理论基础，以及严谨的治学态度均对本文作者产生了深远的影响。 在此，谨向魏教授致以最真诚的感谢。 本课题还得到了广西柳工集团公司副总裁章二平先生的大力支持和积极指 导。章先生领导柳工研发系统多年，具有深厚的工程机械技术底蕴，在本课题研 究期间多次给予建设性指导意见。在此，谨向章先生致以最真诚的感谢。 本课题研究期间，还得到了柳工挖掘机研究院多位同事的鼎力支持和帮助， 他们是：李文新、马朝志、梁明孔、农德海、覃世海。在此也向他们致以最真诚 的感谢。 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 1 本课题的研究背景和意义 1 1 研究背景介绍 近几年，国际原油价格节节攀升，从每桶3 0 多美元狂飚到0 8 年7 月份时的历史最 高价格1 4 7 美元。虽然目前国际原油价格有所回落，但仍在高位运行。据有关机构估计， 2 0 l2 年国际原油价格将维持在1 0 0 美元以上。由于世界经济发展对能源的依赖，以及油 气资源的不可再生，决定了国际原油价格从长期来看处于上升趋势。随着中国经济的飞 速发展，对能源的需求越来越大，而我们自身的能源资源已经不能满足经济发展的需要， 进口能源的比例越来越高，已超过5 0 。能源安全已成为国家安全的重要影响因素之一。 在此背景下，汽车、机械、钢铁、电力、化工等能源消耗较大的行业已纷纷将研究重点 放在了节能技术上。液压挖掘机作为全球销量最大的工程机械产品之一，由于其使用量 大、油耗高，已成为各工程机械厂家重点关注的节能对象。 正流量控制系统是液压挖掘机节能控制方式的一种，近些年在挖掘机领域的应用越 来越多，如日立、神钢等品牌前些年已将其挖掘机的控制系统改为了正流量系统，国内 的柳工、三一等挖掘机制造商也开始研究、应用此系统。此外，德国博世力士乐公司在 推广了多年l u d v 负载敏感系统之后，近两年也开始推广其正流量控制液压系统。因此 对挖掘机正流量控制系统的性能进行仿真分析和试验，有利于国内挖掘机制造商掌握此 项技术，并为后续的创新打下良好的基础。 1 2 国内外液压挖掘机节能技术的发展历史和现状 液压挖掘机出现于上世纪四十年代末，当时是在拖拉机底盘上应用液压技术发展出 来的悬挂式工作装置挖掘机，只能进行半回转动作。五十年代，法国p o c l a i n 、德国d e m a g 等公司利用液压技术的发展，开始研制全回转式液压挖掘机。由于当时对液压技术的应 用不熟悉，元件质量不过关、元件生产商产能不足以及成本较高等因素影响，液压挖掘 机的发展较慢。至六十年代中期，液压挖掘机只占全部挖掘机市场总量的15 左右。六 十年代中期后，随着液压挖掘机结构的逐步完善，液压元件的质量、供货、成本等因素 也有了较大改善，液压式挖掘机在实际施工中逐渐显现出其优越性，得到了迅速发展。 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 七十年代初，大多数挖掘机生产厂家对他们的产品进行了技术升级，广泛采用变量系统， 并向高压、高速和大功率方向发展。液压挖掘机已不仅限于建筑工程使用，开始发展到 采矿工程，并占据了全部挖掘机市场总量的9 5 以上。八十年代以来，随着电子科技水 平的不断提高，液压挖掘机也开始采用机电液一体化控制，进一步提高了生产效率，降 低了燃油消耗。 早期的液压挖掘机采用定量系统，包括单泵定量系统和双泵定量系统。定量系统的 一个特性是在负载大，压力高时，会产生很大的溢流损失。此外在单泵定量系统中，由 于泵输出流量是固定的，不能随着负载变化而调节，为了满足作业需要，必须根据最大 负载压力和流量来确定发动机功率。这样在负载小时就不能提高作业速度，发动机功率 不能得到充分利用，形成浪费。一般来说，定量系统的平均负荷率仅为最大负荷的6 0 左右，也即是发动机功率只能利用到6 0 。为解决此问题，部分厂家采用了双泵定量系 统，如图卜1 。该系统中两个泵的设定压力不同，当负载压力低于两个泵的设定压力时， 双泵同时向系统供油，提高小负荷时的工作速度，当负载压力高于其中一个泵的设定压 力时，此泵流量溢流，系统由另一个泵供油。这样发动机的功率利用率有所提高乜引。 图卜1 双泵定量系统 挖掘机的各个动作需要根据负载大小调整作业速度，而定量系统的泵输出流量又不 可调，为解决这一问题，不得不采用大量节流调速，这样会造成系统发热量大，浪费燃 油。为此，随着液压技术的发展，至上世纪七十年代，开始逐渐采用变量液压系统，利 用容积调速来实现作业速度的不同需求，功率利用和系统性能有了较大发展。一般来说， 挖掘机液压系统采用的是变量泵一定量马达( 油缸) 的容积调速方式。变量泵在变量 范围内，功率保持恒定，当外负载小时，可以增大输出流量，提高工作速度，当外负载 大时，可以降低工作速度，增大挖掘力。此时发动机功率一般是按照挖掘机实际工作的 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 平均负荷来确定，这样发动机的功率利用率可以提高到9 0 以上。 一般的挖掘机具有动臂、斗杆、铲斗、回转和行走等动作，根据作业要求，各个动 作的负荷大小和速度要求不同，而且挖掘机还有两至三个动作的复合操作要求，所以变 量系统一般采用的是双泵双回路系统。先期出现的变量系统采用的是分功率控制方式， 如图卜2 ( a ) ，即两个回路的变量无关。在分功率变量系统中，发动机功率平均分配 给两个主泵，两个回路的液压泵各自独立地进行恒功率的变量调节，泵的流量变化只受 所在回路压力变化的影响，而与另一个回路的压力大小无关。这样只有当两个泵均处于 变量调节范围内，才能充分利用发动机的全部功率，而当其中一个回路压力较低，未进 入泵变量调节范围以内时，该回路所分配的一半发动机功率就不能充分利用。因此后来 又出现了全功率变量系统，如图卜2 ( b ) ，即两个回路的变量是相关连的。全功率变 量系统中，两个泵均有一个变量调节机构调节，使两泵同步变量，流量始终相等，则两 泵功率由各自回路的负载压力大小决定。在变量调节范围内，两泵功率之和等于发动机 功率，当其中一个泵功率较小时，另一个泵的功率可以超过发动机功率的一半，提高了 发动机功率的利用率。 图卜2 ( a ) 分功率变量系统( b ) 全功率变量系统 进入八十年代以后，挖掘机液压系统又取得了较大发展，在全功率变量系统基础上， 又出现了发动机转速控制的恒功率变量系统、恒压控制变量系统以及恒功率与恒压组合 调节的恒功率变量系统，这些系统都进一步降低了挖掘机的能量损失和系统发热，发动 机功率利用率也有所提高。此外，还出现了负荷传感控制系统、负流量控制系统以及正 流量控制系统等流量控制系统，这些系统进一步优化了主泵输出功率与负载所需功率之 间的匹配，将挖掘机液压系统的节能效果推到了一个新的高度。 进入九十年代后，各液压元件供应商和主机企业开始了新一轮的对液压元件节能降 耗方面的研究。利用锥阀在内泄漏控制上的优势，取代滑阀式主控制阀，可以大大降低 挖掘机主控制阀的内部泄漏损失，目前日、欧、美等地区已有厂家推出此方式的主阀， 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 可降低2 0 以上的燃油消耗。此外，加大液压元件内部油道尺寸，对内部油道设计进行 优化，可有效降低元件内部的局部压力损失，日本住友挖掘机在此方面进行了尝试，可 降低1 0 以上的燃油消耗。 目前在挖掘机领域，除了液压系统和元件在节能降耗方面的研究仍在继续之外，还 出现了很多新的节能方式，如发动机与主泵之间的功率匹配控制、混合动力技术等等。 图卜3 为发动机转速感应控制原理图h 1 ，这是一种发动机与主泵之间功率匹配控制 方式。该系统利用发动机超载会降速的原理，将主泵功率设定在与发动机理论输出功率 相同或略高的值，监测发动机转速，当发现转速因超载而下降时，控制器调低主泵功率， 使发动机转速恢复到设定值。 图卜3 发动机转速感应控制 反之则调高泵功率。这一控制方式能充分利用发动机功率，使发动机始终工作在最 佳工作点附近，提高了燃油利用率和发动机排放质量。目前在国内外挖掘机上得到了普 遍应用。 混合动力是指应用不同的动力源来驱动整机工作，利用不同动力源的工作特性，充 分发挥其作用，提高燃油利用率，节省燃油消耗，如油气混合、油电混合等等。在挖掘 机领域，目前研究较多的是油电混合，即用发动机与电动发电机共同作为动力源。根 据其驱动和布置方式的不同，主要有串联式和并联式两种h 1 。应用了混合动力技术的挖 掘机可以大幅降低发动机的装机功率，从而可以降低油耗，还可以将挖掘机工作中无用 的能量消耗回收储存后再利用，如回转制动时的能量b 1 以及工作装置下降时的能量等等。 目前日本的神钢、住友、日立等挖掘机生产商已开发出了混合动力挖掘机，正在进行试 验，而小松则已推出了商品化的混合动力挖掘机，据介绍能降低燃油消耗2 0 4 0 。 图卜4 为一种并联式混合动力挖掘机的系统构成简图，其工作原理为：发动机与 4 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 电动发电机共同作为动力源驱动液压泵工作，电动发电机视液压泵吸收功率大小在电 动机与发电机间转换。当液压泵所需功率小于发动机输出功率时，由发动机单独驱动， 发动机剩余功率驱动电动发电机发电。 发动挽 图1 4 并联式混合动力系统 电能经变频器整流为直流电后存储在储能元件中。当液压泵所需功率大于发动机输 出功率时，储能元件内的电能经变频器逆变为交流电后驱动电动发电机，与发动机一 起共同驱动液压泵工作。由于发动机负载平稳，其装机功率可比普通挖掘机小3 0 陆1 。 1 3 本课题的研究意义和目标 正流量控制系统是一种按需供油控制系统，它能更好地对挖掘机液压系统一一负载 之间的功率进行匹配，已广泛应用于液压挖掘机领域，如日本的神钢、日立，国内的三 一、福田等品牌挖掘机均采用了这一系统。此外在其他工程机械领域也有很好的应用前 景，如履带式起重机、旋挖转机等。目前日本的部分液压元件供应商和挖掘机主机生产 商均有正流量系统，德国的力士乐在推广了多年的负荷传感控制系统后，也在近两年推 出了自己的正流量控制系统。因此我们有必要对挖掘机正流量控制系统及元件的静、动 态特性做全面研究，这对优化正流量控制系统的设计、应用会产生一定指导意义。 经过本课题的研究预期可以达到以下目标： 1 、对挖掘机正流量控制系统及元件的静、动态特性进行仿真建模。并利用计算机 仿真分析的结果作为实物试验及定量分析的基础和参照。 2 、建立正流量控制系统测试方法及规范，可以对这一系统进行有效、充分的试验。 将实际测试结果与系统仿真得到的结果进行对比分析，有助于更好的分析正流量控制系 统的性能，并可以发现该系统在实际应用中存在的一些问题，并通过试验找到解决问题 的办法。通过对该试验方法及规范进行相应地修改，还可用于其他液压系统的测试。 浙江大学硕士学位论文 本课题的研究背景和意义 3 、目前，国内企业还不能开发、生产挖掘机，尤其是中大型挖掘机用液压元件， 通过对目前已取得实际应用的进口元件和系统进行研究，可以作为国内企业开发挖掘机 用液压元件和系统的一份参考。 1 4 本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景：由于世界经济发展对能源的依赖，油气资源的 不可再生性，以及可持续发展战略对节能、环保的要求，决定了节能技术已成为工程机 械的重要核心技术。 本章还回顾了全球挖掘机节能技术发展的历史和现状。随道液压技术的发展，液压 挖掘机产品在液压系统的功率控制方面先后应用了单泵定量系统、双泵定量系统、分功 率控制变量系统、全功率控制变量系统、恒功率控制变量系统等技术，使发动机功率利 用率从6 0 提升到了9 0 以上；在流量控制方面也应用了负流量控制、负荷传感控制、 正流量控制等技术，实现了按需供油的要求，进一步降低了系统功率损耗。在液压元件 及系统损耗方面，也利用锥阀、阀内流道优化设计等技术，将系统效率提高了1o 一2 0 。 此外，随道电子技术的发展，挖掘机产品还应用了计算机控制功率匹配技术以及混合动 力等先进的节能技术。 正流量控制作为一种流量控制技术，在挖掘机领域也得到越来越广泛的应用，对该 系统进行研究，对于优化挖掘机产品液压系统及元件设计具有指导意义。 6 浙江大学硕士学位论文挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 2 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 在液压挖掘机的能耗中，除了在元件本身性能，以及系统控制需要产生以外，其能 量传递各环节之间的功率不匹配，也会造成燃油利用率的降低。液压挖掘机的能量传递 路线为发动机一一液压系统一一负载，因此考虑挖掘机的功率匹配，需要考虑发动机一 一液压系统，以及液压系统一一负载这两个环节的功率匹配。 前文提到过的发动机转速感应控制就是一种优化发动机一一液压系统之间功率匹 配的控制方法。液压系统主泵的输出参数为压力与流量，两者之间的乘积即为主泵输出 功率，因此液压系统一一负载之间的功率匹配即为系统压力、流量与负载需要之间的匹 配。液压系统压力由负载决定，压力与负载是自适应过程，这样液压系统与负载间的功 率匹配就集中在泵输出流量的匹配上。 目前挖掘机常用的三种按需供油的节能控制方式一一负流量控制、负荷传感控制和 正流量控制 1 ，就是目前应用最广的液压系统一一负载之间的功率匹配控制方式随蚰”叭。 2 1 负流量控制系统 如图2 1 为负流量控制的原理图。在系统回路上设置有负流量阀，利用节流原理， 将系统回油在负流量阀上产生的压差作为主泵排量控制信号引回主泵。控制信号压力越 高，主泵排量越小。由于主泵排量的大小与控制信号压力的大小成反比，所以这种控制 方式称为负流量控制n 孔n 1 1 。 图2 1 负流量控制系统 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 根据负流量控制要求，需要在多路阀回油通路上设置流量检测装置，根据流体力学 知识有如下公式： q 堋浮 ( 2 - 2 式中：p 为流过回油通路的流量，l m i n ； f 为节流孔过流系数； 彳为节流孔过流面积，m 2 ； p 为节流孔前后压力，p a ； p 为流体密度，k g m 3 ； 上式中只要节流孔尺寸确定，以及流体密度可以看做恒定量；则，流量q 可以通过 检测卸来获得，从公式可知，卸随着流过回油通路的流量q 增多而增大。 图2 2 负流量控制方式的变量泵 p 2 图2 2 为负流量控制方式的变量泵，即在负流量控制系统中，当主阀处于中位时， 回油流量q 最大，在负流量阀处产生的压差卸最大，即控制信号压力p i 最高。此时， 在控制信号压力作用下，主泵排量减至最小，可以降低系统中位功率损失。如图2 3 为负流量控制p i - q 曲线，即随控制压力p i 增大，变量泵输出流量q 减小。 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 q 图2 3 负流量控制p 卜q 曲线 同样，在平整场地等轻载作业时，主阀处于半开位置，也可利用流经负流量阀产生 的压差使主泵排量减小，满足动作需要即可，这样也可以降低系统功率损失。 qq a p b p ab 图2 4 负流量控制主泵压力流量特性曲线 图2 4 为负流量控制系统主泵压力流量特性曲线，( a ) 为主阀处于中位时的工况， ( b ) 为平整场地等主阀半开轻载工况。a 点为带负流量控制功能时的工作点，b 点不带 负流量控制功能时的工作点，图中的阴影部分即为负流量控制节省的功率消耗。 2 2 负荷传感控制系统 负荷传感控制是一种利用压差反馈，实现泵流量与负荷随动控制的闭环控制系统， 系统具有压力补偿功能，可确保分配给各动作的流量与负载大小无关，而仅与主阀开度 相关。根据压力补偿在系统中的位置，可分为阀前补偿、阀后补偿和回油补偿三种h 引。 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 图2 5 负荷传感控制 图2 5 为阀后补偿式负荷传感系统原理图 1 3 】，该系统利用设置在主阀后的压力 补偿阀选取出各动作最高的负载压力作为控制信号p l s 反馈回主泵，同时p l s 压力还被 引入到各压力补偿阀左侧。当系统达到平衡时，压力补偿阀的受力平衡方程为： = 磁+ 乓2 ( 2 - 2 - 1 ) 式中，只一一主阀后压力，m p a ； 只：一一压力补偿阀弹簧力。 主泵内负荷传感控制阀的受力平衡方程为： 量= 吃+ 坟。 ( 2 _ 2 - 2 ) 式中，p 1 一一主阀前压力； p k l 一一负荷传感阀弹簧力。 合并以上两式，主阀前后压差为： # 一只= 坟。一r ：= 常数 ( 2 - 2 - 3 ) 由于主阀前后压差为一常数，根据流量方程可知，流经主阀的流量仅与主阀开度相 关，而与负载压力无关。即在挖掘机进行复合动作时，各动作的运动速度仅与司机对先 导阀的操纵角度相关，而与各动作的负载大小无关，这样具有极佳的复合动作操纵性能。 在主阀开度发生变化时，主阀前后压差瞬间产生变化，主泵内负荷传感阀进行切换， l o 浙江大学硕士学位论文挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 促使主泵排量改变。如图2 5 示，当主阀开度增大，前后压差减小，即p 1 减小，主泵 内负荷传感阀向上移动，主泵排量增大，促使p 1 升高，当主阀前后压力达到设定值时， 系统达到平衡。反之，当主阀开度减小时，前后压差增大，即p 1 增大，主泵内负荷传 感阀向下移动，主泵排量减小，促使p 1 降低，当主阀前后压力达到设定值时，系统达 到平衡。这样，主泵排量与主阀开度大小有关，当主阀开度大，主泵排量也大，反之， 当主阀开度小时，主泵排量也小。系统始终保持主泵输出各动作需要的流量，避免了多 余的功率损失。在主阀处于中位时，因p 2 为零，主阀前后压差达到最大，主泵排量减 到最小 1 4 。 qq a p b p ao 图2 6 负荷传感控制主泵压力流量特性曲线 图2 6 为负荷传感控制系统的主泵压力流量特性曲线，a 为主阀处于中位时的工况， b 为平整场地等主阀半开轻载工况。a 点为带负荷传感控制功能时的工作点，b 点不带负 荷传感控制功能时的工作点，图中的阴影部分即为负荷传感控制节省的功率消耗。 2 3 正流量控制系统5 1 目前挖掘机常用的正流量系统主要有两类，一类为液控正流量控制系统，以日立挖 掘机为代表，国内的福田挖掘机也采用了此系统；一类为电控正流量控制系统，以神钢 挖掘机为代表，国内的三一挖掘机也在其最新一代产品上采用了此系统。 图2 7 为液控正流量控制的原理图。如图所示，主泵排量控制信号来自先导阀二次 压力，控制压力越高，主泵排量越大。与前面介绍过的负流量控制相反，正流量控制中， 主泵排量与控制信号的大小成正比。 浙江大学硕士学位论文挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 图2 7 液控正流量控制原理图 图2 7 即是简化了的液控正流量控制系统原理图，该系统采用梭阀组从各动作的先 导控制信号选出压力最高值，用于控制主泵排量。由于该系统主泵的流量是由先导二次 压力控制，与动作类别无关，会造成部分工况下主泵输出流量与动作需求不匹配的问题。 例如，在控制铲斗动作和行走动作的先导二次压力均为1 5 m p a 时，可能铲斗仅需要 1 0 0 l m i n 流量，而行走需要1 2 0 l m i n 流量，而为了满足行走的流量要求，主泵会在控 制压力为1 5 m p a 时，输出1 2 0 l m i n 流量，而对于铲斗动作，则会有2 0l m i n 流量通 过旁路流回油箱，形成损耗。为了减少这样的损耗，实际的液控正流量控制系统会采取 一些办法，如在选取先导二次压力信号时，通过分组的方式，分别选取不同动作的先导 信号，用于控制两个主泵的排量。 七s 3 仁s 丁 s 3 图2 8 电控正流量控制 1 2 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 图2 8 为电控正流量控制系统原理图 13 】。与液控系统不同之处在于：通过传感器 将每个动作的先导二次压力信号采集进控制器，由控制器经过计算，向主泵上的电比例 阀发出电流信号，以改变主泵排量。由于控制器可以区分出流量控制信号来自于哪个动 作，这样即使在压力值相等的情况下，也可以根据各个动作的需求，控制主泵输出不同 的流量值，减少了系统旁路损失。 不论是液控正流量或是电控正流量的控制，当主阀处于中位时，由于此时先导阀的 二次压力为零，主泵排量处于最小。当主阀半开时，此次先导阀二次压力亦处于中间值， 主泵排量同样处于较小值。 p 1 1 p 1 2 图2 9 变量泵正流量控制方式图2 1o 变量泵总功率控制方式p q 曲线图 图2 9 为采用正流量控制方式的变量泵，其中p i 为来源先导的压力信号，如是液 控正流量控制系统，则该先导压力信号p i 直接和经梭阀组后的先导压力相连；如是电 控正流量控制系统，则该正流量先导压力信号p i 来自经控制器控制的电磁比例阀。错 误! 未找到引用源。为先导压力信号p i 和变量泵输出流量q 的曲线。 图2 1 1 为正流量控制系统主泵压力流量特性曲线，a 为主阀处于中位时的工况，b 为平整场地等主阀半开轻载工况。a 点为带正流量控制功能时的工作点，b 点不带正流 量控制功能时的工作点，图中的阴影部分即为正流量控制节省的功率消耗。 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 q a p b p a b 图2 1 1 正流量控制主泵压力流量特性曲线 与液控正流量相比，电控正流量在性能上有一定优势，但由于要采集多路先导二次 压力，需要的压力传感器较多，成本较高。 2 4 各流量控制方式对比 如表2 1 所示，目前在中国大陆销量较大的国际主流挖掘机厂家有，日系的小松、 日立、神钢、住友、加藤，韩系的斗山和现代，及其欧美的代表厂商卡特彼勒，其中小 松金系采用负荷传感流量液压控制系统，日立和神钢则全系使用正流量液压控制系统， 除此之外都普遍采用负流量液压系统。国内的挖掘机生产厂家在1 0 t 以上机型中，一般 都使用的是负流量液压控制系统，三一、福田等品牌挖掘机部分机型使用了正流量液压 控制。 这三种流量液压控制系统都比较成熟地应用在挖掘机中，也各具特点。由2 3 正流 量控制系统节内容可知，正流量控制系统一般还存在液控正流量和电控正流量两种系 统。随着电气技术的发展和成熟，电控正流量具有比液控正流量更多的优势，所以下面 所述正流量控制系统都以电控正流量系统为据。 表2 1 各主流品牌1o 一4 0 t 机型使用流量控制方式表 1 0 一1 2 t1 2 1 5 t1 5 2 0 t2 0 一2 5 t2 5 3 0 t3 0 一4 0 t 小松 l sl sl sl sl sl s 卡特彼勒 nnnnnl s 日立pppppp 神钢 pppppp 住友 nnnnnn 加藤 nnnnnn 斗山nnnnnn 现代 nnnnnn 1 4 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 l s 一一负荷传感控制p 一一正流量控制n 一一负流量控制 从上面的挖掘机液压系统流量控制方式的内容介绍可以看出，负流量控制系统和正 流量控制系统存在很多相似之处，首先对比这两种流量控制系统。 负流量控制系统能够充分利用发动机功率，根据负荷的大小自动调节泵流量，自动 适应外载变化，但在使用过程中流量波动大、响应时间长、操纵性能较差；正流量控制 系统，其主泵和先导操作手柄输出的压力成正比例关系( 因此得名正流量) ，主控制器 根据先导压力信号及其变化趋势判断出流量需求及这种需求的变化趋势，依据这些判断 对主泵的液压油排量加以控制，实现了对变量泵的实时控制，做到了按需求供油。相对 于负流量控制系统，正流量控制系统的响应时间更短，流量波动更小，可操作性更好， 可提高工作效率约9 ，节油1 2 左右，系统的可靠性也更高。 从上面的分析可以看出，与“负流量”相比，“正流量”除了技术难度高以外，在其 它性能方面都超过了“负流量”。随着“正流量”的普及，采用“负流量”技术的厂家 会感到越来越大的市场压力。 而负荷传感控制系统技术和正负流量控制系统技术差别较大，其微操作性较好，由 于各联阀芯都具有单独的压力补偿阀，复合动作时，动作阀芯压力不相互影响，所以复 合动作操作性能要比正负流量控制系统要好。但阀芯结构复杂度的增加，也使得系统可 靠性降低、成本增高等，其外负荷传感系统还存在响应速度较慢等缺点“6 1 。 2 5 本章小结 本章首先分别介绍并对比了负流量控制系统、负荷传感控制系统和正流量控制系统 的控制原理、控制特性和应用。 负流量控制利用系统回油路设置的节流阀，检测系统多余的流量，并将此信号作为 泵流量控制信号，使泵输出流量满足动作需要及维持控制压力需要的流量即可。这种控 制方式能够降低泵多余的流量输出，从而节约能源，但存在响应时间长，流量波动大等 缺点。 负荷传感控制是一种利用压差反馈，实现泵流量与负荷随动控制的闭环控制系统， 并利用阀内的压力补偿阀，控制阀前后的压差，并使之保持恒定，则流经阀口的流量与 负载大小无关，仅与阀口面积相关。这种控制方式控制精度较高，且因为流量与负载大 1 5 浙江大学硕士学位论文 挖掘机液压系统节能控制方式的分类、性能特点 小无关，机器操作性能较好，但系统较复杂，成本较高，并且响应时间较长。 正流量控制利用先导阀二次压力作为泵流量控制信号，使输出流量与需求基本一致。 这种控制方式采用正向控制，响应时间较短，流量波动较小。其中电控正流量采用了电 子控制技术，控制精度更高 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 3 挖掘机正流量液压系统分析 挖掘机液压系统属于众多传动系统的一类，它能够以较高的能量传输密度、无级变 速、灵活的布置方式迎合了挖掘机高能耗、多自由度对传动系统能量传递能力高、节能、 灵活的要求n 。 液压挖掘机主要组成部分有：工作装置、回转结构、行走结构、操纵结构、散热结 构、动力装置以及辅助结构等“引，液压技术几乎在各个组成部分中都有所体现，如图3 1 所示为挖掘机主要包括的液压部件，包括主泵、主阀、行走马达、回转马达、手脚先 导阀、液压油缸等n9 1 ，下面就本课题所研究的正流量液压控制系统进行分析。 图3 1 挖掘机液压系统主要部件 3 1 正流量液压系统结构图 如图3 2 所示为电控正流量液压系统结构图，和一般液控正流量液压系统相比，这 里使用了压力传感器检测先导压力信号，输入至正流量控制器，经控制策略计算后输出 一定的电流值驱动主泵上的比例电磁阀幢0 1 。 1 7 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 图3 2 正流量液压系统结构图 3 2 正流量液压系统分析 下面对和正流量控制有密切关系的液压系统进行分析。 3 2 1 主泵功能及特性分析 本课题研究的主泵为川崎精机的k 3 v 轴向柱塞双联变量泵，外观示意如图3 3 所示。其结构为两组轴向柱塞泵体1 串联，驱动轴3 共同驱动双泵，泵体上分别有调节 器和比例电磁阀。 如图3 4 所示为正流量双联柱塞泵液压原理图，该主泵为双串联柱塞泵结构，两个 主泵为完全对称结构，控制方式为恒功率控制，节能方式为电控正流量控制，还具有应 急控制方式【2 1 l 。 其机构为：双联泵p 1 p 2 ( 外加齿轮泵p 3 ) 以串联的方式由发动机驱动，双联主泵 p 1 p 2 由单独的调节器调节输出排量，排量调节器为主泵的核心部件，也是研究的重点。 双联主泵p 1 p 2 调节器完全相同，这里为了研究方便，以一组泵为研究对象。如上图3 4 所示，调节器由1 变量缸、2 变量伺服阀、3 正流量调节机构、4 恒功率调节机构、 5 应急机构和6 电控正流量比例阀组成。 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 4 图3 3 川崎k 3 v 轴向柱塞双联变量泵 卜柱塞泵体2 一主泵出油口3 一主泵驱动轴4 一比例电磁阀5 一调节器 图3 4 川崎k 3 v 正流量轴向柱塞双联变量泵原理图 1 变量缸( 机构)2 变量伺服阀3 正流量调节机构4 恒功率调节机构 5 应急机构6 电控正流量比例阀 正流量控制方式实现过程为：正流量信号通过控制阀输出一定的电流驱动6 电控正 流量比例阀，压力p 经比例阀输出一定压力作用于3 正流量调节机构，3 正流量调节机 构受力使2 变量伺服阀动作，1 变量缸大腔回油，从而调大主泵斜盘倾角，主泵排量增 高，主泵流量提高。无正流量信号时则相反，1 变量缸大腔进油，调小主泵斜盘倾角， 1 9 主泵排量减小， 主泵流量在最小值，达到节能效果。 q 图3 5 变量泵总功率控制方式p q 曲线图 量篡豢篓 翌 上图变量泵的曲线图是在主泵转速为1 9 5 。r m i n 下压力一流量曲线各曲线说明如 卜焉懑暮麓篡豪；、 3 、虚线( 1 ) 为主泵功率为1 1 2 k w 的恒功罕v 凹“ 2 0 浙江大学硕十学位论文挖掘机正流量液压系统分析 4 、虚线( 2 ) 为主泵功率为9 5 k w 的恒功率p q 曲线； 5 、双点画线( 3 ) 为主泵比例电磁阀电流i 和输出流量q 曲线，该曲线即为正流量 控制曲线。 根据以上特性曲线图，可以看出川崎k 3 v 轴向柱塞双联变量泵的p q 曲线是由两条 直线拟合而成，在最大功率点1 1 2 k w 时，主泵功率曲线( 1 ) 和主泵实际p q 曲线( a ) 拟合较远，而在功率点9 5 k w 时，主泵功率曲线( 2 ) 和主泵实际p q 曲线( b ) 拟合较 吻合，这些都是设计控制策略应该考虑到的问题。 3 2 2 主控阀回路分析 图3 8 所示为本课题所研究的川崎正流量主控阀的液压原理图，如图所示，该多路 阀由8 部分组成，每个部分对来自主泵的油液进行再分配。这8 个部分分别是直线行走 阀及主溢流阀回路、行走阀回路、备用阀回路、回转阀回路、动臂阀回路、铲斗阀回路、 斗杆阀回路及其合流阀回路。 各个回路具有的功能如下： 1 、直线行走 如图3 7 所示，当挖掘机只 有行走动作时，无直线行走控制油路压力， 直线行走阀t s 位于原位，p 1 泵供左行走 马达，p 2 泵供右行走马达；当司机操纵回 转或工作装置的任何一个动作时，直线行 走控制油路形成压力，使直线行走阀t s 至右位工作，p 1 泵供除行走之外的动作使 用，p 2 泵供左右行走马达使用，以保证左右马达 进油基本一致，完成直线行走瞳2 23 。图3 7 直线行走阀及主溢流阀回路原理图 2 、瞬时增力 如图3 7 所示，主溢流阀具有两级压力调节弹簧，能够通过操作设定按 钮，激活大弹簧使得系统在短时间内提高液压系统的安全阀压力( 从3 1 8 m p a 提高至 3 3 3 m p a ) ，时间持续8 秒钟左右，这就是瞬时增力功能，当挖掘过程中遇到大的石块或 树根时可以使用这个功能。 2 l 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 叶1 aa 1 a a l b a l b a l x aa a b2 a s p 妒 p n s b s b s a 5 a b b a f 尺1 p h p x 卜直线行走阀及主溢流阀回路 图3 8 主控阀液压原理图 b a 2 aa 2 a 0 x a o b 0 b o a f r x a fr b r b f r 2 一行走阀回路3 一备用阀回路4 一回转阀回路 5 一动臂阀回路6 一铲斗阀回路7 斗杆阀回路8 一斗杆合流阀回路 川m 叭 枞枞附附 川抛啪 m 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 3 、闭锁 如图3 9 所示为动臂阀杆1 回路，由于三位六通阀都为滑阀结构，泄漏性较差，为 了保持工作装置的势态，在动臂油缸大腔使用了闭锁阀来最小程度的减少泄漏，使得在 主控阀中位时能够保持工作装置的势态。该处的闭锁阀采用二通插装阀结构。 4 、过载保护及补油 如图3 9 所示油口溢流阀为单向溢流阀，调定的压力一般为该油路能够承受的最大 压力，起到保护液压元件和工作装置等部件的功能。另外可以在必要时完成补油功能。 至下叫月中位 乙 趱萨 一a b l i ：f ：1 1 ： 恻，4 帮。喙 l麟譬唑! 一x b b l i i 铀缸j 【i l a 昔浊钉鲢 图3 9 锁定功能及油口单向溢流阀 5 、油路合流 见图3 8 上5 动臂阀回路和7 斗杆阀回路，这两个油路都使用两组换向阀，当在单 独动作时，使双泵合流供油，以便提供动臂和斗杆的速度； 6 、优先 见图3 8 上5 动臂阀回路，p n s 控制信号为实现动臂优先回转功能，当同时操作动 臂和回转时，动臂2 合流阀进油相对回转阀多；p s p 是回转相对动臂合流和斗杆1 优先 功能。即当同时操作回转和动臂或斗杆时，回转马达进油多一些，动臂2 合流阀或斗杆 1 阀进油少一些妇4 。 7 、回油再生 再生功能就是将液压缸大小腔管路连接成差动回路，以提高液压缸活塞伸出速度。 图3 1 0 所示，x a a l 先导信号作用下，斗杆1 阀芯工作于右位，斗杆油缸的大腔进油， 当大腔管路油压低于再生阀a r 调定的压力时，小腔回油经过斗杆1 阀内单向阀进如大 腔油路，此时就形成差动回路，提高了斗杆油缸伸长速度。在斗杆负载增大，如挖掘时， 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 一 大腔油压升高，a r 阀下位工作，小腔回油直接进入油箱，此时斗杆油缸作用力增大，以 完成挖掘工作。 b a l 斗 图3 1o 斗杆回油再生功能 3 2 3 先导回路分析 下面首先简要介绍先导回路使用的主要液压元件。 1 、先导式减压阀 1 - 手柄压盘2 - 推杆3 弹簧4 传力杆5 弹簧座 6 复位弹簧7 调压弹簧8 、1 3 至t 油口 9 、1 2 至p 油口1 0 、1 1 阀杆 图3 1 l 手先导减压阀原理图( a ) 及结构图( b ) 先导回路最重要的部件是先导式减压阀，先导阀是操作者控制液压挖掘机的机构， 2 4 浙江大学硕士学位论文挖掘机正流量液压系统分析 其功能是让人舒适、轻松、灵敏地操纵挖掘机行走、回转及工作装置。 如图3 1 1 所示为手先导减压阀原理图和结构图，它主要由手柄压盘、阀体、推杆、 弹簧、阀杆等部件组成。阀芯为二阶同心结构，其底腔通过中空油道、阻尼孔与弹簧腔 构成回油路t 。节流孔的作用是改善阀的操作性能，使阀的工作更加稳定。例如，可以 减小外界振动对阀操作的影响。 该减压式先导阀具有特点：p a b a = f 调压弹簧力，输出的压力恒定，只与调压弹簧压 缩量有关，即手柄压盘角度有关。 由阀的工作原理，设定阀向下运动为正方向时，忽略摩擦力、液动力则阀芯的力平 衡方程可写为： 六叫口= 聊譬+ 嗉+ 觑 ( 4 十5 ) 式中：f s 一一阀口开度为零时，压盘下压力，n ； p 一一被控腔的压力，p a ； 口一一阀芯承压面积，m 2 ； m 一一阀杆及部件总质量，k g ； c 一一阻尼系数； x 一一阀芯位移，m ； k 一一弹性刚度； 线性化后的阀口流量方程为： 旷即p = 鲁害 ( 4 - h ) 式中：g y 一一阀口流量，l m i n ； k 。一一阀的流量系数； k 。一一阀的流量压力系数； v 0 一一控制腔初始体积，m 3 ； e 一一油液体积弹性模量； 脚先导式减压阀具有和手先导式减压阀类似的结构和特点，但其阀内一般还设计了 阻尼结构。 浙江大学硕士学位论文挖掘机正流量液压系统分析 p t 构 阻尼孑 阻尼活 ( a ) ( b ) l 一推杆2 、3 弹簧4 弹簧腔5 钢球 p 图3 1 2 脚先导减压阀原理图( a ) 及结构图( b ) 如图3 1 2 所示，脚先导减压阀设置了液压阻尼器，以减弱行走时的振动。该阀内 设置有液压阻尼装置。当操纵机子前进或后退并遇到路面凹凸不平时容易造成机子振 动，这势必会影响司机的操作，司机不能很好地操作又会使机子更加振动严重，形成一 个恶性循环。没有设置这种装置的行走先导阀，操纵性是比较差的，司机往往只好停下 机子来消除机子的振动。 2 、梭阀 2 5 】 如图3 13 所示，梭阀作用相当于“或门”。梭阀有两个进油口p 1 和p 2 ，一个出口a ， 其中p 1 和p 2 都可与a 口相通、但p 1 和p 2 不相通。p 1 和p 2 中的任一个有信号输入，a 都有输出。若p 1 和p 2 都有信号输入，则先加入侧或信号压力高侧的油液信号通过a 输 出，另一侧则被堵死，仅当p 1 和p 2 都无信号输入时，a 才无信号输出。梭阀是电控正 流量先导回路必需的液压元件。 p 1 a p 1 a ( b ) 图3 13 梭阀原理图( a ) 及结构图( b ) 2 6 p 2 浙江大学硕士学位论文 挖掘机正流量液压系统分析 如图3 1 4 所示为手先导减压阀、脚先导减压阀和梭阀组成的先导控制回路原理图， 脚先导分别为左右行走先导控制回路，因挖掘机在前后行走时，只是切换了液压系统 的正反行走马达油路，则前后先导控制油路经梭阀输出行走正流量控制信号。 献块 首 黼月一右锨 后侧 首蚓 黼目一旆走 后| 暹| 一抖 右先导月 一琦臂 广斗杆 掷月 l 畦 图3 1 4 先导控制回路原理图 本课题研究的挖掘机操作手柄方式为i s o 操作标准，即如图3 1 5 所示。右手先导 阀为铲斗和动臂先导控制，左手先导阀为斗杆和回转先导控制。除回转与行走先导控制 类似，使用梭阀外。工作装置的铲斗、动臂和斗杆先导控制信号都单独进行了压力检测， 使控制器能够采集到所有的工作装置的先导控制信号，以便进行诸如合流、流量再分配 等控制。 肄 挖 升 睾 教 右 左 右 左 l 目 后 右 左 浙江大学硕