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液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 摘要 液压挖掘机作为工程机械的主要产品之一，如果不采用节能措施其能 量损失严重。为了增强国产液压挖掘机与国外产品的竞争能力，就必须提 高国产液压挖掘机电子节能控制系统的水平。 本论文从国内外液压挖掘机电子节能应用现状出发，设计液压挖掘机 功率匹配节能控制系统。将“改进的模糊单神经元p i d 控制算法”应用于 该系统中，并通过仿真表明该算法具有优越性。 论文分析了液压挖掘机功率损失的各种原因，根据挖掘机功率匹配节 能控制原理，设计了单、双泵转速感应控制方案，并应用此方案设计节能 控制系统。 嵌入式计算机控制系统是当今单片机控制系统的研究热点之一。本文 将嵌入式系统应用于液压挖掘机的电子节能控制中，设计了系统的硬件和 软件，并通过模拟实验验证系统的控制效果。 关键字：液压挖掘机节能模糊p i d 控制器单神经元功率匹配嵌 入式系统 t h er e s e a r c ho np o ，e rm 已气t c h i n ge n e r g y s a n gc o n t r o ls y s t e mo fh y d ral i c e x c a v a t o rb a s e do ne m b e d d e dp r o c e s s o r a b s t ra c t w i t h o u te n e r g ys a v i n gm e a s u r e s ，h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，a st h em a i n e q u i p m e n tf o rd i g g i n g ，o n l yh a ss e r i o u se n e r g yl o s s i no r d e rt os t r e n g t h e nt h e c o m p e t i t i v ea b i l i t yo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r si nc h i n aa g a i n s tf o r e i g n s ，s o m e m e a s u r e sm u s tb et a k e nt oi m p r o v et h el e v e lo fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o r e n e r g y s a v i n g t h ep a p e rd e s i g n sap o w e rm a t c h i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i ce x c a v a t o rf r o mt h ec u r r e n ta p p l y i n gs i t u a t i o nh o m ea n da b r o a d a n d a p p l i e st h ea l g o r i t h mn a m e d “t h ei m p r o v e df u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o ns i n g l en e u r a ln e t w o r k i nt ot h i ss y s t e m a n ds i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t ei t s s u p e r i o r i t y t h ee n e r g yl o s so fh y d r a u l i ce x c a v a t o rh a v eb e e na n a l y s i s e db yt h i s p a p e r ，w h i c hd e s i g n st h er o t a t i o n a ls p e e ds e n s i n gc o n t r o ls c h e m e so fs i g l ea n d d o u b l ep u m ps y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep o w e rm a t c h i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n t r o l p r i n c i p l e ，a n dt h i ss c h e m e sh a v eb e e n u s e di nt h ee n e r g y s a v i n gc o n t r o ls y s t e m e m b e d d e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi so n eo fh o t r e s e a r c ho fs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi nn o w a d a y s t h ee m b e d d e ds y s t e mi sa p p l i e dt o t h ee l e c t r o n i cs a v i n g e n e r g yc o n t r o ls y s t e mo fh y d r a u l i ce x c a v a t o r ，t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e di nt h i sp a p e r ，a n ds i m u l a t i o n a l e x p e r i m e n t a l sh a v eb e e nm a d et ov e r i f yt h ec o n t r o le f f e c t t t k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r ；e n e r g y - s a v i n g ；f u z z y ；p i dc o n t r o l l e r ； s i n g l en e u r a ln e t w o r k s ；p o w e rm a t c h i n g ；e m b e d d e ds y s t e m m 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：姚 j 矿o i 年6 月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囵却时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：谄n 崞 导师签名：黝啼) 叼年月珥日 广西大掌硕士学位论文舞u 琥掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 柳经通【2 0 0 7 】1 0 1 号。 1 1 2 课题研究意义 第一章绪论弟一早珀下匕 液压挖掘机被誉为“工程机械之王 ，广泛应用于土石方工程、市政工程、路面修 复、农田改造、混凝土破碎、管道铺设、园林栽培及河沟清淤等基础建设和生产领域【1 】。 据统计，工程施工中约有6 0 左右的土石方量是靠液压挖掘机完成的【2 1 。随着近年我国 经济发展，液压挖掘机的国内拥有量快速增长【1 1 ，然而我国挖掘机行业整体水平相对落 后、制造工艺水平低技术不高。挖掘机作业条件比较恶劣，载荷变化大，使得发动机燃 油利用率不高，整个系统能量损失严重。特别是液压挖掘机进行大功率、高灵敏度的各 种作业，能量利用率更低。液压挖掘机是一种大功率设备，其能量的总利用率仅为2 0 左右【3 】【4 】。节能的目的不光是提高燃油利用率，提高设备的操作效率，还在于提高了设 备的可靠性，从而达到降低使用成本的效果。资料显示，工程机械将近4 0 的故障来自 液压系统，1 5 左右的故障来自发动机【5 】。采用节能技术后，可以使动力系统与负载所 需功率更好地匹配。减少液压系统功率损失，提高发动机功率的利用率，降低了发动机 和液压元件的工作强度，从而提高设备在使用中的可靠性，提高设备的使用寿命。 在能源短缺的今天，节能是世界共同关注的话题。目前世界各国均把“节能技术”作 为科技重点发展目标。节能技术成为衡量液压挖掘机先进的重要指标。中国己成为世界 上最大的挖掘机销售市场，国际著名挖掘机厂商基本均已在中国投资建厂，中国已经成 为世界挖掘机的生产大国【6 】。挖掘机市场看好，同时也面对着更激烈的竞争。当今世界， 能源短缺，油价不断上涨，节省燃油，提高操作效率，就意味着提高了设备的性价比， 增强了设备的市场竞争力。国产挖掘机要在竞争中得以生存与发展，就须提高其产品的 竞争力。因此，液压挖掘机的节能控制研究具有十分重要的意义。 液压挖掘机嵌入式功率匹百己。节能控制系统研究 1 2 液压挖掘机电控节能技术的研究状况 1 2 1 国外电控节能技术的研究状况 机电一体化作为一项高新技术，它的迅速发展给挖掘机带来了新的技术变革。国外 从上世纪7 0 年代中期就开始将机电一体化技术应用于挖掘机上。进入8 0 年代后，美、日、 德等国在液压系统节能的基础上，纷纷研制电子节能的液压挖掘机。如德国0 & k 公司的 泵管理系统( p m s ) 、i i n l 【- - b e l t 的c a p s 系统；美国卡特皮勒的发动机转速自动控制 ( a e c ) 系统；日本日立的发动机控制( e c ) 和泵阀控制( p v c ) 系统、小松的泵一发 动机相互控制( p e m u c ) 和闭心式负载传感系统( c l s s ) 、加藤的自动功率输出控制 ( a p c ) 系统、神钢的人工智能控制系统( i t c s ) ；韩国大宇的电子功率优化系统( e p o s ) 、 现代的计算机辅助动力优化选择( c a p o ) 系统；沃尔沃的先进控制系统( a c s ) 等 7 1 1 8 1 9 l 【1 0 l 。其中以日立和小松为代表的电子控制系统的发展，使挖掘机整机控制达到比较完 善的水平。 1 2 2 国内电控节能技术的研究状况 我国挖掘机技术仍处在较低的水平，国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的 形式外，主要靠引进国外先进的液压元件，使国内生产的一些挖掘机技术水平得到一定 的提高，但在最新技术上与国外相比还存在较大的差距。在节能、舒适性、降噪、低污 染、施工质量以及生产率等指标上都不同程度地落后于国外先进水平。 国外挖掘机厂家的电气控制系统技术对中国市场一直处于封锁状态，为了提高挖掘 机性能，国内科研院校和挖掘机厂家正在加紧控制技术的应用研究，并取得了一定的成 果。比如广西柳工机械股份有限公司的c 系列挖掘机配置的c a p c 微电脑控制系统，实 现动态控制液压系统功率跟随柴油机输出功率，使发动机的能力得到充分的发挥【1 1 1 ；湖 南三一重工生产的s y 2 3 0 c 6 型挖掘机采用的控制系统是以e p s 控制器为主的控制系统， 能根据机器的操作状况，自动调整功率匹配和优化作业模式【1 2 】；广西玉柴股份有限公司 试制了w y 2 0 y c 液压挖掘机，具有电子功率调节、三挡功率预选等功能；吉林大学与 徐州工程机械集团公司合作开发电控液压挖掘机系统项目也取得了一定的成效；浙江大 学研制的液压挖掘机机器人将负流量控制、正流量控制、交叉功率控制和压力切断等节 能策略组合起来，取得了良好的控制效果；湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学 2 广西大等明页士掌位论文 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 协作，在国家8 6 3 项目的支持下，投入大量资金，研发具有自主知识产权的机电一体化 挖掘机【1 3 1 。目前，这些研究仍停留在理论和实验阶段，产品性能和质量仍与国外产品存 在着较大的差距。 1 2 3 国内外采用的主要节能技术 ( 1 ) 负荷传感控制系统【1 4 】【1 5 】： 进入2 0 世纪9 0 年代以来，为克服六通多路阀结构的缺点，进一步提高挖掘机的节能 性和操纵性，基于四通多路阀结构的负荷传感技术在挖掘机上的应用递渐增多。传统的 负荷传感阀上一般都配有基于定差减压原理的压力补偿器，以实现多个执行机构间的流 量分配。当泵的供油能力达到饱和时，压力补偿功能失效，使各工作装置间运动的协调 性遭到破坏，给挖掘机操作带来很大不便。为解决这一问题，在多路阀的下游采用基于 比例溢流阀原理的压力补偿阀，使在泵输出流量不足时也能继续保持所有阀口上的压差 一致各执行机构间的速度比例关系不变，提高挖掘机动作的准确性。但负荷传感系统因 结构复杂、成本较高，至今尚未普及。 ( 2 ) 正流量控制 正流量控制在7 0 年代开始用于液压挖掘机，其原理是用先导压力直接控制泵的排 量。在控制中，随先导压力的增加，泵的排量也增加。比较典型的如曰立建机( h i a c h i ) 生产的e x 4 0 0 液压挖掘机【1 5 】。正流量控制减少了旁路节流损失，有效地消除了空流损失， 因而得到广泛应用。但因其存在梭阀组，不仅增加了系统的复杂性，而且影响了系统的 响应速度。 ( 3 ) 负流量控制系统【1 6 】【1 7 】： 出现于2 0 世纪8 0 年代初，目的是为了消除采用六通阀时产生空流损失的节流损失， 目前仍然在国内外挖掘机上大量采用。具体做法是在六通阀的中位回油路上设置流量捡 测装置，利用这信号对液压泵排量进行控制，使通过旁路回油箱的流量始终保持在一个 很小的恒定值( 泵排量与旁路回油流量成负线性关系) ，从而可以减小甚至基本消除中 位回油功率损失。其不足之处在于六通多路阀调速范围有限，受负载影响较大。 ( 4 ) 工程柴油机 电子化控制柴油机技术必将深刻影响液压挖掘机的进一步发展，并从根本上改善动 力系统的匹配性、适应性和经济性，也将更符合日益提高的环保要求【1 8 】。工程柴油机是 专门针对工程机械设计的柴油机，有些国外挖掘机中使用，而国内无专门生产的厂家。 3 广西大学硕士掌位论文 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 ( 5 ) 混合动力挖掘机 混合动力技术在汽车上的成功应用，给各个领域的节能和环保研究注入了新的生 机。鉴于混合动力系统在汽车上的成功运用，国外多家大型挖掘机研究机构和制造厂商 已经开展了一系列有关混合动力液压挖掘机的研究，并在系统结构、控制策略、整机配 置上取得了一定的进展【1 9 1 。而国内由于受到相关技术的制约，基于混合动力设计方法研 究液压挖掘机的节能控制尚处于起步阶段。应用于液压挖掘机上的混合动力系统结构主 要有串联式和并联式两种。 ( 6 ) 泵发动机功率匹配控制 工程机械多用柴油机作为原动机。从挖掘机节能要求看，功率匹配控制的概念包括 多个方面：首先，液压系统要有能力吸收柴油机发出的额定功率，但又不能超出，使柴 油机熄火，以便充分发挥挖掘机的工作能力；第二，在液压系统工作负载较小的情况下， 柴油机运行在部分功率工况。从燃油消耗方面考虑，应调整柴油机调速手柄或泵的排量 使之运行在经济工作点；第三、在挖掘机不工作的状态下，柴油机应处于怠速状态，以 减低柴油机、液压泵的磨损，降低油耗，延长设备的使用寿命。为达到上述目标，往往 采用变量泵与柴油机联合调节的方法。目前国外在比较先进的挖掘机上对发动机采取了 分段功率控制、不再追求完全用足发动机的功率，而根据具体的工况设定发动机的工作 能力，减轻发动机的工作强度，有利于延长设备的使用寿命。发动机的多段功率控制并 不是简单地将柴油机调速杆置于几个特定的位置上。同时还要相应的调节泵的输入扭 矩。使发动机稳定在经济工作点上【刎。 ( 7 ) 其他节能措施 除以上各种阀、泵控节能措施外，现代工程机械中所用的液压泵本身也普遍设置了 一些节能控制功能，主要包括压力切断、交叉功率传感控制和扭矩调节功能。压力切断 功能是一种恒压控制，能有效地防止系统溢流，但在回转马达中由于平衡阀设定压力较 低，使压力切断在回转过程中失去作用。在双泵液压系统中，交叉功率传感控制将全 功率控制和分功率控制的优点结台起来，既能充分利用发动机功率，又能根据双泵各自 驱动回路的负载情况分别提供不同的液压油流量【2 1 1 ，避免柴油机工作能力的浪费。 为减小挖掘机在回转过程中的动能损失，通常在回转油路上加装蓄能器，回收挖 掘机回转制动时的动能、并在回转启动时释放；或者采用二次调节静液压传动系统，它 是近年新发展起来的一种液压系统节能方案，能回收与重新利用系统的制动动能和重力 势能【2 2 1 t 2 3 1 ；国外的某些多路阀，能回收工作装置的势能，从而进一步提高液压系统效率， 4 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 当然也可以通过设置蓄能器来回收势能，但这些措施结构复杂、成本较高，至今仍难以 见到在挖掘机上应用。 1 2 4 节能控制的发展趋势 从国内外发展状况来看，液压挖掘机的节能控制有以下几个发展趋势 2 4 - 3 0 。 ( 1 ) 电液比例控制“智能化 。 ( 2 ) 柴油机电喷控制。 ( 3 ) 负荷传感控制将继续发展。 ( 4 ) 泵一发动机匹配控制进一步“智能化”。 ( 5 ) 现场总线技术和嵌入式系统将大量应用到传统的液压挖掘机。 ( 6 ) 混合动力挖掘机。 1 3 本论文主要研究的内容 目前，国内外较先进的液压挖掘机都是通过调节泵的排量来实现功率匹配控制，达 到液压挖掘机节能降耗的目的【3 l 】【3 2 1 。挖掘机电子节能控制系统的研究主要针对以下几个 环节：发动机的分工况控制、发动机变量泵功率匹配、变量泵一负载的功率匹配控制。 本课题涉及及知识面广，工作量大。本人主要负责完成该项目的子项目发动机与泵 功率匹配控制系统的研究。研究工作内容： ( 1 ) 分析液压挖掘机功率损失的原因，根据液压挖掘机功率匹配节能控制原理、 压力感应控制策略和转速感应控制策略，设计功率匹配节能控制系统的总体方案。 ( 2 ) 在m a t l a b 软件环境下，对发动机变量泵系统模型，进行控制算法的仿真研 究。通过仿真分析，验证控制算法的优劣性，为挖掘机功率匹配节能控制器的提供一种 良好的控制策略。 ( 3 ) 柴油机采用分工况工作方式，设计工作模式设定电路、油门电机驱动模块电 路以及液压泵排量调节驱动电路。 ( 4 ) 在a r m 嵌入式节能控制器上，编写程序，实现发动机( 柴油机) 在各种工作 模式下与液压泵的功率匹配控制。即将油门位置固定在某一位置，当负载变化时，应用 控制策略，实时调节变量泵排量，以稳定发动机转速，使发动机始终工作在某一指定的 工况的最低耗油线附近，达到提高挖掘机工作效率和降低油耗的目的。 5 广西大学硕士掌位论文 液压挖掘机嵌入式功率匹配节冀邑控制系统研究 ( 5 ) 设计节能控制器的c a n 总线驱动程序，使节能控制器能挂接到c a n 总线上， 与c a n 总线上其他接点进行通信，方便系统功能的扩展。 ( 6 ) 根据实际条件，进行实验。 1 4 本章小结 ( 1 ) 本章分析了国内外液压挖掘机电子节能控制系统的研究及应用现状，阐述了 国内研究与国外电子节能技术发展的技术差距。 ( 2 ) 分析了国内外主要采用的节能技术以及节能控制的发展趋势。在挖掘机节能 控制技术中，重点介绍了发动机变量泵功率匹配控制，通过研发挖掘机电子节能控制 系统可以解决挖掘机节能技术的瓶颈。 ( 3 ) 通过对国内外现状分析，指出研究本课题的理论意义与实际意义，并提出论 文研究工作内容。 6 滟压 掘机嵌、式功率匹0 节蘸控制赢航研，： 第二章节能控制理论及总体方案设计 2 1 液压挖掘机动力系统的组成 挖掘机动力系统是指发动机和液压系统的组合，主要包括液压系统、柴油机和节能 控制器三部分。 2 1 1 机械系统 挖掘机机械系统部分由转台及转台上部机构、底架及行走系、与工作装置三大部分 组成旧。反铲装置采用整体鹅颈式动臂结构。工作装置主要由动臂、动臂油缸、铲斗、 铲斗油缸、摇臂连杆、销轴等组成，如图2 - 1 所示。 2 12 液压系统 1 铲斗 2 铲斗油缸 3 斗杆 4 斗杆油缸 5 动臂 6 动臂油缸 7 上部转台 8 下车部分 图2 - 1 挖掘机机械系统组成 f i e2-】thuctiofhychmllcm r m e c h a n i c a ls y s t e r n 液压挖掘机液压系统按液压泵数量来分有：单泵系统、双泵系统和三泵系统；按采 用泵的类型分有：定量泵系统和变量泵系统。图2 2 为一取变量泵挖掘机液压系统的简 化图，挖掘机液压系统由两台同型号的液压泵将发动机输出的机械能转化为液压能，并 在四个主控阀的作用下控制1 个液压马达和3 个液压缸的动作，用来驱动转台的回转和动 臂、斗杆以及铲斗的摆动。 液匿挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 图2 2 液压挖掘机液压系统原理图 f i g 2 - 2h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo f d o u b l ep u m p 2 2 液压挖掘机的功率损失分析 目前国内外液压挖掘机上的柴油机的能量利用部分只有3 0 左右，从柴油机输出到 铲斗的传动总效率也只有5 0 左右，即在液压挖掘机等工程机械中，燃油能量只能利用 1 5 左右p 卅。由于液压挖掘机作业工况复杂，作业过程中负荷变化频繁，变化范围大， 在没有节能措施的情况下，液压系统的效率变化也非常大，存在各种形式的功率损失。 通常，半液压式挖掘机的行走部分采用机械传动，工作装置部分为液压传动，其功率损 失分为行走系部分和液压系统部分，其中行走系部分的功率损失和普通的机械传动的功 率损失相同。全液压式挖掘机的行走系和工作装置部分都采用液压传动，其功率损失主 要为液压统的功率损失。在没有节能措施的情况下，液压挖掘机各种形式的功率损失如 图2 3 和2 4 所示。 8 液压挖掘机嵌入式功率卫疆已节能控制系统研究 图2 3 半液压式挖掘机功率损失 f i g 2 - 3t h ep o w e rl o s so fh a l f - h y d r a l i ce x c a t o r 2 2 1 柴油机能量损失 图2 - 4 全液压式挖掘机功率损失 f i g 2 - 4t h ep o w e rl o s so ff u l l h y d r a l i ce x c a t o r 由发动机的万有特性可知，发动机在工作过程中有高效区，在作业过程中，负载变 化而引起的发动机转速的变化将引起发动机偏离高效节能区工作，使发动机油耗升高。 工作中，发动机的转速稳定在某个转速附近，才能使燃料充分燃烧，达到较高的燃料利 用效率【3 5 】。由于挖掘机工作负载的多变性，柴油机经常偏离经济工作点工作，柴油机输 出功率与液压泵吸收的功率不匹配，燃油利用率低。 2 2 2 泵的能量损失 液压泵在工作过程中存在两种能量损失：因摩擦而产生的机械损失以及因泄漏而产 9 液月讨宅掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 生的容积损失。液体流动时，液体的粘性会引起泵的转矩损失。此外，泵内的零件相对 运动时，机械摩擦也会引起转矩损失。 2 2 3 管路损失 在泵出口处测得的空流压力大约有2 m p a 一3 m p a ，其中有很大一部分是沿程压力损 失。液压系统的管路损失所造成的功率损失是不可小视的。阀口上的功率损失主要包括 旁路空流损失和旁路节流损失。 2 2 4 节流功率损失 液压挖掘机上往往采用多路阀来控制液压系统的换向和流量3 6 】【3 7 1 。图2 5 为某简化 的阀控系统示意图。系统工作时，多路阀c o 逐渐关闭，a 、b 口逐渐打开，系统是利用 c 口的旁路节流作用，升高系统压力，实现负载的驱动，因而造成极大的旁路节流损失。 液压缸的速度调节是通过改变a 、c 1 2 1 的通流面积比来实现的，进行微操作时节流损失 和溢流损失严重吲。系统不工作时，阀心处于中间位置( 中位) ，此时a 、b 口关闭，c 口全开，液压油通过c 口流回油箱，此时理论上不存在功率损失，但由于实际系统中存 在约为2 m p a 3 m p a 回油背压，且液压油流速较快，因此造成一定的旁路空流损失。 2 2 5 溢流功率损失 ( 1 ) 过载溢流损失 图2 - 5 六通多路阀变量液压系统等效图 f i g 2 - 5h e x - v a l v ev a r i a b l eh y d r a u l i cs y s t e m 1 0 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 随着负载压力的增加，泵输出压力也逐渐增加，当超出安全阀设定压力时系统开始 溢流。当工作装置因负载过太而停止动作时，如果不采取措施液压泵输出的全部流量都 通过溢流阀回油箱，此时柴油机的输出功率都消耗在溢流阀上变成热能导致油温升高。 挖掘机在工作中，由于工况的复杂性，经常处于过载状态，因系统溢流而产生的功率损 失就相当可观了。除过载产生的溢流损失外，系统中还存在他形式的溢流损失。 ( 2 ) 回转马达制动溢流损失 图2 _ 6 回转液压马达中的平衡阀 f i g 2 - 6r e t a i no v e r l o a dd i s c h a r g el o s s 挖掘机回转马达两端通常安装有平衡阀( 由两个溢流阀组成见图2 6 ) ，其目的是： 在回转启动时，限制回转压力；在制动时，对马达补油，并起耗能作用。由于挖掘机上 部转台部分存在巨大的转动惯量，回转启动时，回转马达不能完全吸收泵输出的流量， 多余流量通过平衡阀溢流回油箱，造成功率损失。制动时，回转多路阀关闭，但同样由 于上车巨大的的转动惯量，使回转马达继续转动( 相当于液压泵) ，排出的液压油经平 衡阀到回转马达的另一边，因此平衡阀起到溢流阀的作用，将上车的动能转化为液压系 统的热量而耗散【3 8 1 。 2 2 6 势能功率损失 动臂在举升过程中将液压能转换为势能。为防止动臂下降过快，通常在动臂油路上 装单向节流阀，在动臂下降时起阻尼作用，从而将势能转化为热能而耗散【3 9 1 。同样斗 杆在作类似的操作时，也有势能损失的问题。 2 2 7 摩擦功率损失 半液压挖掘机的摩擦功率损失由行走系和液压系统两部分组成，全液压挖掘机的摩 擦功率损失主要为液压系统中由摩擦引起的功率损失。行走系的摩擦功率损失主要是在 机械传动中的机械摩擦造成的；液压系统的摩擦功率损失主要包括：液压缸活塞上的摩 擦功率损失、柴油机和液压泵上的摩擦功率损失。 广西大学硕士掌位论文 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 2 - 3 减少液压挖掘机功率损失的措施 挖掘机液压系统的功率损失一方面会造成能量上的损失，使系统的总效率下降，另 一方面，损失掉的这一部分能量将会转变成热能，使液压油的温度升高，油液变质，容 易导致挖掘机液压系统出现故障，降低系统的稳定性和液压挖掘机液压元件的使用寿 命。针对上述挖掘机的各种能量损失，减少能量损失可采用的措施如下： ( 1 ) 对柴油机能量损失的解决措施 采用柴油机电喷技术 采用发动机一泵功率匹配控制策略 采用混合动力驱动液压挖掘机 ( 2 ) 对泵的能量损失的解决措施 采用变量泵，选用高性能变量泵 采用优质液压油 ( 3 ) 对管路损失的解决措施 当油液在管路中流动时，还存在着沿程压力损失和局部压力损失，尽量采用大通径 液压管路，同时合理布置液压管采用阻力小的管接头。 ( 4 ) 对节流损失和溢流损失的解决措施 采用负流量控制系统 优点：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，自动适应负载 变化。缺点：使用过程中流量波动大、响应时间长、操纵性能差。 采用正流量控制系统 优点：主泵和先导操作手柄输出的压力成正比例关系，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。相对负流量控制系 统，“正流量 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。缺点：技术含量高，只有少数几个企业掌握了这 项技术。 采用负荷传感控制系统 采用发动机一泵功率匹配控制 采用混合动力驱动液压挖掘机 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 混合控制 ( 5 ) 对势能损失和摩擦损失的解决措施 执行机构的摩擦损失，是不可避免的，只能通过改变机械结构和改善润滑条件来减 少损失。执行机构的势能损失，可以采样能量回收技术，把势能存储起来。如采用混合 动力驱动液压挖掘机时，可以通过液压马达一发电机把动臂的势能转化为电能，从而方 便地进行能量的回收。 2 4 功率匹配节能控制系统原理 从2 3 节的分析可以知道采用发动机泵功率匹配控制能有效地减少液压挖掘机液 压系统的功率损失，以下详细介绍发动机发动机一泵功率匹配控制的基本原理。 2 4 1 发动机最经济工作曲线 某型号柴油机的万有特性曲线如图2 7 所示。柴油机万有特性一般以转速聆为横坐 标，以负荷( 平均有效压力己，) 为纵坐标，在图上绘出若干条等油耗曲线和等功率曲 线。从万有特性上，可以清晰地了解到柴油机的各种工况下的性能，找到最经济工作点 的所对应的负荷和转速。柴油机在每个运行功率值下，都有一个最经济工作点，就是等 功率曲线和等耗油曲线的切点。如果将所有功率下的最经济工作点连接起来，就形成了 一条经济工作曲线。柴油机的工作点越靠近经济工作曲线，其燃油在此功率下的利用率 就高，经济性就越好【加】【4 1 】。 漶压挖掘帆嵌 式功率匹配节能控制幕航研究 ，i n ! m 1 图2 7 柴油机万有特性曲线p 1 】 f i g2 - 7c h m m m k p h 自r m c b d z eo f f s l 4 1 3 f 【7 2 42 发动机泵功率匹配原理 发动机的输出功率m ( k w ) 为： t 2 赢”r n r 式中：m 。一发动机转矩( n m ) k发动机的转速( r m i ) 液压泵的输出功率虬( k w ) 为： 帆e 訾= 訾= 等 式中：m 。一泵的吸收扭矩( 哪) ，m b = 旦参 n 一泵的出口压力( m p a ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 吼泵的排量( ，比r ) q 一泵出口流量( 叫m i n ) 泵的输出功率等于发动机的输出功率( mt 札) 时，实现泵与发动机的功率匹配。 由于液压泵自身及传动过程中的存在功率损失，于是有： m = 札。r 1 r 2 ( 2 - 3 ) 式中：吼一发动机与泵之间的传动效率，当泵与发动机直接相连时，可取1 。 ，7 ：一泵自身的容积效率，如采用高性能的柱塞泵，可取o 9 5 又由于有：m 。墨粤则： 2 0 g 将( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式代入( 2 3 ) 式得： m 6 罂；0 9 5 m 。 ( 2 4 ) 二万 由式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 可以知，当发动机的油门位置在某一位置时，为保证发动机 在设定经济转速范围内波动较小，必须使得泵的吸收转矩始终追踪发动机的输出扭矩。 因此，当负载变化( 即n 发生变化) 时，可以调节变量泵的排量吼，使泵的吸收扭矩m b 不变，控制发动机在最经济工作点附近工作，从而实现发动机一变量泵之间的功率匹配， 达到节能的目“4 2 1 。 2 4 3 压力感应控制策略 压力感应控制实际上是转矩控制系统。要求泵的总吸收转矩和发动机转矩相匹配， 既能充分利用发动机功率，又能避免发动机过载熄火，一般工作在发动机额定转矩处。 变量泵的流量是通过泵的出口压力来进行自动控制的，液压泵出口压力增高时，泵倾斜 盘转角减小，泵排量自动减小，其变量特性往往是一条由若干直线段组成的曲线，逼近 恒功率双曲线，泵吸收转矩保持不变恒转矩特性。压力感应控制有液压机械控制方 式和电子控制方式两种【1 0 1 。 应用压力感应控制策略具有响应速度快的优点，但存在不足：在不同油门开度下不 能充分利用发动机功率；当发动机性能曲线稍有降低时，液压泵的吸收功率将会有大幅 度下降。压力感应实际上是恒转矩变量系统，而功率与转速有关，难达到恒功率控制的 要求【4 3 1 。 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制勇谤e 研究 2 4 4 转速感应控制策略 从2 4 2 小节可知，实现发动机泵功率匹配，就是通过调节变量泵排量，使得泵 吸收扭矩不变。由传动关系知，泵的吸收扭矩不变时，发动机的输出扭矩也不变。由发 动机的特性可知，当发动机油门位置不变时，发动机的输出扭矩不变，发动机的转速不 变。因此，发动机一泵功率匹配控制等价于发动机的恒扭矩控制，也等价于发动机的恒 转速控制。也就是，发动机油门位于某一固定位置，当负载发生变化时，通过增加或减 少泵的排量来稳定发动机的转速，使该转速稳定在所对应的油门位置的最经济工作点附 近，从而实现发动机泵的功率匹配，达到节能的目的，这就是转速感应控制策略，它 克服压力感应控制( 转矩控制系统) 的缺点【4 3 1 。 2 5 控制系统总体方案设计 2 5 1 工作模式的选择 挖掘机是一种多功能的机械，使用方式和要求会根据实际环境有所不同：有时需要 进行强有力地挖掘，追求大作业量，发挥大功率；有时强调燃料经济性，生产率要求不 突出，进行一般挖掘和装载工作；有时则重视精度和安全，进行精细工作和微调作业。 为了适应不同作业和使用工况，满足人们的使用愿望，就需要进行分工况控制，根据作 业工况和使用要求来对发动机和液压泵进行优化设定，控制发动机油门开度和液压泵排 量。目前，国外挖掘机都有动力模式选择功能一郴j 。 表2 1 各动力模式柴油机设定转速表( 单位：r i n m i n ) 动力模式 hsfl 液压挖掘机 2 0 0 0 ：；：1 7 0 0 * ；o o1 5 0 0 ：5 , ：8 气1 3 一+ 器5 因此，本文也采用分工况控制，工作模式按负载大小分为：重负荷挖掘模式( h 模 式) ，标准作业模式( s 模式) ，轻载作业模式( f 模式) ，怠速模式( l 模式) 。它 们分别占发动机总功率的1 0 0 、8 5 和7 0 ，5 0 。各模式设定柴油机转速如表2 1 ，p 一 所不o 2 5 2 单泵转速感应控制方案设计 1 6 广西大掣蛹页士掌位论文液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 由于转速控制感应策略，能克服压力感应控制策略不能全部利用发动机功率的不 足，且发动机的转速检测易于实现，因此本文选用转速感应策略设计挖掘机功率匹配节 能控制器。 图2 - 8 单泵转速感应控制方案 h g 2 - 8r o t a t i o n a ls p e e ds e n s i n gc o n t r o ls c h e m e sf o rs i g l ev a r i a b l ep u m ps y s t e m 如液压挖掘机为单泵结构，设计的转速感应控制方案如图2 8 所示。将各工作模式 及其最经济工作点所对应转速，以表格的形式存储在a r m 节能控制器的h a s h 存储器中。 控制器根据当前工作模式进行查表操作，便得到该工作模式下的最经济转速，并以此转 速作为目标转速。转速传感器实时返回当前发动机的实际转速，利用目标转速与实际转 速比较而形成的偏差，进行控制算法的运算，输出排量控制信号，排量控制信号驱动排 量调节机构实时调整变量液压泵的排量，把发动转速稳定在所设定工作模式对应的最经 济转速点附近，达到节能的目的。 2 5 3 双泵转速感应控制方案设计 如液压挖掘机采用双泵结构，控制器还要根据两个变量泵的出口压力，采用双泵功 率分配策略分配来分配两个变量泵的各自排量。从而得到双泵转速控制策略。设计的控 制方案框图如图2 - 9 所示。 图2 - 9 双泵转速感应控制方案框图 f i g 2 - 9r o t a t i o n a ls p e e ds e n s i n gc o n t r o ls c h e m e sf o rd o u b l ev a r i a b l ep u m ps y s t e m 常用的双泵功率分配策略有：全功率控制、分功率控制、交叉功率控制等方法【3 3 1 。 1 7 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 在全功率控制液压泵中，两个变量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。该控制系统变量机构简单，两个泵各自都能够完全吸收 发动机的功率，提高了作业装置的作业能力。但是当两泵回路所需流量不一样时，会造 成某一回路功率损失。 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一起，每个变量泵最 多只能吸收发动机一半的功率。这种系统的优点在于每个变量泵都能够根据各自回路的 负载单独进行变化，对负载的适应性要优于全功率控制系统。但是由于单泵自身条件的 限制，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。 交叉功率分配策略则能克服全功率和分功率分配策略的不足。本文选用文献【4 1 】研 究的交叉功率分配策略，控制方程如下： 吼_ 掣半 g ：兰墨三乏兰三量 c 1s 。- ( 置+ 昱) sc | 2 nc ( k ) d = 旦 丑+ 最 ( 2 5 ) 式中：d 一中间变量； q l 、留：一分别为变量泵1 、变量泵2 的排量控制值； 冀、一分别为变量泵1 、变量泵2 输出压力； c ( k ) 为控制器运算所得到的双泵的总排量的控制值，c 1 、c 2 分别为泵吸收扭矩的上、 下限所对应的控制值。 压力传感器实时检测两变量泵的出口油压，控制器按上述的交叉功率分配策略控制 方程，对控制算法运算所得到的双泵的总排量的控制值进行分配，便得到两变量泵的各 自排量。 2 5 4 单泵控制系统的总体方案设计 设计的单泵功率匹配控制系统总体框图如图2 1 0 所示。 液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 星 总 线 图2 1 0 单泵功率匹配控制系统总体框图 f i g 2 - 1 0p o w e rm a t c h i n ga n de n e r g y s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo fs i g l ev a r i a b l ep u m ph y d r a u l i ce x c a v a t o r 节能控制器为c a n 总线上的一个结点，控制器可以从c a n 总线上接收其他c a n 节 点发送来的命令和数据( 如：从其他节点接收工作模式信号、关闭发动机信号等) ，也 可把自身的工作状态参数发送到q 钒总线上( 如把当前发动机转速发送到a 蝌总线上) 。 油门驱动模块与节能控制器之间采用串口通信方式。柴油机分工况工作，具有四种工作 模式的控制( 见2 5 1 d , 节) ，挖掘机工作时，驾驶员根据实际工作环境，设定相应的工 作模式。油门驱动模块一方面根据所设定的工作模式发出控制指令，驱动油门调节机构 把油门调节到所选择模式相应的油门位置上；一方面通过调用串口通信子程序，把当前 工作模式发送到节能控制器上，节能控制器接收到该工作模式信号，按2 5 2 d , 节的单泵 转速感应控制方案进行控制：控制器根据目标转速( 当前工作模式对应的最经济转速) 与实际转速的偏差，进行控制算法的运算，输出排量控制信号，实时调整变量泵的排量， 把发动转速稳定在目标转速附近，从而实现节能。 2 5 5 双泵控制系统的总体方案设计 如为双变量泵系统，则采用双泵转速感应控制方案，根据两泵出口油压，依据交叉 功率分配策略将控制算法运算所得到的控制量进行分配，所输出的两泵排量控制信号经 变量泵驱动电路驱动电液比例排量调节机构，排量调节机构根据控制量的大小改变相应 变量泵的斜盘倾角，从而改变泵的输出流量，把发动机稳定在该工作模式所对应的经济 转速点附近，从而实现挖掘机的节能。设计的双泵功率匹配控制系统总体框图如图2 1 1 所示。 1 9 广西大掌硕士掌位论文液压挖掘机嵌入式功率匹配节能控制系统研究 油门调节机构卜叫柴油机h 转速传感器 油门驱动模块 二二至二 工作模式选择 压力传感器 变量泵驱动电路 _ 叫变量泵l 卜一 变量泵2 斗杆油缸、回转马达l l 动臂、铲斗油缸 星 总 线 图2 1 1 双泵功率匹配控制系统总体框图 f i g 2 - 1 1p o w e rm a t c h i n ga n de n e r g y s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo fd o u b l ev a r i a b l ep u m ph y d r a u l i ce x c a v a t o r 由于本课题工作量大，目前尚处于前期研究阶段j 本文主要研究单泵功率匹配控制 系统。在单泵功率匹配控制研究成果的基础上，再进一步研究双泵功率匹配控制： 2 6 本章小结 ( 1 ) 综合液压挖掘机动力系统的组成( 机械系统和液压系统) ，详细分析造成液压 挖掘机功率损失的各种原因，并针对各种原因，提出了减少液压挖掘机功率损失的措施。 ( 2 ) 详细阐述发动机变量泵功率匹配节能控制的原理、压力感应控制策略以 及转速感应控制策略，为节能控制系统总体方案设计提供思路和方法。 ( 3 ) 依据功率匹