小型挖掘机液压系统分析

1、2010年8月第38卷第16期机床与液压M AC H I NE TOOL &HYDRAUL ICSA ug 2010V ol 38No 16DO I :10. 3969/j issn 1001-3881 2010 16 019 收稿日期:2009-08-28作者简介:张树忠(1980 , 男, 博士研究生, 主要从事机电液智能控制。电话 E-m ai:l zszgo 163 com 。小型挖掘机液压系统分析张树忠1, 吴文海1, 蒋道成2(1 西南交通大学机械工程学院, 四川成都610031; 2 四川宜宾普什重机有限公司, 四川宜宾644007摘要:针对小型

2、液压挖掘机的工况特点, 分析并比较小型液压挖掘机节流控制系统、负载敏感控制系统以及与负载无关的流量分配系统(LUDV 的功率损失和可控性, 表明LUDV 系统是小型挖掘机液压控制系统最佳选择。关键词:小型液压挖掘机; 功率损失; 控制特性; LUDV中图分类号:TH137 3 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2010 16-053-2The Analysis of H ydraulic Syste m inM ini ExcavatorZ HANG Shuzhong 1, WU W enha i 1, JI A NG Daocheng2(1 Schoo l ofM echan i

3、ca lEngineeri n g , Sou t h w est Jiao tong Un iversity , Chengdu S ichuan 610031, Ch i n a ;2 Y i b i n S ichuan Push H eavy M achinery C o , LTD , Y i b i n S ichuan 644007, Ch i n aAbstrac t :B ased on t he w ork i ng character i sti cs o f m i ni hydrauli c excav ator , pow er loss and contro ll

4、ability of throttli ng contro lsyste m, l o ad sens i ng con tro l syste m and l o ad undependent flo w distributi on syste m (LUDV we re ana l y zed and co m pared . The result is tha t LUDV is t he best cho i ce f o r m i ni hydrau lic ex cava t o rs .K eyword s :M ini hydraulic ex cavato r ; Powe

5、 r loss ; Con tro ll ability ; LU DV小型液压挖掘机具有机动能力强、体积小、多功能作业等特点, 适于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况, 如公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。近些年来得到高速发展, 2005年我国13t 以下小型挖掘机的销量达到了11953台。在小型挖掘机的构成中, 液压系统是其核心部件, 既承担着能量转换的任务, 又是人的肢体的延伸, 以完成操作者的各种控制策略。而其能量损失和可控性是影响小型挖掘机性能的重要指标, 故有必要对小型挖掘机液压系统的节能性和可控性进行研究。1 小型挖掘机液压系统分析目前小型挖掘机的液压系统主要包

6、括:节流控制系统(包括正流量控制、负流量控制 、负载敏感控制系统(LS 和与负载无关的流量分配系统(L UDV 。1 1 节流控制系统节流系统, 采用定量泵或恒功率泵配合三位六通旁路节流多路控制阀, 结构简单、耐用, 对于油液的污染不特别敏感, 成本较低且技术成熟, 因此目前国内仍有大量小型挖掘机采用节流控制系统。但节流控制系统存在大量的节流损失和溢流损失, 系统效率较低、发热量大, 需要较大的冷却器, 见图1。由图2可知,多负载并联时其控制起点及控制范图1 节流控制系统的功率分配围与负载、流量、阀的行程都有着必然的关系, 如负载压力大时, 多路阀阀芯的调速区减小, 挖掘机动作粗暴。图3反应了

7、负载间的影响, 在非饱和区域内(系统需求流量超过泵供油能力 , 低负载执行元件会降低高负载执行元件的速度, 甚至迫使高负载执行元件停止。如图3中,在非饱和区域高负载(25M Pa速度迅速降低。图2 节流控制系统的控制特性图3 节流系统多负载间的影响根据上述分析可知节流控制系统具有以下特点:(1 控制与负载的变化有关;(2 高压、小流量时控制范围较窄; (3 负载之间相互影响; (4 两个以上负载同时运动时, 具有较高负载的执行元件可能会停止不动。1 2 负载敏感控制系统(LS20世纪80年代根据对节能的进一步要求, 负载敏感控制系统(LS 被提出来, 其原理如图4所示, 其功率损失如图5所示。

8、 图4 LS 控制系统原理图图5 LS 控制系统的功率损失比较图1、5可知, LS 控制系统(闭芯 实现了按系统所需提供流量, 因此虽然增加了低负载的节流损失, 但减少了大量的溢流损失和节流损失, 故LS 控制系统的效率比节流控制系统高。 图6为LS 闭芯系统的控制特性。由图6可知:LS 控制系统的控制起点与负载和流量大小均无关, 调速范围较大, 而控制范围则与流量大小有关。两个执行元件的负载压力分别传至各自的压力补偿阀, 其中较高的压力经梭阀再传送到变量泵, 控制机构使泵按需提供流量。当处于饱和状态(泵能提供足够流量 且 p 1、 p 2相等时, 两个负载流量分配取决于开口节流面积A 1、A

9、 2, 可实现复合动作, 互不干扰, 如图7所示。 图6 L S 闭芯系统的控制特性图7 LS 闭芯系统多负载间的影响当系统处于非饱和状态时, 即系统需求的流量超过泵供油能力的极限时, 则无法保证 p 1、 p 2相等(最高负载回路上 p 小于低负载回路上的 p , 故高负载执行元件速度会迅速降低直至停止, 从而使挖掘机失去复合动作的协调能力, 与节流系统相似。如图7中, 在非饱和区域高负载(25M Pa 速度迅速降低。与节流控制系统相比, 负载敏感控制系统具有以下优点:(1 能量利用率相对较高; (2 在饱和状态下, 流量控制精度高, 不受负载压力变化的影响; (3 多个负载可以同步运动或以

10、某种速比运动, 且互不干扰。1 3 与负载无关的流量分配系统(LUDV 针对非饱和状态下多负载复合动作互相干涉的问题, 国外液压厂家开发了与负载无关的流量分配系统(LUDV , 其原理图见图8。通过与LS 系统比较可知两者的不同之处:(1 LUDV 将压力补偿阀设在节流环节之后; (2 压力补偿阀补偿信号取自系统中的最高负载信号, 而不是其自身负载。LUDV 系统中的 p 1、 p 2皆为系统泵出口压力与最大负载压力之差, 因此即使当系统处于不饱和状态时, p 1、 p 2仍然相等(同时值下降 。由于无论系统是否处于饱和状态, p 1和 p 2总相等, 故泵所提供的流量总按照各阀的开口面积A

11、1和A 2成比例分配, 而与负载大小无关。如图9中, 在非饱和区域高负载(25M Pa 和低负载(15M Pa, 流量按比例分配, 而与负载大小无关,只与手柄偏转角度有关。图8 LUDV 原理图图9 LU DV 多负载间的影响通过上述分析可知, LUDV 不仅继承了LS 系统的所有优点, 如能按需提供流量、能量利用率相对较高、控制范围较大、在饱和状态下多个负载可独立工作互不干扰等, 而且还实现了非饱和状态下的与负载无关的流量分配。2 结论通过对小型挖掘机液压控制系统的比较分析可知:(1 LS 系统效率比节流系统高, 且解决了饱和状态下多个负载互不干涉的问题; (2 LUDV 不仅继承了LS 的

12、优点, 而且实现了不同负载压力的多个执行元件间互不干扰的精密控制, 具有良好的控制性能。结合小型液压挖掘机的特点, 可知LUDV 在小型挖掘机上大有用武之地。参考文献:1! 王长江. 当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统的发展方向J.工程机械与维修, 1997:38-40.(下转第59页 图5 单位阶跃响应曲线(1 延迟时间、上升时间和峰值时间分别为0 0571s , 0 0504s 和0 117s , 反映了系统响应的初始快速性很好;(2 调节时间为0 682s , 说明系统具有较好的总体快速性;(3 超调量为19 3%, 表明了系统响应的相对平稳性;由上述指标可知, 系统具有较小的稳态误差

13、, 而且响应速度快, 动态性能较好。4 2 2 正弦输入响应特性带材的#蛇行运动是纠偏控制系统最难克服的干扰形式, 所以以能克服#蛇行运动为设计目标4。在工程设计中可将#蛇行 运动近似为正弦图6 正弦输入响应曲线运动, 所以仿真该系统在正弦输入下的响应。如图6所示, 系统在正弦输入信号作用下的响应曲线与输入信号曲线十分逼近, 可以看出系统具有较好的跟随性。4 3 系统的精度分析4 3 1 跟随误差e rv = k =0 0317 9=1 676mm4 3 2 干扰误差若干扰负载是阶跃形式输入时, 则引入的干扰误差为e n (% =k cek A(s式中:k ce 为总流量-压力系数;k 为系统

14、增益;A 为阀控缸作用面积; N (s 为外负载力。将k ce 、k 、A 和N 的值代入上式得e n (% =1 684&10-7m忽略放大器的零漂、死区以及负载运动时的静摩擦、元件的精度等所引起的误差, 该系统的总误差为e =e r +e n =1 676+0 000168=1 676168mm <2mm可见系统误差满足精度要求。5 结束语作者设计的系统是一种基于比例阀的带钢跑偏电液控制系统。它具有对油污不敏感、工作可靠、维护简单、成本低廉等优点。双向液压锁和电磁换向阀的应用保证了卷取机液压缸与检测器液压缸的互锁与系统的安全。运用M atlab /Smi uli nk 对系统

15、的性能进行仿真分析, 结果表明该系统能较好地满足稳定性、响应速度与控制精度要求。文中的仿真分析结果, 为传统纠偏系统的改造设计提供了一定的理论依据。参考文献:1! 李顺. 浅论电液比例阀在长机列铝材生产线纠偏控制系统中运用的优势J.铝加工, 2003(2:39-41.2! 关景泰. 机电液控制技术M.上海:同济大学出版社, 2004.3! 黄忠霖. 控制系统M atlab 计算及仿真实训M.北京:国防工业出版社, 2006.4! 徐同旺. 光电液伺服式带材纠偏与对中控制J.冶金自动化, 1994, 18(6:29-32.5! 苏东海, 任大林, 杨京兰. 电液比例阀与电液伺服阀性能比较及前景展

16、望J.液压气动与密封, 2008(1 :1-4.(上接第80页 参考文献:1! 乔忠良. 全数字直流调速装置及工程应用J.太原理工大学学报, 2000, 3(2:12-15.2! 李云飞, 谈臻峰, 程甜甜, 等. 变频器通用测试软件平台的设计与实现J.计算机工程与应用, 2007, 47(10:115-116.3! S iem ens E l e ctrica l D r i v es L td . . S I M OR EG D C M aste r6RA70系列使用说明书M /OL.http :/www4. s i e m ens .4! 孙玉胜, 伍银波, 郭永喜, 等. 直流调速系统的计算机辅助设计J.水利电力机械, 2007(6:54-56. 5! S I M AT IC S TEP7V5. 4编程参考手册M.2006. 6! 刘开烈, 朱建民, 王昭进, 等. S7 300PLC 与直流调速装置6RA 70的通讯J.现代机械, 2008(1:78-79. 7! 薛朝改, 曹海旺, 谷文韬. 基于虚拟仪器的动态参数测试系统的研制J.微计算机信息, 200