基于建模与仿真的挖掘机负流量控制液压系统能耗特性剖析

基于建模与仿真的挖掘机负流量控制液压系统能耗特性剖析一、绪论1.1研究背景与意义在现代工程建设领域，挖掘机作为一种重要的土石方施工设备，广泛应用于建筑、道路、桥梁、矿山、水利等众多工程场景，发挥着不可替代的作用，被誉为“工程机械之王”。其作业范围涵盖了挖掘、装载、平整、破碎等多种任务，在整个工程建设中，约60%-75%的土石方作业量由挖掘机完成，极大地提高了工程效率，降低了人力成本。随着全球基础设施建设的持续推进，以及城市化进程的加速，对挖掘机的需求也在不断增长。液压系统作为挖掘机的核心组成部分，直接影响着挖掘机的工作性能、可靠性以及能源利用效率。传统的挖掘机液压系统存在能耗高、响应速度慢、控制精度低等问题，在能源日益紧张、环保要求不断提高的背景下，这些问题愈发凸显。为了满足工程实际需求，提高挖掘机的综合性能，研发高效节能的液压系统成为了当前挖掘机技术发展的关键方向。负流量控制液压系统作为一种先进的液压控制技术，在挖掘机领域得到了广泛的应用与研究。负流量控制液压系统通过独特的控制原理，能够根据负载的变化实时调整液压泵的输出流量，使系统的流量供给与负载需求相匹配，从而有效减少系统的溢流损失和节流损失，降低能耗。同时，该系统还具有响应速度快、控制精度高、工作稳定性好等优点，能够显著提高挖掘机的作业效率和操作性能。负流量控制液压系统在节能和性能提升方面的优势，使其成为挖掘机液压系统发展的重要趋势。对挖掘机负流量控制液压系统进行建模仿真及能耗分析研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，通过建立精确的系统模型，可以深入研究负流量控制液压系统的工作原理、动态特性和控制策略，揭示系统内部各元件之间的相互作用关系和能量传递机制，为液压系统的优化设计和性能改进提供坚实的理论基础。这有助于丰富和完善液压传动与控制理论，推动该领域的学术研究发展。在实际应用方面，能耗分析能够准确评估系统在不同工况下的能源消耗情况，找出能耗的主要来源和影响因素。基于能耗分析结果，可以提出针对性的节能优化措施，如优化泵和阀的控制策略、调整系统参数、改进元件结构等，从而有效降低挖掘机的能耗，减少运行成本。这不仅有助于提高企业的经济效益，还能响应国家节能减排的号召，具有重要的环保意义。此外，通过建模仿真和能耗分析，可以在产品研发阶段对液压系统进行性能预测和优化，缩短研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力。综上所述，开展挖掘机负流量控制液压系统建模仿真及能耗分析研究，对于提高挖掘机的能源利用效率、降低能耗、提升工作性能，推动挖掘机技术的发展，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。1.2国内外研究现状1.2.1挖掘机液压系统发展历程挖掘机液压系统的发展经历了多个重要阶段，从最初的简单机械控制逐步演变为如今高度复杂且智能化的液压控制系统，每一次变革都显著提升了挖掘机的性能和作业效率。早期的挖掘机主要采用机械传动系统，通过机械部件如齿轮、链条等传递动力，这种系统结构简单，但操作费力、控制精度低，且能量损耗大。随着工业技术的发展，液压技术开始应用于挖掘机领域。1951年，法国Poclain公司推出世界第一台全液压挖掘机，标志着挖掘机液压系统的开端。全液压系统利用液体作为工作介质，通过液压泵、液压缸和液压阀等元件实现动力的传递和控制，相较于机械传动系统，液压系统具有传动平稳、响应速度快、控制精度高、易于实现自动化等优点，极大地提高了挖掘机的作业性能。20世纪60-70年代，液压技术在挖掘机上得到了更广泛的应用和发展，液压元件的性能不断提升，系统的可靠性和稳定性也逐步提高。这一时期，出现了多种液压控制方式，如节流调速、容积调速等，以满足不同工况下的作业需求。同时，为了提高挖掘机的工作效率和操作性能，开始采用负载敏感技术，使液压泵的输出流量和压力能够根据负载的变化自动调整，减少了能量的浪费。到了20世纪80年代，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子控制系统开始与液压系统相结合，形成了电液控制系统。这种系统通过传感器实时监测挖掘机的工作状态和负载信息，将信号传输给控制器，控制器根据预设的程序和算法对液压系统进行精确控制，实现了挖掘机的智能化操作和自动化作业。例如，通过电子控制系统可以实现挖掘机的自动挖掘、自动找平、自动回转等功能，大大提高了作业效率和精度，同时降低了操作人员的劳动强度。近年来，随着环保意识的增强和能源危机的加剧，节能成为挖掘机液压系统发展的重要方向。各大挖掘机制造商纷纷研发新型的节能液压系统，如混合动力液压系统、负流量控制液压系统、正流量控制液压系统等。其中，负流量控制液压系统通过检测主操纵阀的回油量来调节液压泵的排量，使泵的输出流量与负载需求相匹配，有效减少了溢流损失和节流损失，降低了能耗，在挖掘机领域得到了广泛的应用和研究。1.2.2负流量控制液压系统研究进展负流量控制技术的起源可以追溯到上世纪80年代，力士乐公司率先提出并应用这一技术。其核心原理是依据主操纵阀回油量大小，在阀后节流孔前建立相应控制压力，以此调节主油泵排量，使主油泵排量与该控制压力成反比。在技术发展初期，主要集中于原理探索与基础理论研究，旨在明晰系统工作机制与内部各元件间的相互作用关系。随着研究的深入，负流量控制液压系统在实际应用中不断改进。在元件研发方面，对泵、阀等关键元件进行优化设计，以提升其性能与可靠性。例如，通过改进泵的结构和制造工艺，提高泵的容积效率和响应速度；研发高性能的控制阀，减少阀的压力损失和内泄漏，增强控制精度。在系统集成方面，注重各元件间的协同工作与匹配优化，以提高系统整体性能。通过合理配置系统参数，优化管路布局，降低系统的压力损失和能量损耗。在应用范围上，负流量控制液压系统最初主要应用于小型挖掘机，随着技术的成熟与完善，逐渐推广至中型和大型挖掘机，并且在其他工程机械领域如装载机、起重机等也得到了应用。如今，负流量控制技术已经成为挖掘机液压系统的主流技术之一，众多挖掘机制造商纷纷采用这一技术，以提高产品的竞争力。例如，卡特彼勒、小松、日立等国际知名品牌的挖掘机产品中，都广泛应用了负流量控制液压系统。同时，国内的挖掘机企业如三一重工、徐工机械、中联重科等也在积极研发和应用负流量控制技术，不断提升产品的性能和质量。1.2.3液压系统建模仿真技术应用现状建模仿真技术在液压系统研究中具有至关重要的作用，它能够在虚拟环境中对液压系统的性能进行预测和分析，为系统的设计、优化和故障诊断提供有力支持。目前，多种类型的仿真软件和技术在挖掘机液压系统中得到了广泛应用。其中，AMESim是一款专门用于液压/机械系统建模、仿真与动力学分析的软件，它基于键合图理论，为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境。在挖掘机液压系统仿真中，AMESim可以对泵、阀、液压缸等液压元件进行精确建模，模拟系统在不同工况下的动态特性，分析系统的压力、流量、功率等参数变化，帮助设计人员优化系统结构和参数。例如，有学者利用AMESim软件对挖掘机负流量控制液压系统进行建模与仿真，研究了系统在不同负载和操作条件下的响应特性，为系统的性能改进提供了依据。Matlab/Simulink也是常用的液压系统仿真工具，它具有强大的数学计算和系统建模能力，能够方便地搭建液压系统的数学模型，并进行动态仿真分析。通过Simulink的模块库，可以快速构建挖掘机液压系统的模型，结合Matlab的编程功能，还可以实现对系统的复杂控制策略设计和优化。例如，通过Matlab/Simulink对挖掘机的电液比例控制系统进行仿真研究，优化了控制器参数，提高了系统的控制精度和响应速度。除了上述软件，还有一些其他的仿真技术也在挖掘机液压系统中得到应用。例如，基于功率键合图的建模方法，能够清晰地描述系统中能量的传递和转换关系，便于对系统进行动态分析；多体动力学仿真技术则可以考虑挖掘机机械结构与液压系统的相互作用，更全面地模拟挖掘机的实际工作状态。1.2.4能耗分析研究现状当前，对于液压系统能耗的研究主要聚焦于能耗测试手段、节能技术应用情况及效果评估。在能耗测试方面，主要采用实验测试与理论计算相结合的方式。实验测试借助各类传感器，如压力传感器、流量传感器、功率传感器等，对液压系统在实际运行过程中的压力、流量、功率等参数进行实时监测与采集，获取系统的能耗数据。例如，通过在挖掘机液压系统的关键部位安装传感器，测量不同工况下泵、阀、液压缸等元件的能耗，从而准确掌握系统的能耗分布情况。理论计算则依据液压系统的工作原理和相关物理定律，建立能耗计算模型，对系统能耗进行理论估算。例如，根据液压泵的排量、压力和转速，以及阀的流量系数和压力损失等参数，计算泵和阀在工作过程中的能量损耗。在节能技术应用方面，除了前文提及的负流量控制技术外，还包括负载敏感技术、混合动力技术、智能控制技术等。负载敏感技术使液压泵的输出流量和压力与负载需求相匹配，减少溢流和节流损失；混合动力技术将传统发动机与电动机相结合，利用电动机在低速和轻载时的高效特性，降低发动机的能耗；智能控制技术通过对挖掘机工作状态的实时监测和分析，自动调整液压系统的工作参数，实现节能运行。例如，某研究采用智能控制算法，根据挖掘机的作业工况自动调整液压泵的排量和发动机的转速，使系统能耗降低了15%-20%。众多研究成果表明，这些节能技术在降低液压系统能耗方面取得了显著成效。然而，不同节能技术在不同工况下的节能效果存在差异，且节能技术的应用可能会对系统的其他性能产生一定影响，如系统的响应速度、控制精度等。因此，如何综合考虑系统的性能和能耗，选择合适的节能技术，并对其进行优化组合，是当前能耗分析研究的重点和难点。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究聚焦于挖掘机负流量控制液压系统，全面且深入地展开建模仿真及能耗分析工作，具体研究内容涵盖以下多个关键方面：负流量控制液压系统原理剖析：深入探究挖掘机负流量控制液压系统的基本工作原理与详细工作过程。系统地分析系统中各关键元件，如液压泵、控制阀、液压缸等的结构特点、工作特性以及它们之间的协同工作机制。明确负流量控制的核心原理，即如何通过检测主操纵阀的回油量来精确调节液压泵的排量，使泵的输出流量与负载需求实现精准匹配，从根本上揭示系统的工作本质。系统建模：运用系统理论、流体力学、控制理论等多学科知识，建立挖掘机负流量控制液压系统的动态数学模型。该模型将充分考虑系统中各元件的动态特性、非线性因素以及它们之间的相互耦合关系。具体而言，对于液压泵，需建立其排量调节、压力-流量特性等数学模型；对于控制阀，要构建阀芯运动、流量-压力特性等模型；对于液压缸，则要建立其运动学和动力学模型。通过这些模型的建立，精确描述系统在不同工况下的动态行为。仿真分析：基于所建立的动态数学模型，利用专业的仿真软件，如AMESim、Matlab/Simulink等，对挖掘机负流量控制液压系统在多种典型工况下的性能进行全面仿真分析。在仿真过程中，详细研究系统的压力、流量、功率等关键参数的动态变化规律，深入分析系统的响应特性、稳定性和控制精度等性能指标。例如，模拟挖掘机在挖掘、装载、回转等不同作业工况下，系统的压力波动情况、流量分配合理性以及功率消耗情况，为系统的优化设计提供数据支持。能耗分析：深入开展挖掘机负流量控制液压系统的能耗分析工作。综合运用理论计算、仿真分析和实验测试等多种手段，全面研究系统在不同工况下的能耗分布情况，准确找出能耗的主要来源和关键影响因素。具体来说，通过理论计算，分析液压泵的能量转换效率、控制阀的节流损失和溢流损失等；通过仿真分析，模拟不同工况下系统各元件的能耗情况；通过实验测试，获取实际工作中的能耗数据，验证理论分析和仿真结果的准确性。在此基础上，对不同工况下系统的能源利用率进行科学评估，明确系统在节能方面的潜力和改进方向。系统优化：根据建模仿真和能耗分析的结果，针对性地提出挖掘机负流量控制液压系统的节能优化策略和具体改进措施。从系统层面出发，优化系统的结构和参数配置，如合理选择液压泵的型号和规格、优化控制阀的控制策略和参数等，以提高系统的能量利用效率。同时，结合先进的控制技术，如智能控制算法、自适应控制策略等，进一步提升系统的性能和节能效果。此外，还将对优化后的系统进行再次仿真验证和实验测试，确保优化措施的有效性和可行性。1.3.2研究方法为确保研究的科学性、准确性和可靠性，本研究综合运用理论分析、建模仿真和实验验证相结合的研究方法，从多个角度深入研究挖掘机负流量控制液压系统，具体方法如下：理论分析：运用系统理论、流体力学、控制理论等多学科的基本原理和方法，对挖掘机负流量控制液压系统的工作原理、结构组成和性能特点进行深入的理论剖析。建立系统的数学模型，推导系统中各元件的数学表达式，分析系统的动态特性和控制策略，为后续的建模仿真和实验研究提供坚实的理论基础。例如，基于流体力学中的连续性方程和伯努利方程，建立液压泵和控制阀的流量-压力特性数学模型；运用控制理论中的反馈控制原理，分析负流量控制策略的工作机制和控制效果。建模仿真：借助专业的仿真软件，如AMESim、Matlab/Simulink等，对所建立的挖掘机负流量控制液压系统数学模型进行可视化建模和仿真分析。在AMESim软件中，利用其丰富的液压元件库，搭建系统的仿真模型，设置各元件的参数和初始条件，模拟系统在不同工况下的运行情况，直观地观察系统中压力、流量等参数的动态变化过程。在Matlab/Simulink环境中，通过编写程序代码，实现对系统模型的搭建和仿真，利用其强大的数据分析和处理功能，对仿真结果进行深入分析，获取系统的性能指标和能耗数据。建模仿真方法能够在虚拟环境中快速、便捷地对系统进行多种工况的模拟测试，节省实验成本和时间，同时可以对系统进行优化设计，为实验研究提供指导。实验验证：设计并开展实验研究，对理论分析和建模仿真的结果进行验证和补充。搭建实验平台，选择合适的实验设备和传感器，如液压泵、控制阀、液压缸、压力传感器、流量传感器等，模拟挖掘机的实际工作工况，对负流量控制液压系统进行实验测试。通过实验获取系统在不同工况下的实际运行数据，包括压力、流量、功率等参数，将实验数据与理论分析和仿真结果进行对比分析，验证模型的准确性和可靠性。同时，通过实验还可以发现系统在实际运行中存在的问题，为进一步优化系统提供实际依据。实验验证是研究的重要环节，能够确保研究结果的真实性和实用性，使研究成果更具实际应用价值。二、负流量控制液压系统原理与特性2.1负流量控制液压系统工作原理2.1.1系统基本构成负流量控制液压系统主要由液压泵、主控制阀、执行元件（液压缸或液压马达）、负流量控制装置以及其他辅助元件组成，各部分相互协作，共同实现系统的流量控制和作业功能。液压泵作为系统的动力源，通常采用恒功率变量泵，如轴向柱塞泵。其作用是将机械能转换为液压能，为系统提供具有一定压力和流量的油液。恒功率变量泵能够根据系统负载的变化自动调节排量，使泵的输出功率保持恒定，从而有效提高能源利用效率，避免发动机过载。例如，在挖掘机进行挖掘作业时，当遇到较大的挖掘阻力，负载压力升高，泵的排量会自动减小，以维持功率恒定；当挖掘阻力较小时，负载压力降低，泵的排量则会增大，提供更多的流量，满足工作装置快速动作的需求。主控制阀是系统中的关键控制元件，一般采用多路换向阀。它负责控制油液的流向和流量，实现对执行元件的运动方向、速度和力的控制。多路换向阀由多个换向阀片组合而成，每个阀片对应一个执行元件，通过操纵阀杆的位置，改变油液的通路，从而实现执行元件的不同动作。例如，在挖掘机中，通过操作主控制阀，可以控制动臂的升降、斗杆的伸缩、铲斗的转动以及回转平台的旋转等动作。执行元件是将液压能转换为机械能的部件，根据工作任务的不同，可选用液压缸或液压马达。液压缸主要用于实现直线往复运动，如挖掘机的动臂、斗杆和铲斗的动作；液压马达则用于实现旋转运动，如回转平台的转动和行走机构的驱动。执行元件的运动速度和输出力取决于输入的油液流量和压力，通过主控制阀的调节，能够满足不同工况下的作业要求。负流量控制装置是负流量控制液压系统的核心部件，它主要由节流孔和负流量反馈油路组成。节流孔通常设置在主控制阀的回油路上，当油液通过节流孔时，会产生一定的压力降，形成负流量控制压力。该压力与通过节流孔的流量成正比，即回油流量越大，负流量控制压力越高。负流量反馈油路则将负流量控制压力引至液压泵的排量调节机构，用于控制泵的排量。当负流量控制压力升高时，泵的排量减小；当负流量控制压力降低时，泵的排量增大。通过这种方式，使泵的输出流量与负载需求相匹配，减少系统的溢流损失和节流损失。除了上述主要元件外，系统中还包括油箱、过滤器、油管、接头、溢流阀等辅助元件。油箱用于储存油液，为系统提供油液补充；过滤器用于过滤油液中的杂质，保证油液的清洁度，防止杂质对系统元件造成损坏；油管和接头用于连接各个元件，形成油液的流通通道；溢流阀则用于限制系统的最高压力，保护系统安全运行。2.1.2工作过程详解当挖掘机未进行作业，处于待命状态时，主控制阀处于中位，液压泵输出的油液大部分通过主控制阀的中位回油道经节流孔流回油箱。此时，通过节流孔的回油流量较大，在节流孔前产生较高的负流量控制压力。该压力作用于液压泵的排量调节机构，使泵的斜盘摆角减小，排量降低，仅输出少量的备用流量，以维持系统的压力和满足微小动作的需求。这样可以减少泵的能耗，降低系统的发热。当操作人员操作挖掘机进行作业时，例如进行挖掘动作，推动操作手柄，先导油液进入主控制阀，控制主阀芯的位移。主阀芯开启，液压泵输出的油液一部分通过主控制阀流向液压缸或液压马达，驱动执行元件动作，实现挖掘作业；另一部分油液则通过主控制阀的回油道经节流孔流回油箱。随着主阀芯开启度的增大，流向执行元件的油液增多，执行元件的运动速度加快，而通过节流孔的回油流量相应减少。回油流量的减少导致节流孔前的负流量控制压力降低，液压泵的排量调节机构在该压力变化的作用下，使泵的斜盘摆角增大，排量增加，从而输出更多的油液，以满足执行元件增加的流量需求。在挖掘作业过程中，负载会不断变化。当遇到较大的挖掘阻力时，执行元件的运动速度会受到影响而降低，此时主控制阀的回油流量会进一步减少，负流量控制压力进一步降低，液压泵的排量随之增大，输出更高的压力和流量，以克服负载阻力，保证执行元件能够继续正常工作。相反，当挖掘阻力减小时，执行元件的运动速度加快，主控制阀的回油流量增加，负流量控制压力升高，液压泵的排量则相应减小，避免泵输出过多的流量，造成能量浪费。在整个工作过程中，负流量控制液压系统通过检测主控制阀的回油流量，实时调整液压泵的排量，使泵的输出流量与负载需求始终保持匹配。这种动态的流量调节机制能够有效减少系统在工作过程中的溢流损失和节流损失，提高系统的能源利用效率。同时，由于系统能够根据负载变化及时调整泵的输出，使得挖掘机的操作更加平稳、响应速度更快，提高了作业效率和操作性能。2.2负流量控制阀特性分析2.2.1阀的结构与工作机制负流量控制阀作为负流量控制液压系统的关键元件，其内部结构设计精巧，对系统的流量控制起着核心作用。常见的负流量控制阀主要由阀体、阀芯、弹簧、节流孔等部分组成。阀体通常采用高强度的铸铁或铸钢材料制成，具有良好的耐压性和密封性，为内部各部件提供了稳定的安装基础和油液流通通道。阀芯是控制阀的核心部件，一般由高精度加工的钢材制成，具有良好的耐磨性和滑动性能。阀芯的形状和结构设计与阀的控制功能密切相关，常见的阀芯形状有圆柱滑阀式、锥阀式等。弹簧则安装在阀芯的一端，为阀芯提供复位力，使其在无外力作用时能够保持在初始位置。节流孔是负流量控制阀实现流量检测和控制的关键部位，通常设置在主控制阀的回油路上，其孔径大小根据系统的流量和压力要求进行精确设计。负流量控制阀的工作原理基于液流的节流效应和压力反馈机制。在系统工作时，液压泵输出的油液一部分经主控制阀流向执行元件，另一部分则通过主控制阀的回油道经节流孔流回油箱。当油液流经节流孔时，由于节流孔的通流面积较小，会产生一定的压力降，从而在节流孔前形成与回油流量成正比的控制压力。这个控制压力即为负流量控制压力，它通过负流量反馈油路被引至液压泵的排量调节机构。液压泵的排量调节机构根据负流量控制压力的大小来调整泵的斜盘摆角，进而改变泵的排量。当执行元件的负载需求增加，主控制阀的回油流量减少，节流孔前的负流量控制压力降低，液压泵的斜盘摆角增大，泵的排量增加，输出更多的油液以满足负载需求；反之，当负载需求减少，主控制阀的回油流量增加，负流量控制压力升高，液压泵的斜盘摆角减小，泵的排量降低，减少油液输出，避免能量浪费。以常见的圆柱滑阀式负流量控制阀为例，阀芯在阀体内可做轴向滑动。当系统处于稳态时，阀芯在弹簧力的作用下保持在一定位置，节流孔的开度固定，回油流量稳定，负流量控制压力也保持不变，液压泵以稳定的排量输出油液。当操作手柄动作，主控制阀阀芯位移，改变油液的流向和流量分配时，回油流量发生变化。若回油流量增大，节流孔前的压力升高，负流量控制压力增大，推动液压泵排量调节机构的活塞移动，使泵的斜盘摆角减小，排量降低；反之，若回油流量减小，负流量控制压力降低，液压泵斜盘摆角增大，排量增加。通过这种方式，负流量控制阀能够实时根据系统的流量需求，精确调节液压泵的排量，实现系统的高效稳定运行。2.2.2流量-压力特性研究负流量控制阀的流量-压力特性是指其通过的流量与阀前后压力差之间的关系，这一特性对挖掘机负流量控制液压系统的性能有着至关重要的影响。为了深入研究负流量控制阀的流量-压力特性，可采用实验研究与理论分析相结合的方法。在实验研究方面，搭建专门的实验测试平台，该平台主要包括液压泵、负流量控制阀、节流阀、压力传感器、流量传感器、油箱以及相关的控制和测量设备。实验时，通过调节节流阀的开度来改变负载，从而使负流量控制阀的阀前压力和回油流量发生变化。利用压力传感器和流量传感器实时采集负流量控制阀前后的压力值以及通过阀的流量值，并将这些数据传输至数据采集系统进行记录和分析。通过改变实验条件，如不同的负载工况、油温、油液粘度等，多次重复实验，获取大量的实验数据，以全面准确地掌握负流量控制阀在不同工况下的流量-压力特性。从理论分析角度来看，根据流体力学的基本原理，如连续性方程和伯努利方程，建立负流量控制阀的流量-压力特性数学模型。对于节流孔的流量计算，可采用薄壁小孔流量公式。假设节流孔为薄壁小孔，其流量公式为：Q=C_qA\sqrt{\frac{2\Deltap}{\rho}}其中，Q为通过节流孔的流量；C_q为流量系数，与节流孔的形状、表面粗糙度等因素有关；A为节流孔的通流面积；\Deltap为节流孔前后的压力差；\rho为油液的密度。在实际的负流量控制液压系统中，由于存在管路阻力、油液的粘性以及系统的动态响应等因素，实际的流量-压力特性会与理论模型存在一定的偏差。例如，随着油温的升高，油液的粘度降低，流量系数C_q会发生变化，从而影响节流孔的流量。此外，系统在动态响应过程中，由于惯性和阻尼的作用，压力和流量的变化会存在一定的滞后现象。负流量控制阀的流量-压力特性对系统性能的影响主要体现在以下几个方面。首先，它直接影响液压泵的排量调节精度。如果流量-压力特性不稳定，当系统负载发生变化时，负流量控制压力不能准确地反映回油流量的变化，导致液压泵的排量调节出现偏差，使系统的流量供给与负载需求不匹配，从而影响系统的工作效率和稳定性。其次，流量-压力特性还会影响系统的能耗。若阀的压力损失过大，会导致系统的能量损耗增加，降低能源利用效率。例如，在大流量工况下，如果节流孔的压力损失过大，会使大量的能量以热能的形式散失，不仅浪费能源，还会导致系统油温升高，影响系统的正常工作。此外，流量-压力特性还与系统的响应速度密切相关。快速准确的流量-压力特性能够使系统对负载变化做出迅速响应，提高挖掘机的操作性能。2.3负载特性对系统的影响2.3.1负载变化规律分析挖掘机在实际作业过程中，会面临多种复杂的工况，不同工况下负载呈现出不同的变化规律，主要体现在负载大小、方向和变化频率等方面。在挖掘工况中，当挖掘机进行土壤挖掘时，负载大小与土壤的性质、挖掘深度以及挖掘方式密切相关。例如，挖掘较硬的黏土或岩石时，负载力明显大于挖掘松软的砂土，挖掘深度越大，所需克服的阻力也越大。在挖掘起始阶段，由于需要打破土壤的初始静止状态，负载力会迅速上升，随着挖掘的深入，负载力可能会在一定范围内波动。当遇到石块等障碍物时，负载力会瞬间急剧增大，可能导致系统压力过载。挖掘过程中，负载方向主要为沿挖掘方向的拉力和垂直于挖掘面的压力，且随着挖掘动作的进行，负载方向会不断变化。负载变化频率也较高，尤其是在挖掘质地不均匀的土壤时，负载力会频繁波动，对系统的动态响应能力提出了较高要求。装载工况下，负载大小主要取决于物料的重量和装载的速度。将大量物料快速装载到运输车辆中时，执行元件需要承受较大的冲击力和持续的负载力。当物料堆积较高时，还需克服物料的重力和摩擦力，负载力相应增大。负载方向主要是垂直向下的重力以及水平方向的摩擦力，在物料抓取和卸载过程中，负载方向会发生改变。负载变化频率相对挖掘工况较低，但在装载过程中，由于物料的不规则性和装载机动作的间歇性，负载力仍会有一定程度的波动。回转工况时，负载大小主要来源于回转平台及工作装置的惯性力、回转阻力以及所承载的物料重量。回转启动和停止瞬间，由于惯性作用，会产生较大的扭矩，回转速度越快，惯性力越大。回转过程中，还需克服来自地面的摩擦力、空气阻力以及机械部件之间的摩擦力等回转阻力。负载方向始终与回转方向垂直，在整个回转过程中，负载方向不断变化。负载变化频率取决于回转的速度和频繁程度，快速连续回转时，负载变化频率较高，对系统的稳定性和响应速度要求较高。2.3.2负载与系统响应关系负载变化对挖掘机负流量控制液压系统的响应特性有着显著影响，直接关系到系统的稳定性和能耗。当负载发生变化时，系统的执行元件，如液压缸和液压马达的速度、加速度会相应改变。在挖掘工况中，遇到较大的挖掘阻力，负载增大，执行元件的速度会降低，加速度减小。这是因为负流量控制液压系统会根据负载变化调整液压泵的排量，当负载增大，主控制阀的回油流量减少，负流量控制压力降低，液压泵的排量增大，以提供更大的压力和流量来克服负载阻力。然而，由于系统存在惯性、摩擦力以及液压元件的响应滞后等因素，执行元件的速度不会立即下降到与负载匹配的状态，而是会有一定的延迟。在这个过程中，系统压力会迅速升高，以维持执行元件的运动。如果系统压力超过了溢流阀的设定压力，溢流阀会开启，部分油液通过溢流阀流回油箱，造成能量损失，这不仅降低了系统的效率，还会导致系统油温升高。相反，当负载减小时，执行元件的速度会加快，加速度增大。主控制阀的回油流量增加，负流量控制压力升高，液压泵的排量减小。但由于执行元件的惯性，其速度不会立即稳定下来，可能会出现速度超调的现象。此时，系统压力会下降，为了防止执行元件因速度过快而失控，系统需要通过控制阀进行调节，增加节流损失，进一步消耗能量。在回转工况中，负载变化对系统响应的影响更为明显。回转启动时，由于负载惯性较大，液压泵需要迅速输出较大的流量和压力，以克服惯性力，使回转平台加速转动。这个过程中，系统压力会急剧上升，如果系统的响应速度不够快，可能会导致回转启动缓慢，影响作业效率。回转停止时，负载惯性会使回转平台继续转动，此时系统需要通过制动装置和控制阀来消耗惯性能量，使回转平台平稳停止。如果系统不能有效地控制负载惯性，可能会出现回转平台抖动、制动距离过长等问题，影响系统的稳定性和安全性。负载变化还会对系统的稳定性产生影响。当负载变化频繁且幅度较大时，系统的压力和流量会频繁波动，容易引起系统的振动和噪声。如果系统的动态响应能力不足，无法及时跟踪负载变化，可能会导致系统失控，影响挖掘机的正常作业。此外，负载变化还会影响系统的能耗。在负载较大时，液压泵需要输出较高的压力和流量，消耗更多的能量；而在负载较小时，如果系统不能及时调整泵的排量，会造成能量的浪费。因此，为了提高系统的稳定性和降低能耗，需要优化系统的控制策略，提高系统的动态响应能力，使系统能够快速、准确地适应负载变化。三、系统建模方法与模型建立3.1建模理论基础3.1.1流体力学基本方程在对挖掘机负流量控制液压系统进行建模的过程中，流体力学基本方程起着至关重要的作用，它们是描述油液流动和压力变化的基础，为建立系统模型提供了关键的理论依据。连续性方程是流体力学中的一个基本守恒定律，它基于质量守恒原理，反映了在流体流动过程中，单位时间内流入和流出控制体的质量相等。对于液压系统中的油液流动，连续性方程可表示为：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0其中，\rho为油液密度，t为时间，\vec{v}为油液流速矢量，\nabla\cdot表示散度算子。在挖掘机负流量控制液压系统中，当油液在管路中稳定流动时，若忽略油液的可压缩性，即认为油液密度\rho为常数，则连续性方程可简化为：\nabla\cdot\vec{v}=0这意味着在稳定流动情况下，通过管路任意截面的流量相等。例如，在液压泵向主控制阀输送油液的过程中，根据连续性方程，液压泵的输出流量应等于主控制阀入口处的输入流量，以及各执行元件的输入流量之和与主控制阀回油流量之和。连续性方程对于分析系统中油液的流量分配和流动状态具有重要意义，它能够帮助我们确定系统中各元件之间的流量关系，为系统建模提供了流量方面的约束条件。伯努利方程则是能量守恒定律在理想流体稳定流动中的体现，它描述了理想流体在同一流管中各点的压力、流速和高度之间的关系。其表达式为：p+\frac{1}{2}\rhov^2+\rhogh=C其中，p为油液压力，v为油液流速，h为油液相对于某一基准面的高度，g为重力加速度，C为常数。在实际的液压系统中，虽然油液并非完全理想流体，但在一定条件下，伯努利方程仍可近似用于分析油液的能量转换和压力变化。例如，在分析液压泵出口处与执行元件入口处的压力关系时，若忽略管路中的能量损失，可根据伯努利方程进行估算。伯努利方程为我们理解系统中油液的压力变化和能量传递提供了重要的理论基础，通过它可以分析不同位置处油液的能量状态，从而为系统的压力分析和元件选型提供依据。此外，在液压系统中，还涉及到其他一些与流体力学相关的方程和原理，如牛顿内摩擦定律用于描述油液的黏性，揭示了油液内部摩擦力与流速梯度之间的关系；动量方程则用于分析油液在流动过程中的动量变化，对于研究系统中油液对元件的作用力等问题具有重要作用。这些流体力学基本方程相互关联，共同构成了描述挖掘机负流量控制液压系统中油液流动和压力变化的理论体系。在建立系统模型时，需要综合运用这些方程，考虑油液的黏性、可压缩性、管路阻力等因素，以准确描述系统的动态特性。例如，在建立液压泵的流量-压力特性模型时，需要考虑油液的黏性对泵内泄漏的影响；在分析主控制阀的节流特性时，需要运用伯努利方程和连续性方程来确定阀口的流量和压力关系。3.1.2控制理论在系统中的应用控制理论在挖掘机负流量控制液压系统中具有广泛而深入的应用，是实现系统稳定运行和精确控制的核心理论基础。通过合理运用各种控制理论和算法，能够使系统根据负载的变化实时调整液压泵的输出流量和压力，从而满足挖掘机不同工况下的作业需求。反馈控制是控制理论在负流量控制液压系统中应用的关键环节之一。负流量控制技术的本质就是一种基于反馈控制原理的流量调节方法。系统通过检测主操纵阀的回油流量，将其转化为负流量控制压力信号，然后将该信号反馈至液压泵的排量调节机构。液压泵根据反馈回来的控制压力调整自身的排量，使泵的输出流量与负载需求相匹配。这种反馈控制机制能够实现系统的闭环控制，有效提高系统的稳定性和响应速度。例如，当挖掘机进行挖掘作业时，负载发生变化，主操纵阀的回油流量随之改变，负流量控制压力也相应变化。液压泵接收到这个反馈信号后，迅速调整排量，以适应负载的变化，保证挖掘作业的顺利进行。反馈控制还可以增强系统的抗干扰能力，当系统受到外界干扰，如油温变化、油液污染等影响时，反馈控制能够及时调整系统参数，使系统保持稳定运行。比例控制在负流量控制液压系统中也有着重要的应用。在系统中，主控制阀通常采用比例控制阀，通过控制输入的电信号或液压信号的大小，来精确调节主控制阀阀芯的位移，从而实现对油液流量和流向的比例控制。例如，当操作人员操作挖掘机的操作手柄时，手柄的位移量会转化为相应的电信号或液压信号，输入到比例控制阀中。比例控制阀根据输入信号的大小，按比例控制阀芯的开度，进而控制流向执行元件的油液流量，实现执行元件运动速度的精确控制。比例控制具有响应速度快、控制精度高的特点，能够使挖掘机的操作更加平稳、灵活，提高作业效率和质量。此外，现代控制理论中的一些先进算法，如自适应控制、模糊控制等，也逐渐应用于挖掘机负流量控制液压系统中。自适应控制算法能够根据系统的运行状态和参数变化，自动调整控制器的参数，使系统始终保持在最佳的工作状态。在挖掘机作业过程中，负载情况复杂多变，自适应控制可以实时监测系统的负载、油温、油液粘度等参数，根据这些参数的变化自动调整液压泵的控制策略和主控制阀的控制参数，以适应不同的工况需求，提高系统的性能和可靠性。模糊控制则是基于模糊逻辑理论，将操作人员的经验和知识转化为模糊规则，通过模糊推理和决策来实现对系统的控制。模糊控制不需要精确的数学模型，能够处理系统中的不确定性和非线性因素，具有较强的鲁棒性和适应性。例如，在挖掘机遇到复杂的挖掘工况，难以用精确的数学模型描述时，模糊控制可以根据预设的模糊规则，对系统进行合理的控制，保证挖掘作业的顺利进行。控制理论在挖掘机负流量控制液压系统中的应用，使得系统能够实现高效、稳定、精确的控制。通过反馈控制、比例控制以及先进的控制算法，系统能够根据负载变化实时调整自身的工作状态，提高能源利用效率，提升挖掘机的作业性能和操作舒适性。随着控制理论的不断发展和创新，未来还将有更多先进的控制方法应用于挖掘机液压系统中，进一步推动挖掘机技术的发展和进步。3.2系统数学模型建立3.2.1泵的数学模型液压泵作为挖掘机负流量控制液压系统的动力源，其数学模型的建立对于准确描述系统性能至关重要。以常见的轴向柱塞泵为例，泵的输出流量Q_p与转速n、斜盘角度\theta以及泵的排量V密切相关，可表示为：Q_p=Vn\eta_v其中，\eta_v为泵的容积效率，它受到多种因素的影响，如油液的粘度、泵的工作压力、温度等。在实际应用中，容积效率可通过实验测试或经验公式进行确定。一般来说，随着泵工作压力的升高，容积效率会略有下降；而油温升高导致油液粘度降低时，容积效率也会受到一定影响。例如，在某一特定型号的轴向柱塞泵中，通过实验测试得到其在不同压力和油温下的容积效率数据，建立起容积效率与压力、油温的经验关系式，以便在数学模型中准确计算泵的输出流量。泵的输出压力p_p则与负载压力p_L、管路压力损失\Deltap以及泵的特性曲线有关。在稳态情况下，泵的输出压力等于负载压力与管路压力损失之和，即：p_p=p_L+\Deltap然而，在动态过程中，由于油液的惯性和压缩性，泵的输出压力会存在一定的波动。考虑油液的惯性和压缩性，根据流体力学中的动量方程和连续性方程，可建立更为精确的泵输出压力动态模型。假设泵的出口连接着一段长度为L、内径为d的管路，油液密度为\rho，体积弹性模量为K，则泵输出压力p_p的动态方程可表示为：\frac{\partialp_p}{\partialt}=\frac{K}{A}\left(\frac{\partialQ_p}{\partialx}-\frac{\partialQ_{leak}}{\partialx}\right)-\frac{K\rho}{A}\frac{\partial^2x}{\partialt^2}其中，A为管路的横截面积，x为油液在管路中的位移，Q_{leak}为管路中的泄漏流量。这个方程描述了泵输出压力在动态过程中的变化规律，考虑了油液的惯性、压缩性以及管路中的泄漏等因素。泵的斜盘角度\theta是控制泵排量的关键参数，它与负流量控制压力p_n之间存在着特定的关系。在负流量控制液压系统中，斜盘角度通常通过一个比例环节和积分环节来控制，以实现对泵排量的精确调节。设斜盘角度的控制函数为\theta(p_n)，则可表示为：\theta(p_n)=K_pp_n+K_i\intp_ndt其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，它们的取值根据系统的性能要求和控制策略进行确定。通过调整这两个系数，可以优化泵的动态响应特性和控制精度。例如，增大比例系数K_p可以提高系统的响应速度，但可能会导致系统的稳定性下降；增大积分系数K_i可以减小系统的稳态误差，但可能会使系统的响应速度变慢。因此，需要综合考虑系统的性能指标，通过仿真或实验对比例系数和积分系数进行优化。3.2.2阀的数学模型在挖掘机负流量控制液压系统中，各种阀的数学模型对于准确描述系统的流量分配和压力控制起着关键作用。以换向阀和节流阀为例，其流量-压力特性和控制特性的数学表达如下。换向阀作为控制油液流向的关键元件，其流量-压力特性可通过阀口流量方程来描述。假设换向阀的阀口为理想的薄壁小孔，根据伯努利方程和连续性方程，可得到阀口流量Q_v与阀口前后压力差\Deltap_v的关系为：Q_v=C_dA_v\sqrt{\frac{2\Deltap_v}{\rho}}其中，C_d为流量系数，它与阀口的形状、表面粗糙度等因素有关，一般通过实验确定；A_v为阀口的通流面积，它与阀芯的位移量有关，可根据换向阀的结构尺寸和阀芯的运动规律进行计算；\rho为油液的密度。在实际应用中，换向阀的流量-压力特性会受到多种因素的影响，如油液的粘性、阀口的磨损、油温变化等。这些因素会导致流量系数C_d和通流面积A_v发生变化，从而影响阀的流量-压力特性。例如，随着油温的升高，油液的粘性降低，流量系数C_d会增大，导致阀口流量增加；阀口的磨损会使通流面积A_v发生变化，进而影响阀的流量控制精度。因此，在建立换向阀的数学模型时，需要充分考虑这些因素的影响，通过实验测试或经验公式对流量系数和通流面积进行修正。节流阀的流量-压力特性同样可采用类似的阀口流量方程进行描述。然而，节流阀与换向阀不同之处在于，节流阀主要用于调节油液的流量，其阀口的通流面积通常是可调节的。设节流阀的通流面积为A_t，则节流阀的流量Q_t与阀口前后压力差\Deltap_t的关系为：Q_t=C_dA_t\sqrt{\frac{2\Deltap_t}{\rho}}节流阀的控制特性主要体现在其通流面积的调节方式上。常见的节流阀有手动节流阀、可调节流阀和电液比例节流阀等。对于手动节流阀和可调节流阀，通流面积的调节通常通过手动旋转调节手柄来实现；而电液比例节流阀则通过输入电信号来控制阀芯的位移，从而实现通流面积的连续调节。以电液比例节流阀为例，其通流面积A_t与输入电信号u之间的关系可表示为：A_t=f(u)其中，f(u)为电液比例节流阀的控制函数，它根据阀的结构和控制策略确定。一般来说，控制函数可以是线性函数或非线性函数。例如，在某些电液比例节流阀中，通流面积与输入电信号之间呈线性关系，即A_t=K_uu，其中K_u为比例系数；而在另一些阀中，由于阀芯的特殊结构或控制要求，通流面积与输入电信号之间可能呈现非线性关系，需要通过实验测试或数学建模来确定其具体表达式。在挖掘机负流量控制液压系统中，阀的数学模型还需要考虑阀的动态响应特性。由于阀芯的运动存在惯性和阻尼，阀的流量和压力变化会存在一定的滞后现象。为了准确描述阀的动态特性，可建立阀芯的运动方程。以换向阀为例，假设阀芯的质量为m，弹簧刚度为k，粘性阻尼系数为b，作用在阀芯上的液压力为F_p，则阀芯的运动方程可表示为：m\frac{d^2x}{dt^2}+b\frac{dx}{dt}+kx=F_p其中，x为阀芯的位移。通过求解这个运动方程，可以得到阀芯的位移随时间的变化规律，进而确定阀口的通流面积和流量-压力特性的动态变化。3.2.3执行元件数学模型执行元件作为将液压能转换为机械能的关键部件，其数学模型的建立对于描述挖掘机工作装置的运动特性至关重要。下面分别对液压缸和液压马达的数学模型进行阐述。液压缸在挖掘机中广泛应用于实现工作装置的直线往复运动，如动臂的升降、斗杆的伸缩等。液压缸的运动特性与输入油液参数密切相关，可通过建立其运动学和动力学模型来描述。从运动学角度来看，液压缸的活塞位移x与输入油液流量Q和液压缸的有效面积A之间存在如下关系：Q=A\frac{dx}{dt}对该式进行积分，可得活塞位移随时间的变化表达式：x=\frac{1}{A}\intQdt这表明，通过控制输入液压缸的油液流量，可以精确控制活塞的位移，从而实现工作装置的直线运动。在动力学方面，液压缸的输出力F与负载力F_L、活塞面积A、油液压力p以及摩擦力F_f等因素有关。根据牛顿第二定律，可建立液压缸的动力学方程为：F=pA-F_L-F_f=m\frac{d^2x}{dt^2}其中，m为活塞及负载的总质量。在实际工作中，负载力F_L会随着工作装置的运动和作业工况的变化而变化，如在挖掘过程中，负载力可能会受到土壤阻力、物料重量等因素的影响；摩擦力F_f则包括活塞与缸筒之间的摩擦力以及密封件的摩擦力等，通常可采用库仑摩擦模型或粘性摩擦模型进行描述。例如，库仑摩擦模型可表示为F_f=\muN，其中\mu为摩擦系数，N为活塞与缸筒之间的正压力；粘性摩擦模型则可表示为F_f=b\frac{dx}{dt}，其中b为粘性阻尼系数。液压马达在挖掘机中主要用于实现回转机构和行走机构的旋转运动。液压马达的数学模型同样包括运动学和动力学两个方面。液压马达的转速\omega与输入油液流量Q和液压马达的排量V_m之间的关系为：Q=V_m\omega\eta_v其中，\eta_v为液压马达的容积效率，它反映了液压马达内部的泄漏情况，一般通过实验测试或经验公式确定。对该式进行变形，可得液压马达转速的表达式：\omega=\frac{Q}{V_m\eta_v}这表明，通过调节输入液压马达的油液流量，可以控制其转速，从而实现回转机构和行走机构的旋转运动。在动力学方面，液压马达的输出转矩T与负载转矩T_L、液压马达的排量V_m、油液压力p以及机械效率\eta_m等因素有关。根据转矩平衡方程，可建立液压马达的动力学方程为：T=\frac{1}{2\pi}V_mp\eta_m-T_L=J\frac{d\omega}{dt}其中，J为液压马达及负载的转动惯量。负载转矩T_L在实际工作中会受到多种因素的影响，如回转机构的惯性力、行走机构的地面阻力等；机械效率\eta_m则反映了液压马达在能量转换过程中的机械损失，一般也通过实验测试或经验公式确定。在建立执行元件数学模型时，还需要考虑一些实际因素的影响，如油液的可压缩性、管路的压力损失、液压缸的内泄漏和外泄漏等。这些因素会导致执行元件的实际性能与理论模型存在一定的偏差，因此在模型建立过程中需要进行适当的修正和补偿。例如，考虑油液的可压缩性时，可在流量方程中引入油液的体积弹性模量；考虑管路压力损失时，可在压力方程中增加管路阻力项。通过综合考虑这些实际因素，可以建立更加准确的执行元件数学模型，为挖掘机负流量控制液压系统的性能分析和优化设计提供可靠的依据。3.2.4系统整体数学模型整合将泵、阀和执行元件的数学模型整合为系统整体的数学模型，是全面分析挖掘机负流量控制液压系统性能的关键步骤。在这个整合过程中，各部分之间存在着紧密的耦合关系和相互作用。从系统的能量传递角度来看，液压泵作为动力源，将机械能转换为液压能，通过管路将高压油液输送给阀和执行元件。泵的输出流量和压力直接影响着阀的工作状态和执行元件的运动特性。例如，当泵的输出流量增加时，阀的通流面积相应增大，以保证足够的油液供应给执行元件，从而使执行元件的运动速度加快；反之，当泵的输出流量减少时，阀会调节通流面积，使执行元件的运动速度降低。同时，泵的输出压力也必须能够克服系统中的各种阻力，包括管路阻力、负载阻力以及阀的压力损失等，以确保系统的正常运行。阀在系统中起着控制油液流向和流量的关键作用，它是连接泵和执行元件的桥梁。阀的流量-压力特性直接影响着系统的流量分配和压力控制。通过调节阀的开度，可以改变油液的流向和流量，从而实现对执行元件运动方向和速度的精确控制。例如，换向阀通过切换阀芯的位置，改变油液的通路，使执行元件实现不同的动作；节流阀则通过调节阀口的通流面积，控制油液的流量，进而调节执行元件的运动速度。同时，阀的压力损失也会影响系统的能耗和效率，因此在系统模型中需要准确考虑阀的压力损失特性。执行元件是系统的最终执行部件，它将液压能转换为机械能，实现挖掘机工作装置的各种运动。执行元件的运动特性，如速度、位移和力等，不仅取决于输入的油液参数，还与负载特性密切相关。在实际工作中，负载的变化会导致执行元件的运动状态发生改变，进而影响系统的整体性能。例如，在挖掘作业中，当遇到较大的挖掘阻力时，负载力增大，执行元件的运动速度会降低，此时系统需要通过调节泵的输出流量和压力，以及阀的开度，来保证执行元件能够克服负载阻力，继续正常工作。在整合系统整体数学模型时，需要考虑各部分之间的动态响应特性和相互影响。由于系统中存在惯性、阻尼、弹性等因素，各元件的动态响应存在一定的滞后和波动。例如，泵的排量调节需要一定的时间，阀的阀芯运动也存在惯性和阻尼，执行元件的运动由于负载的变化和油液的压缩性会产生波动。这些动态特性会相互影响，导致系统的整体性能受到影响。因此，在建立系统整体数学模型时，需要采用适当的方法，如状态空间法、传递函数法等，来描述系统的动态特性，分析各部分之间的耦合关系和相互作用。以状态空间法为例，将系统中的各个变量，如泵的输出流量、压力，阀的阀芯位移、流量，执行元件的位移、速度等，作为状态变量，建立系统的状态方程和输出方程。状态方程描述了状态变量随时间的变化关系，输出方程则描述了系统的输出变量与状态变量之间的关系。通过求解状态方程和输出方程，可以得到系统在不同工况下的动态响应特性，分析系统的稳定性、响应速度和控制精度等性能指标。同时，还可以利用现代控制理论中的各种方法，如极点配置、最优控制等，对系统进行优化设计，提高系统的性能和可靠性。综上所述，系统整体数学模型的整合是一个复杂而关键的过程，需要综合考虑泵、阀和执行元件之间的耦合关系、能量传递、动态响应特性以及负载特性等多种因素。通过建立准确的系统整体数学模型，可以深入分析挖掘机负流量控制液压系统的性能，为系统的优化设计和控制策略的制定提供有力的理论支持。三、系统建模方法与模型建立3.3基于仿真软件的模型搭建3.3.1仿真软件选择与介绍在对挖掘机负流量控制液压系统进行建模仿真时，本研究选用了AMESim软件。AMESim全称为AdvancedModelingEnvironmentforperformingSimulationofengineeringsystems，是一款由法国Imagine公司推出，后被比利时LMS公司收购的多领域复杂系统建模和仿真平台。AMESim在液压系统仿真中具有显著的优势和特点。首先，它拥有丰富且直观的元件库，其中与液压相关的库就包括标准液压库、液压元件设计库、液阻库等。这些库中包含了各种常见的液压元件模型，如液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路等，用户可以直接从元件库中调用所需元件，快速搭建液压系统模型，大大提高了建模效率。例如，在搭建挖掘机负流量控制液压系统模型时，只需从标准液压库中选取轴向柱塞泵模型来代表液压泵，从控制阀库中选择多路换向阀模型作为主控制阀，从执行元件库中选择液压缸模型来模拟工作装置的执行元件，通过简单的连线即可完成系统的初步搭建。AMESim采用图形化的物理建模方式，用户无需编写复杂的代码，只需通过拖拽元件、连接端口等简单操作，就能构建出系统的模型。这种建模方式非常直观，易于理解，即使对于缺乏编程经验的工程师和研究人员来说，也能够快速上手，降低了建模的难度。同时，AMESim还支持对元件参数进行可视化设置，用户可以方便地修改元件的各种参数，如泵的排量、阀的流量系数、液压缸的直径和行程等，以便更准确地模拟实际系统的工作状态。在仿真分析方面，AMESim具有强大的求解器和高效的计算能力，能够对复杂的液压系统进行精确的动态仿真分析。它可以模拟系统在不同工况下的运行情况，包括稳态和瞬态过程，准确地计算出系统中各点的压力、流量、功率等参数随时间的变化曲线。通过对这些仿真结果的分析，用户可以深入了解系统的动态特性、响应速度、稳定性等性能指标，为系统的优化设计提供有力的数据支持。例如，在研究挖掘机在挖掘、装载等不同工况下负流量控制液压系统的性能时，AMESim能够快速准确地模拟出系统在这些工况下的压力波动、流量分配以及功率消耗等情况，帮助研究人员找出系统存在的问题和改进的方向。此外，AMESim还具备良好的开放性和扩展性，支持与其他软件进行联合仿真。它可以与Matlab/Simulink、Adams等软件进行无缝连接，实现多学科领域的协同仿真。例如，在研究挖掘机的整机性能时，可以将AMESim中建立的液压系统模型与Adams中建立的机械结构模型进行联合仿真，综合考虑液压系统与机械结构之间的相互作用，更全面地分析挖掘机的工作性能。同时，AMESim还支持用户自定义元件模型，用户可以根据实际需求，利用AMESim提供的建模工具，开发出符合特定要求的元件模型，进一步拓展了软件的应用范围。3.3.2模型搭建步骤与参数设置在AMESim软件中搭建挖掘机负流量控制液压系统模型时，需遵循一定的步骤并进行合理的参数设置，以确保模型能够准确地模拟实际系统的工作特性。首先是元件库的选择，打开AMESim软件后，进入草图模式，在元件库浏览器中找到与液压系统相关的库。如前文所述，从标准液压库中选取轴向柱塞泵作为系统的动力源，该泵具有恒功率变量特性，能够根据系统负载的变化自动调节排量。选择多路换向阀作为主控制阀，它由多个换向阀片组成，可实现对多个执行元件的控制。从执行元件库中选择液压缸模型，用于模拟挖掘机工作装置的直线运动，如动臂的升降、斗杆的伸缩等。此外，还需选取油箱、过滤器、油管、接头等辅助元件，以构建完整的液压系统。参数设置是模型搭建的关键环节，其准确性直接影响仿真结果的可靠性。对于液压泵，需要设置的参数包括额定排量、额定压力、转速、容积效率、机械效率等。例如，某型号轴向柱塞泵的额定排量为50mL/r，额定压力为35MPa，转速为1800r/min，容积效率设定为0.92，机械效率设定为0.9。这些参数可以根据泵的产品说明书或实际测试数据进行确定。多路换向阀的参数设置包括阀口的流量系数、阀芯的位移特性、弹簧刚度等。假设阀口的流量系数为0.62，阀芯的位移与输入信号成线性关系，弹簧刚度为500N/m。液压缸的参数设置主要有缸筒内径、活塞杆直径、行程、活塞面积等。例如，某液压缸的缸筒内径为100mm，活塞杆直径为60mm，行程为1500mm，根据这些尺寸可计算出活塞面积，用于后续的动力学计算。完成元件选择和参数设置后，进行模型的连接。按照系统的工作原理和油路走向，使用AMESim提供的连接工具，将各个元件的端口依次连接起来。例如，将液压泵的出油口与多路换向阀的进油口相连，多路换向阀的工作油口与液压缸的油口相连，液压缸的回油口通过油管连接到多路换向阀的回油口，最终回油通过过滤器流回油箱。在连接过程中，要注意端口的匹配和连接的正确性，确保油液能够按照预期的路径流动。在连接过程中，还需考虑管路的长度、直径、粗糙度等参数对系统性能的影响。较长的管路会增加油液的沿程压力损失，较大的管径可以降低流速，减少压力损失，但会增加系统的成本和体积。管路的粗糙度会影响油液的流动阻力，进而影响系统的性能。因此，需要根据实际情况合理设置管路参数。例如，假设连接液压泵和多路换向阀的油管长度为3m，内径为25mm，粗糙度为0.02mm，通过这些参数可以在AMESim中准确模拟管路对油液流动的影响。在模型搭建完成后，还需对模型进行一些基本的设置，如仿真时间、步长、求解器类型等。仿真时间应根据实际需要进行设置，以涵盖系统的主要工作过程。步长的选择会影响仿真的精度和计算效率，较小的步长可以提高仿真精度，但会增加计算时间；较大的步长则计算速度快，但可能会影响仿真精度。求解器类型有多种，不同的求解器适用于不同类型的系统和仿真需求，需要根据系统的特点和仿真要求进行选择。例如，对于挖掘机负流量控制液压系统这种动态系统，可选择具有较高精度和稳定性的隐式求解器，仿真时间设置为10s，步长设置为0.001s。3.3.3模型验证与校准模型搭建完成后，通过与实验数据或理论计算结果对比，验证仿真模型的准确性，并对模型进行校准和优化，是确保模型可靠性和有效性的关键步骤。为了验证模型的准确性，进行实验研究。搭建实验平台，模拟挖掘机的实际工作工况，对负流量控制液压系统进行实验测试。在实验平台上，安装各种传感器，如压力传感器、流量传感器、位移传感器等，用于实时采集系统在不同工况下的压力、流量、执行元件位移等数据。例如，在挖掘机的挖掘工况实验中，通过操作实验平台上的模拟手柄，控制主控制阀的开度，使液压缸进行伸缩运动，同时利用压力传感器测量液压泵出口压力、主控制阀进出口压力以及液压缸两腔的压力；利用流量传感器测量液压泵的输出流量、主控制阀的回油流量；利用位移传感器测量液压缸活塞杆的位移。将这些实验数据记录下来，作为验证模型的依据。将实验数据与仿真模型的输出结果进行对比分析。在AMESim软件中运行仿真模型，设置与实验相同的工况条件，获取仿真模型输出的压力、流量、位移等参数数据。以液压泵出口压力为例，对比实验测得的压力曲线和仿真模型输出的压力曲线。如果两条曲线基本吻合，说明仿真模型能够准确地模拟液压泵出口压力的变化情况；如果存在较大偏差，则需要分析原因，对模型进行校准和优化。偏差可能是由于模型参数设置不合理、元件模型不准确或忽略了某些实际因素等原因导致的。若发现模型存在偏差，需对模型进行校准。重新检查模型中各元件的参数设置，根据实验数据对参数进行调整优化。例如，如果发现仿真得到的液压泵输出流量与实验数据存在偏差，检查泵的容积效率、机械效率等参数设置是否准确。可以通过多次实验，拟合出更准确的容积效率与压力、油温之间的关系曲线，然后将该曲线应用到模型中，重新进行仿真。还需检查模型中是否遗漏了某些关键因素，如管路的压力损失、油液的可压缩性等。如果发现模型中未考虑这些因素，需要对模型进行修正，添加相应的模块或方程来描述这些因素对系统性能的影响。除了与实验数据对比外，还可以将仿真结果与理论计算结果进行对比。利用前文建立的系统数学模型，对系统在某些特定工况下的性能进行理论计算。将理论计算得到的压力、流量等参数与仿真结果进行比较。如果两者相符，进一步验证了模型的正确性；如果存在差异，分析差异产生的原因，对模型进行改进。通过不断地将仿真结果与实验数据和理论计算结果进行对比、校准和优化，使仿真模型能够更加准确地反映挖掘机负流量控制液压系统的实际工作特性，为后续的系统性能分析和能耗研究提供可靠的基础。四、系统仿真分析与结果讨论4.1仿真工况设定4.1.1常见作业工况模拟挖掘机在实际作业中面临着多种复杂的工况，为了全面深入地研究负流量控制液压系统在不同工况下的性能表现，本研究选取了挖掘、装载、卸载这三种具有代表性的常见作业工况进行模拟。在挖掘工况中，模拟挖掘机在建筑工地挖掘地基的场景。假设挖掘的土壤为中等硬度的黏土，挖掘深度设定为3米，挖掘范围为一个长5米、宽3米的矩形区域。挖掘机从区域的一端开始，按照一定的挖掘顺序，逐步将土壤挖掘出来。在挖掘过程中，挖掘阻力会随着挖掘深度和土壤性质的变化而改变，同时，挖掘动作还包括动臂的升降、斗杆的伸缩以及铲斗的转动等，这些动作相互配合，对液压系统的流量和压力需求也在不断变化。装载工况主要模拟挖掘机将挖掘出来的物料装载到运输车辆上的过程。设定运输车辆停放在挖掘机的一侧，车厢高度为1.5米。挖掘机先将铲斗装满物料，然后通过动臂提升和回转动作，将物料准确地倒入车厢内。在装载过程中，需要频繁地进行回转和卸料动作，这对液压系统的响应速度和稳定性提出了较高的要求。同时，由于物料的重量和装载速度的不同，液压系统所承受的负载也会发生变化。卸载工况则模拟挖掘机将物料从高处卸载到指定地点的情况。假设卸载高度为5米，卸载区域为一个直径为10米的圆形区域。挖掘机将装满物料的铲斗提升到指定高度后，通过控制铲斗的翻转角度，将物料均匀地卸载到指定区域内。在卸载过程中，液压系统需要保持稳定的压力和流量，以确保卸载动作的顺利进行。同时，由于卸载高度较高，液压系统还需要克服物料的重力势能，对系统的能量消耗较大。4.1.2不同工况参数设置针对上述三种仿真工况，为每种工况设置了相应的参数，以确保仿真结果能够准确反映实际作业情况。在挖掘工况下，液压泵的转速设定为1800r/min，以提供足够的动力。主控制阀的阀口开度根据挖掘动作的需求进行动态调整，例如在挖掘起始阶段，阀口开度较大，以满足快速挖掘的流量需求；随着挖掘深度的增加，阀口开度逐渐减小，以控制挖掘速度和压力。负载的大小根据挖掘土壤的性质和挖掘深度进行估算，假设挖掘黏土时的平均挖掘阻力为100kN，挖掘深度每增加1米，挖掘阻力增加20kN。装载工况中，液压泵转速同样设置为1800r/min。主控制阀的阀口开度在回转和卸料动作时会有较大变化，以实现快速的回转和准确的卸料。负载主要来自物料的重量，假设每次装载的物料重量为5吨，物料的重心位置会随着装载过程的进行而发生变化，这也会对液压系统的负载产生一定影响。卸载工况时，液压泵转速保持1800r/min不变。主控制阀的阀口开度在提升和卸载过程中根据动作需求进行调整，提升时阀口开度较大，以快速提升铲斗；卸载时阀口开度相对较小，以精确控制物料的卸载速度。负载主要是物料的重力，由于卸载高度为5米，根据重力势能公式mgh（其中m为物料质量，g为重力加速度，h为高度），可计算出物料的重力势能，从而确定液压系统在卸载过程中需要克服的负载大小。在设置这些参数时，充分参考了实际挖掘机的工作参数和相关的工程标准，同时结合了理论计算和经验数据。通过合理设置这些参数，能够使仿真模型更加真实地模拟挖掘机在不同工况下的实际运行情况，为后续的仿真分析和结果讨论提供可靠的数据基础。4.2仿真结果分析4.2.1系统动态响应特性在挖掘工况的仿真中，系统的动态响应特性呈现出较为复杂的变化。当挖掘机开始挖掘时，主控制阀的回油流量迅速减少，负流量控制压力随之降低，液压泵的排量迅速增大，以提供足够的流量和压力来克服挖掘阻力。从压力变化曲线来看，液压泵出口压力在挖掘起始阶段迅速上升，在短时间内达到较高值，这是为了克服土壤的初始阻力，使铲斗能够顺利切入土壤。随着挖掘的进行，由于土壤阻力的波动，液压泵出口压力也会出现相应的波动，但总体保持在一个较高的水平。例如，在挖掘过程中遇到较硬的土层或石块时，阻力增大，液压泵出口压力会瞬间升高，以保证挖掘动作的连续性。执行元件的位移和速度变化也与挖掘动作密切相关。动臂液压缸的位移随着挖掘深度的增加而逐渐增大，其速度在挖掘起始阶段较快，以实现快速切入土壤的目的，随后随着挖掘阻力的增大，速度逐渐降低。斗杆液压缸的位移和速度变化则与挖掘的范围和方向有关，在调整挖掘位置时，斗杆液压缸会快速伸缩，而在挖掘过程中，其速度会根据负载情况进行调整。铲斗液压缸的动作主要用于控制铲斗的挖掘和卸料，其位移和速度变化较为频繁，在挖掘时，铲斗液压缸会快速伸出，将铲斗插入土壤，卸料时则会快速缩回，将物料倒出。在装载工况下，系统的动态响应特性又有所不同。回转液压马达在启动和停止时，由于惯性的作用，会产生较大的扭矩变化。在回转启动瞬间，液压马达需要克服较大的惯性力，因此液压泵会迅速输出较大的流量和压力，使回转液压马达快速加速。随着回转速度的增加，液压泵的输出流量和压力会逐渐稳定，以维持回转的匀速运动。当回转停止时，液压马达的惯性会使它继续转动，此时系统需要通过制动装置和控制阀来消耗惯性能量，使回转液压马达平稳停止。在这个过程中，系统压力会出现一定的波动，需要合理控制液压泵的输出和控制阀的开度，以确保回转动作的平稳性。动臂液压缸和铲斗液压缸在装载过程中的动作也有其特点。动臂液压缸主要用于提升铲斗，使其能够将物料准确地倒入运输车辆的车厢内。在提升过程中，动臂液压缸的位移逐渐增大，速度在开始阶段较快，接近车厢高度时逐渐降低，以避免铲斗与车厢发生碰撞。铲斗液压缸则用于控制铲斗的翻转，在卸料时，铲斗液压缸会快速动作，将物料倒入车厢，然后迅速复位，准备下一次装载。卸载工况下，系统的动态响应主要集中在动臂液压缸和铲斗液压缸的动作上。动臂液压缸需要将铲斗提升到指定的卸载高度，其位移和速度变化与装载工况下的提升过程类似，但由于卸载高度较高，需要更大的压力和流量支持。在提升过程中，液压泵会持续输出较高的压力和流量，以保证动臂液压缸能够快速、稳定地将铲斗提升到指定位置。当铲斗到达卸载高度后，铲斗液压缸开始动作，控制铲斗的翻转角度，将物料均匀地卸载到指定区域内。在卸载过程中，需要精确控制铲斗液压缸的速度和位移，以确保物料的卸载效果。系统的动态响应特性在不同工况下存在明显差异，这些差异与各工况下的负载特性、操作要求以及系统的控制策略密切相关。通过对系统动态响应特性的分析，可以深入了解挖掘机负流量控制液压系统在不同工况下的工作性能，为系统的优化设计和控制策略的改进提供重要依据。4.2.2不同工况下的能耗情况在挖掘工况下，液压泵的输入功率呈现出较大的波动。在挖掘起始阶段，由于需要克服较大的挖掘阻力，液压泵需要输出较高的压力和流量，此时输入功率迅速增大，达到一个较高的值。随着挖掘的进行，挖掘阻力虽然会有所波动，但总体保持在一定范围内，液压泵的输入功率也会在一个相对较高的水平上波动。例如，在挖掘中等硬度黏土时，挖掘阻力平均为100kN，液压泵的输入功率在挖掘过程中平均约为80kW。在挖掘过程中，各元件的能量损失也不容忽视。控制阀的节流损失是能量损失的主要来源之一，由于控制阀在调节油液流量和方向时，会产生一定的压力降，导致部分能量以热能的形式散失。例如，在某一时刻，控制阀的节流损失功率约为10kW。管路的沿程压力损失和局部压力损失也会消耗一定的能量，尤其是在长管路和复杂管路系统中，这些损失更为明显。此外，液压泵的容积损失和机械损失也会导致能量的消耗，容积损失主要是由于泵内的泄漏造成的，机械损失则与泵的机械结构和运动部件的摩擦有关。装载工况下，系统的能耗情况与挖掘工况有所不同。回转液压马达在回转过程中需要消耗一定的能量，其功率消耗主要取决于回转的速度和负载扭矩。在回转启动和停止时，由于需要克服较大的惯性力，回转液压马达的功率消耗会瞬间增大。例如，在回转启动瞬间，回转液压马达的功率