履带起重机发动机与液压泵的匹配

1、作者简介 :王 欣 (1972- , 女 , 副教授 . E 2mail :wangxbd21163. com.履带起重机发动机与液压泵的匹配王 欣 1, 刘 宇 1, 蔡福海 1, 薛 林 2(1. 大连理工大学 机械工程学院 , 辽宁 大连 116024; 2. 大连市特种设备监督所 , 辽宁 大连 116021摘要 :针对履带起重机存在的功率匹配问题 , 分析其产生的原因 . 基于发动机不同的控制方式 , 给出相应的液压泵的控制策略 . 提出了一些解决履带起重机发动机 -泵功率匹配问题的新方法 .关键词 :履带起重机 ; 发动机 ; 液压泵 ; 匹配中图分类号 :TH 213 文献标识码

2、 :A 文章编号 :1672-5581(2007 02-0182-04Matching between engines and hydraulic cranesW A N G Xi n 1, L IU 11X E L i n 2(1. School of Mechanical of of Technology , Dalian 116024,China ;2. and Institute ,Dalian 116021,China Abstract :In this power matching problem is proposed and analyzed for crawler crane

3、s. Based on diverse control modes of engines , corresponding control strategies of hydraulic pumps are presented. To re 2solve the non 2matching problem between engines and hydraulic pumps , some novel methods are postulated in this paper.Key words :crawler crane ; engine ; hydraulic pump ; matching

4、 随着生产规模的扩大 , 自动化程度的提高 , 履带起重机作为重要的搬运设备 , 在现代化生产过程中广 泛应用于石油化工 、 桥梁建设 、 建筑安装 、 港口物流 、 市政工程等各个领域 , 发挥着巨大的作用 .然而 , 履带起重机在实际使用过程中 , 常常出现柴油发动机与液压系统功率不匹配现象 , 具体表现在 : 行走与起升速度达不到预期值 ; 发动机在有些工况下功率利用率较低 , 燃油消耗较快 . 本文针对上述 实际问题 , 在履带起重机设计阶段提出相应方案 , 最大程度地实现发动机与液压泵的功率匹配 , 达到提高 作业效率及节能的目的 .1 问题产生的原因在发动机外特性曲线上 , 可以找

5、到一些点 , 在这些点上 , 发动机的各项性能综合指标要优于其他点 , 这 些点叫做最佳工作点 , 与之对应的发动机转速叫做最佳工作点转速 . 通常的发动机控制策略就是力争使发 动机工作在最佳工作点上 1.履带起重机的动力传动系统是一个发动机 -液压系统 -载荷的负载驱动系统 , 其中发动机 -泵的功 率匹配是对整个系统功率匹配影响最大的因素 .理想的能量转换不计能量损失 , 则泵的功率 P P 等于发动机的输出功率 P E 为 P E =P P第 5卷第 2期2007年 4月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY

6、Vol. 5No. 2 Apr. 2007 而泵的功率 P P 等于负荷需要的功率 P L 为P L =P P 所以 , 当负载发生变化时 , 泵的功率变化 , 则发动机的输出功率也随之变化 , 这使得发动机不能稳定工 作在特性曲线上最佳工作点的位置 , 从而出现功率的不合理匹配 .2 发动机与液压泵匹配的实现 发动机与液压传动装置的匹配的实质是提出最为合理的控制方法 , 从而使发动机的转速 、 输出扭矩能 适应外部负荷的变化 , 保持发动机在最佳工作点附近工作 , 有较高的功率利用和较低的燃油消耗率 .目前柴油发动机适合于液压传动的控制形式有 : 发动机恒功率控制 , 发动机变功率控制 .

7、工程机械中为了更好地适应外负荷的变化 , 保证作业的高效性和经济性 , 一般将两种控制方式结合使 用 .2. 1 发动机恒功率控制与泵功率匹配的实现2. 1. 1 实现的原理由功率 P =9549, n 为转速 , 得发动机输出扭矩 T E P :T E 9 因此 , 在发动机转速 n , P T E 的决定性因素 . 若通过设 定泵的输出功率恒定 , , 即当负载变化时 , 通过调节泵的 , , 实现泵与发动机之间的功率 匹配 . 从而得出结论 :, 欲实现泵与发动机匹配 , 则要求泵具有恒功率 特性 2.2. 1. 2 泵的恒功率控制所谓泵的恒功率控制就是通过机电液等控制机构之间的相互配合

8、实现泵的流量 Q 和出口压力 p 存 在反比例变化关系 :Q p =const 如图 1所示为一条双曲线 , 由 P p =600t 得P P =const图 1 恒功率控制曲线 Fig. 1 Constant pow er control curve 图 2所示为一典型的泵恒功率控制原理图 3. 其中 ,M 为工作油口测压口 ,A 为工作油口 , G 为定位压力口 ,S 为吸油口 ,M1为斜盘控制油缸测压口 ,R 为放气口 , T1, T2为壳体泄油口 . 泵输出的压力经过节流口进入斜盘控制油缸 2, 同时进入计量活塞中推动计量活塞带动摆杆 4转动 , 压缩功率设定弹簧 5, 进而调节伺服阀

9、 6的开口 , 使得液压油液进入斜盘控制缸的压力变化 . 两斜盘控制缸的合力作用于泵的斜盘上 , 从而调节泵的斜盘摆角控制泵的输出流量 . 计量活塞一端与斜盘控制缸 2的活塞杆连接 , 另一端通过滑轮与摆杆 4接触 , 当压力变化时 , 计量活塞对摆杆的作用力和力臂都会相应改变 , 进而保证泵的流量与输出压力成双曲线关系变化 , 这就实现了泵的恒功率控制 .2. 2 发动机变功率控制与泵功率匹配的实现2. 2. 1 实现原理 381 第 2期 王 欣 , 等 :履带起重机发动机与液压泵的匹配 1,2. 斜盘控制油缸 ; 3. 计量活塞 4. ; 5. 功率设定弹簧 ; 6. 伺服阀 图 2co

10、nstant pow er control 在有些工况下 , 发动机的恒功率控制不能满足作业高效性和经济性 , 具体有两个方面 :一方面 , 为了追求作业速度 , 提高工作效率 , 必须人为地提高发动机转速 (如靠提高发动机转速来提高起升 、 变幅 、 回转 、 行走的速度 . 此时泵的输出功率也相应提高 . 恒功率控制无法跟随发动机输出功率变化 .另一方面 , 在低功率作业的情况下 , 泵的输出功率远低于发动机在该转速下输出的最大功率 , 发动机的功率利用率很低 (如在执行穿绳 、 穿销等小功率动作时 , 此时操作的经济性很差 .可采用联合控制方式实现发动机 -泵的功率匹配控制 . 其框图如

11、图 3所示 .针对第一种情况联合控制方式将检测到的发动机的输出功率 (检测发动机的转速 、 扭矩 以及信号的形式输入计算机并计算出与泵的输出功率的偏差 , 根据偏差 , 调整泵的功率设定值 , 使泵的吸收功率始终追踪发动机的输出功率 , 实现功率匹配 .图 3 发动机的变功率控制与泵功率匹配的实现框图 Fig. 3 E ngine variable control and pump pow er m atching frame 针对第二种情况联合控制方式 , 通过检测泵的输出功率 (检测泵的压力 、 , 功率的偏差 , 转速 , 整 , 并调整泵的功率设定值 , 实现发动机和泵的功率匹配 .这

12、里需要指出 :由负载部分传递的泵的功率调节信号往往是由负载变化 , 进而导致液压系统工作压力变化引起的 ; 由发动机部 分传递的功率调节信号往往是由发动机转速变化 , 进而导致液压系统流量变化引起的 .以上两种情况 , 实现功率匹配控制都要求泵的恒功率控制的设定功率可变 , 即要求恒功率控制存在一 个优先级更高的功率调节控制 . 2. 2. 2 带功率调节控制的泵的恒功率控制图 4 功率调节控制 Fig. 4 Pow er regulating control 在一般的恒功率控制过程中变量泵的恒功率调节只能设定一个或几个固定的值 , 通过功率设定弹簧 来实现 , 精度不高 . 而在使用功率调节

13、电磁阀之后 , 其功率值就可以通过改变电磁阀控制信号的电流大小 来实现在功率可调范围内波动 , 如图 4所示 . 其中 ,Z 为恒功率设定油口 .功率调节控制的原理就是在原恒功率控制 (图 2 的基础上加上了功率调节油缸 (如图 5所示 3, 由功率调节油缸 、摆杆 、 功率设定弹簧及伺服阀的复位弹簧共同作用 , 决定伺服阀的开口大小 , 调节泵的斜盘摆角 , 进而改变泵的输出流量 . 功率调节油缸的作用力可由控制 Z 口压力的比例电磁阀的电流控制信号来调整 . 这就组成了变量泵的功率设定调节器 .工作过程中 , 可通过调节变量泵上功率设定调节器对泵进行功率调节 . 如图 4, 在轻载工况下

14、, 泵的功率曲线设定在曲线 1位置 , 如果负载所需功率增大 , 则需提高泵的输出功 481 中 国 工 程 机 械 学 报 第 5卷 of pow er regulating control 率 , 通过泵控调节器 , 调整泵的排量增大 , 则其功率曲线升高到曲线 2位置 . 但恒功率控制是以牺牲执行机构的动作速度为代价的 , 这可以由提高发动机的转速来加以补偿 .当负载减小时 , 控制器又调节功率曲线向曲线 1方向移动 , 这样就避免了因系统需要流量小于泵的输出流量而产生功率损失 .工程机械中发动机与液压系统的功率匹配主要是发动机 、 液压泵 、 载荷三者之间的功率匹配 , 采用带功率调节

15、控制的变量泵恒功率控制系统 , 实现三者之间在通常工况下的功率匹配 . 在特殊工况下 , 当需要增加发动机转速来提高机构运行速度时 , 通过检测发动机输出功率来调节泵的输出功率 , 可由简单的 PID 控制实现 . 在轻负载作业时 ,泵的输出功率远低于发动机在该转速下输出的最大功率 ,即系统需要流量远小于泵的输出流量 , 通过检测泵的输出功率来调节发动机的转速和泵的恒功率调定值 , 也可由简单的 PID 控制实现 . 在特殊工况下的这两个方面 , 也可以作为两种单独的模式分别进行控制 . 3 结语, 针对工程机械中常用的发动机控制方式 , 提出了与 :(1 发动机处于恒功率控制时 , 控制液压

16、泵的恒功率来保证发动机与液压泵的功率匹配 .(2 发动机处于变功率控制时 , 分两种情况检测发动机和液压泵的功率匹配情况 , 由计算机处理后控 制发动机转速及液压泵的功率调节系统 , 使泵的输出功率追随发动机的输出功率 , 实现功率的合理利用 . 参考文献 :1 沃尔沃公司 . 沃尔沃公司发动机样本 R.上海 :沃尔沃公司 ,2003. Volvo Corporation. Engine samples of volvo corporationR.Shanghai :Volvo Corporation , 2003. 2 欧阳联格 . 全液压推土机传动系统与发动机匹配 J.工程机械 ,2004(11 :44-47. OU YAN G Liange. Match between drive line and engine on fully hydraulic bulldozers