液压挖掘机泵与发动机匹配研究-

1、第14卷第4期2001年10月中国公路学报Ch ina Jou rnal of H ighw ay and T ran spo rtV o l 114N o 14O ct .2001文章编号:100127372(20010420118203收稿日期:2000212210基金项目:国家自然科学基金项目(59835160作者简介:彭天好(19642,男,江西波阳人,浙江大学副教授,工学博士研究生.液压挖掘机泵与发动机匹配研究彭天好,杨华勇(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州310027摘要:就液压挖掘机中常见的三档功率模式,详细地阐述了泵与发动机的匹配原理及其实现方法,分析了负荷传感系

2、统的特点,阐明了负荷传感控制与泵、发动机匹配相矛盾的实质,提出了在保留泵与发动机匹配时应舍弃负荷传感控制的论点,对于泵与发动机匹配时的液压回路进行了较深的探讨,提出了由计算机依据泵与发动机匹配的原则,通过主阀自动调节和分配各执行器流量和功率的新的学术思想,推导了相关的公式。关键词:液压挖掘机;匹配;转速感应控制;负荷传感控制中图分类号:U 4151511文献标识码:AResearch on pu m p -eng i ne ma tch i n hydraul ic excava torPEN G T ian 2hao ,YAN G H ua 2yong(State Key L abo rat

3、o ry of F luid Pow er T rans m issi on and Contro l ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina Abstract :A s fo r hydrau lic excavato r rou tine th ree lever pow er m odels ,p um p 2engine m atch p rinci p les and realizati on m ethods are expounded ,then the characteristics of load sen se syste

4、m are analyzed ,and the conflict betw een load sen se con tro l and pum p 2engine m atch is clarified .T he hydrau lic system based on p um p 2engine m atch is p ropo sed ,fu rther m o re the new view po in t ,the com p u ter au tom atic regu lating flow and pow er of all m o ti on com ponen ts w it

5、h m ain con tro l valve acco rding to p um p 2engine m atch p rinci p le ,is p ropo sed fo r the first ti m e and som e fo r m u lati on s are deduced .Key words :hydrau lic excavato r ;m atch ;ro tati on sp eed sen se con tro l ;load sen se con tro l液压挖掘机有不同的工作模式1,一般可分为三种:提高生产率模式、一般模式和平整模式,三种模式分别对应

6、发动机全功率的100%、85%和70%。当重载挖掘,而且把在单位时间内获得最大作业量即生产率作为追求目标时,选择第一种工作模式;当一般负载挖掘时,不需要发动机提供全部功率,选择一般模式,一般模式为常用模式;当负载较轻,追求作业精度时,选择平整模式。对于三种不同的工作模式,如何做到泵与发动机匹配,充分利用发动机的潜能,达到最佳的综合效益,实现所追求的目标,是值得认真研究的课题。1发动机工作特性如图1所示,曲线B A S R 是发动机在某一档时的工作特性,当外负荷变化时,发动机输出扭矩变化,工作点在调速特性段上波动,转速也相应变化,如A 点、R 点和S 点,但A 点输出功率最大。当发动机换到不同的

7、档位时,其调速特性也会移动,如由1到2。另外,发动机还有一条最佳比油耗线g e 线,当发动机工作在最佳比油耗线上时(图中S 点最节省燃油。 图1发动机工作特性2泵与发动机的匹配211提高生产率模式此种情况以追求单位时间内获得最大作业量为目标,所以应以发动机的最大功率输出点为目标工作点,故泵与发动机的匹配方程是N b (t =N e m ax (1即泵的吸收功率等于发动机的最大输出功率。由(1式可以导出M b (t =M e m (2即泵的吸收扭矩M b (t 等于发动机最大功率点处对应的输出扭矩M e m 。又M b (t =p b (t q b (t (3式中:p b (t 取决于负载,当负

8、载变化时,引起p b (t 和M b (t 变化,由图1知,工作点在调速特性段上波动,工作点偏离最大功率输出点,泵与发动机不匹配。通过调节泵的排量q b (t ,从而改变p b (t 和M b (t ,使得M b (t 始终近似满足式(2,就实现了泵与发动机的功率匹配。因为测量发动机转速比测量发动机的扭矩容易得多,所以通常采用转速感应控制来实现泵与发动机匹配(图2。以最大功率点对应的转速n m 作为给定转速,n e 为发动机实际转速,P I D 输出控制信号调节泵的排量q b (t 和扭矩M b (t 。当M b (t 满足式(2时,发动机转速等于最大功率点对应转速,泵与发动机完全匹配 。图2

9、转速感应控制框图212一般模式由于负载不是太大,不需要利用发动机的全功率,此时选择一般模式档位。选择一般模式档位,泵与发动机的匹配可分为下面两种情况。一种情况是仍追求最大生产率为目标,此时匹配情况与211部分类似,仍需要转速感应控制,只是最大功率点不同而已,该档位的最大功率为全功率的85,相应地,图2中的给定转速为该档位的最大功率点处对应的转速。另一种情况是追求最佳油耗为目标,此时发动机的工作点期望在最佳比油耗线上(图1中的S 点为最佳工作点,即最佳节能点。为实现泵与发动机匹配,需要泵的吸收扭矩等于发动机最佳工作点处的输出扭矩,也与上述211部分类似,也需要转速感应控制,只不过此时图2中的给定

10、转速为最佳节能点处的转速。213平整模式当选择平整模式(设为发动机全功率的70时,追求的目标是对作业的精细程度,所以不能以最大功率点或者最佳节能点为期望工作点,这时发动机应工作在调速特性段,允许工作点在调速特性段上波动,因此,平整模式不需要转速感应控制。3泵与发动机功率匹配时的液压回路目前,有不少挖掘机液压系统采用电子负荷传感控制(如日立EX 系列2,它由压差传感器检测负荷压力,通过泵阀控制器发出指令,根据负荷的需求调节液压泵排量,使泵的输出压力始终比负荷压力高出不大的恒定值。由此可见,负荷传感控制也是靠调节泵的排量q b (t 来使得泵出口压力p b (t 适应负荷压力的变化。由第2部分知,

11、要想实现泵与发动机的匹配,就需要不断地调节泵的排量来达到,因此,负荷传感控制与泵、发动机的匹配是矛盾的,二者不可兼得。由于负荷传感控制所获得的节能效果相对泵与发动机匹配所获得的效益小得多,故笔者提出在实现泵与发动机匹配时,应舍弃负荷传感控制。由第2部分知道,泵与发动机匹配时,泵的输出功率近似恒定,然而,液压挖掘机工作时负荷是不断变化的,负荷所吸收的功率也是变化的,所以要实现液压系统与负荷的匹配,就要不断地调节负荷所吸收的功率,使得负荷所吸收的功率始终接近泵的输出功率。图3给出了多执行元件复合动作时液压回路简图。图中1、2是压力补偿阀,维持主阀两端压差(图中p K 1、p K 2恒定,使得执行元

12、件运动速度仅由主阀开度决定。负荷压力p L 1、p L 2和泵出口压力p b 均由压力传感器测出,变量泵的排量q b 及转速n b 也由传感器测出,则可列出如下关系式Q b =n b q b(4Nb=p b n b q b (5911第4期彭天好,等:液压挖掘机泵与发动机匹配研究 图3液压回路简图Q b =Q L 1+Q L 2(6Q L 1=C 1W 1X 1p K (7Q L 2=C 2W 2X 2p K(8Nb=p L 1Q L 1+p L 2Q L 2+N(9式中:N 为主阀和压力补偿阀的功率损失,设定为一较小数值。由以上各式解出X 1、X 2为X 1=-A p L 2+Bp L 1-

13、p L 2(10X2=A p L 1-B p L 1-p L 2(11式中:A =Q b CW p K ;B =N b -N CWp K,且C 1=C 2=C ,W 1=W 2=W ,p K 1=p K 2=p K 。以上求解由计算机完成。控制器接收电操纵手柄信号,确定有几个执行元件动作以及每个执行元件的运动方向。根据执行元件动作的个数,确定流量分配公式(6和功率分配公式(9的形式(所列出的公式只是针对两个执行器的复合动作,按公式(10、(11计算出每个主阀的开度,再由控制器发出与执行元件运动方向一致的并且与主阀开度所对应的控制信号u 1、u 2,经过放大器放大等处理输出电流信号给比例电磁铁,

14、从而使得主阀芯产生X 1、X 2阀口开度的位移。由此可见,电操纵手柄给出的信号只起启动信号和方向信号的作用,实际的阀的开度由控制器给出。需要说明的是,若实际测得的负荷压力p L 1与p L 2近似相等,这时只要简单地将泵的出口流量作平均分配就可以;另外,若选择平整模式,这时工作点在发动机的调速特性段上波动,不能采用这种由计算机自动分配流量和功率的办法,而应完全由手柄操作。4结语笔者就液压挖掘机中常见的三档功率模式,详细地阐述了液压挖掘机的泵与发动机的匹配原理及其实现方法,分析了负荷传感系统的特点,阐明了负荷传感系统与泵、发动机匹配相矛盾的实质,提出了在保留泵与发动机匹配时应舍弃负荷传感控制的论

15、点;对于泵与发动机匹配时的液压回路进行了较深的探讨,首次提出了只由电操纵手柄给出启动信号和方向信号,而由计算机依据泵与发动机匹配的原则对各执行器进行流量分配和功率分配的新的学术思想,推导了相关的公式。参考文献:1黄宗益.液压挖掘机分工况控制J .建筑机械,1998,18(1:2832.2刘振军.日立EX 系列液压挖掘机机电一体化挖掘系统分析J .建筑机械,1998,18(1:3543.中国科技期刊引证报告(CJCR 简介期刊引证报告(JCR 是美国科学情报研究所(IS I 继编辑出版科学引文索引(SC I 之后,又出版的另一种用于期刊引用分析的重要工具。利用JCR 所提供的统计数据,可以清楚地了解期刊引用和被引用的情况。同时,还可以方便地定量评价期刊的相互影响和相互作用,正确评估某种期刊在科学交流体系中的作用和地位,确定核心期刊群等。自JCR 问世以来,一直在开展科研管理和科学评价期刊方面发挥着巨大作用。为了使中国的广大科技工作者、期刊编辑部和科研管理部门能够科学地评价期刊,客观准确地选择和利用期刊,中国科技信息研究所受国家科技部的委托,按照JCR 模式,并结合中国具体情况,从1988年起将中国