非对称柱塞泵直驱挖掘机液压缸控制特性研究

非对称柱塞泵直驱挖掘机液压缸控制特性研究

经过20多年的发展，虽然泵控单出杆液压缸技术取得了许多进展，但对于单出杆液压缸面积差造成的流量不对称问题，依然没有好的解决方案，尤其在用于挖掘机液压缸等负载力大小和方向频繁变化的系统时，对称泵控回路存在液压缸速度和压力突变、系统稳定性差等问题，影响实际的应用。因此研究一种稳定可靠、能够匹配单出杆液压缸流量差的泵直驱单出杆液压缸回路具有重要的应用意义。

标签：泵控缸，非对称柱塞泵，挖掘机斗杆，单出杆液压缸

在实际工程机械领域，由于大部分的液压缸负载力大小及方向均是时变、不可测的，对于采用对称泵控回路时，存在速度突变和压力波动，系统实际控制性能较差。而通过理论分析可知，非对称泵控单出杆液压缸回路可以解决这一问题，并且通过试验测试证明了在恒定负载工况下系统具有良好的运行特性，进一步地，本文以挖掘机液压缸为研究对象，对系统的变负载控制特性及能耗特性进行了研究。

1 斗杆运行控制策略

在液压挖掘机中，液压缸控制系统一般是以液压缸速度为控制量构成的开环控制系统。驾驶员通过目测距离，控制手柄幅度给定挖掘机液压缸运行的目标速度信号，目标速度信号经过比例放大器转换为电机转速信号，电机转速信号通过电机自身的速度闭环向柱塞泵提供扭矩平衡负载转矩，使柱塞泵工作在某一转速，从而控制柱塞泵的输出流量，柱塞泵输出流量与液压缸容腔面积相乘就得到了液压缸的运行速度。此外要达到高效工作，要求机械臂远离工作点时高速运行，在工作点附近低速运行，其控制原理方框图如图1所示。

但仅对系统速度进行开环控制，无位置精度、抗扰特性差，只适用于无位置要求的人工操作环境，不能满足自动挖掘要求。针对这一问题，通过采用位置闭环设计目标速度，速度负反馈提高控制精度、系统抗干扰性和速度前馈提高系统动态响应，实现挖掘机斗杆的位置

-速度双变量精确控制，其系统控制方框图如图2所示。从图中可知，系统若人工操作，则可去掉位置闭环，只对速度进行负反馈及前馈控制，此方式可使斗杆按手柄给定速度精确运行，系统抗干扰性强;若进行自动挖掘，则控制器首先根据目标位置与实际位置偏差计算运行过程中的目标速度，然后通过检测实际速度与目标速度差值，进行速度负反馈及前馈动态补偿，实现系统位置闭环，实现挖掘机自动挖掘。

2 回路速度特性

根据图回路模型原理、图1所示速度开环控制策略，负载力大小及方向发生变化时，非对稱泵和对称泵控斗杆液压缸的速度控制特性曲线如图3（a）、3（b）所示。从图中目标速度曲线可以看出，在0-2.5 s、9-11 s 及17.5-20 s 时间段，液压缸处于静止状态，在 2.5-9 s 时间段，液压缸活塞杆伸出，在11-17.5 s 时间段，液压缸活塞杆收回。当采用对称型柱塞泵控制挖掘机斗杆液压缸时，液压缸速度在5 s 由0.2m/s突变为0.1m/s，在12.5 s

液压缸速度又从0.1m/s 突变为0.2m/s，是系统的速度控制特性无法达到要求。这是由于在5 s 及12.5 s 时，斗杆液压缸负载力方向发生变化，控制容腔改变，而在对称柱塞泵转速不变、进出油口流量相同条件下，单出杆液压缸两腔面积不同，在控制容腔改变时造成液压缸速度突变;而当采用非对称柱塞泵时，因其本身为非对称配流，进出油口流量比例与液压缸任意速度下两腔流量比例相匹配，在控制容腔改变时，流量相应变化，液压缸各工况下速度相同，不会出现速度突变。

3 管路参数对液压缸速度特性影响

在“临界流量”匹配状态下，设定软管的体积弹性模量β为100mPa 并进行仿真，得到软管长度分别为1m、3m、5m时，液压缸速度特性曲线如图4（a）、（b）所示，其中图（a）为液压缸完整速度曲线，图（b）为液压缸加速伸出和加速收回时速度曲线的局部放大图。从图中曲线可以看出，软管长度l 分别为1m、3m和5m时，液压缸加速伸出速度震荡幅值分别约为0.01m/s、0.03m/s 和0.05m/s;液压缸加速收回速度震荡幅值分别约为0.005m/s、0.008m/s 和0.015m/s。从数据结果能够看出，软管越长，液压缸加速伸出和收回时产生的速度震荡越剧烈，并且速度稳定时间也会变长。

在相同条件下，设定软管长度l为5m，软管体积弹性模量分别为100mPa、200mPa、

300mPa 并进行仿真，得到不同体积弹性模量时液压缸的速度变化曲线如图5所示。从图中曲线可以看出在液压缸加速伸出，软管弹性模量β分别为100mPa、200mPa 和300mPa 时，液压缸加速伸出速度震荡幅值分别约为0.069m/s、0.041m/s 和0.029m/s;液压缸加速收回速度震荡幅值分别约为0.022m/s、0.013m/s 和0.01m/s。从数据结果能够看出，软管体积弹性模量越大，液压缸加速伸出和收回时的速度震荡越小，系统越稳定。通过对不同软管长度及体积弹性模量的分析，说明在泵控系统中应尽量减小软管使用，在不可避免的条件下，应尽量选用体积弹性模量大的软管。

研究结果表明：与对称泵控单出杆液压缸相比，所提出的非对称柱塞泵控单出杆液压缸回路在恒负载与变负载工况下均可获得良好的控制特性，在负载力大小和方向发生变化时，液压缸速度无突变。通过改变伺服电机旋转方向，即可使单出杆液压缸获得对称的伸出和收回速度，极大简化了系统控制策略，同时系统节能效果也非常显著。

参考文献

【1】[张红娟权龙，李斌. 注塑机电液控制系统能量效率对比研究[J]. 机械工程学报，2012，48（8）：180-187.

【2】赵虎，张红娟，权龙，等.非对称泵控差动缸速度伺服系统特性[J]. 机械工程学报，2013，49（22）：170-176.