液压挖掘机负流量控制系统的节能分析与实现

验样机上进行的试验表明, 该控制系统具有显著 的节能和调速性能。
关键词: 挖掘机; 节能技术; 负流量控制; 样机试验
中图分类号: T D63. 1
文 献标识码: A
文章编号: 1003- 5060( 2006) 02- 0213- 04
Energysaving analysis and realization of the inverted flux control system of hydraulic excavators
图 3 电液比例负流量控制
在采用 PID 控制策略时, 可得负流量控制的 表达式为
e ( t) = p O COM - p O ( t )
q( t) =
K P e( t ) +
t
K
I
Qe(
0
t
)
dt
+
KD
de( t ) dt
( 1)
式中 e( t) ) ) ) 控制误差
p O COM ) ) ) 设定压力
Abstract: T he ener gysaving technique o f t he hydraulic sy st em in ex cavat ors is an import ant issue in the industr y o f hy draulic ex cavat ors. In t his paper, t he energ ysav ing ef fect of t he Inv ert ed F lux Cont ro l Syst em based o n m ultipat h valv es w ith six- w ay is investig at ed. T he corresponding contr ol m odel is built , and af t er comput er sim ulat ion, t he desig n principle of t his energ ysaving contr ol sy st em is adv anced. T he t est result on t he ho memade t est- bed indicates that the cont rol system has ex cellent capabilit y o f speed regulatio n and energ ysaving. Key words: ex cavat or; energ ysaving t echnique; inver ted f lux cont rol; t est- bed t est ing
WA N G Shuang1 , L I Z h-i yuan1 , Y U Xin- yang2
( 1. School of M achin ery an d A ut omobil e En gineering, Hefei U nivers ity of T echn ology, H ef ei 230009, Chin a; 2. H ef ei G eneral M achinery R esearch Inst it ut e, H ef ei 230013, China)
对负流量控制进行设计时, 首先需要确定流 量检测节流口上的工 作压力和流量值( p 0 、Q0 ) , 并以此设计节流口。节流口上难免要产生一定的
功率损失, 但 这一 损失 较小。只要 工 作点 ( p 0, Q0) 确定, 就可以根据节流口的压力- 流量方程初
步计算出所需要的节流口直径 d , 即
1 负流量控制
负流量控制系统是为消除采用六通阀产生的 节流损失而设计的控制系统, 其基本原 理如图 1 所示。
缸, 使液压 缸速度逐 渐增加。当 O 口完 全关闭 后, 中位回油量为零, 负流量控制功能不起作用, 系统流量全部进入工作油缸。因此, 负流量控制 的本质是一种恒流量控制系统。
在传统的负流量控制挖掘机上, 负流量控制 功能通常用负流量控制泵实现。如图 2 所示, 将 流量检测节流口前的压力直接连到图 2 中的负流 量先导控制口 X1 , 在负流量控制阀的作用下实现 泵排量随先导压力的增加而减小。X 1 口为先导 压力油入口, 来自于六通阀的中位回油流量检测 装置。其不足之处在于多路阀调速范围有限, 受 负载影响较大。
只要 O 口还未完全关闭, 在负流量控制机构 作用下, 通过中位的流量被控制在给定值。随着 工作阀口的进一步打开, 在系统流量分流的作用 下, 液压泵需要增加排量才能满足中位流量的恒 定。随着阀心的继续移动, O 口继续关闭, 液压泵 排量逐步增加, 所增加的流量都流入了工作液压
2 电液比例负流量控制模型和计算
收稿日期: 2005-03-21; 修改日期: 2005- 06-21 作者简介: 王 爽( 1957- ) , 男, 河南南阳人, 合肥工业大学硕士生;
李志远( 1949- ) , 男, 山东枣庄人, 合肥工业大学教授, 博士生导师.
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作用。正流量控制是利用操纵手柄的先导压力对 泵排量直接控制, 靠六通多路阀控制液压缸的速 度和方向。此系统能有效地消除操纵手柄处于中 位时系统产生的空流损失。但由于六通多路阀的 中位回油损失是必然存在的, 位于调速区内的阀 心难以形成克服负载的系统压力, 直到阀心基本 越过调速区后液压油才开始进入工作油缸, 因此 该系统会造成油缸速度突然加快。负流量控制的 本质是一种恒流量控制系统, 它有利于液压系统 功率损失的减少, 在系统节能方面极具潜力。所 以, 从节能角度出发, 深入研究并改进负流量控制 系统, 具有十分重要的实际工程意义[ 1~ 3] 。
图 4 负流量控制试验的测试系统框图
试验中在多路阀的旁路回油路上加装了流量 检测节流孔, 在该处安装压力传感器用来测量回 路的压力变化。在液压泵的转动轴输入端安装转 速计, 转速计的输出电压反 映了泵的转速变化。 压力信号和转速信号分别经标定和模数转换后,
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( 4)
由计算可知, 节流口上所产生的功率损耗很
小, 在实际控制中还有加大节流口工作压力的余
地。由于在任何情况下, 旁路回油通路上产生的
功率损失都被控制在很小的值, 因此系统效率大
幅度提高, 节能效果显著。
3 试验验证
PID 控制试验是在自行研制的液压挖掘机上 进行的, 试验测试系统如图 4 所示。
一旦阀心越过调速区, 负流量控制功能就失 去作用而功率限制功能开始动作, 使切换过程中 系统流量变化较大[ 4] 。
1. 负流量控制阀 2. 功率限制阀 3. 压力切断阀 图 2 负流量控制泵原理
图 1 负流量控制原理
在六通阀 的中位回油路上 设置流量 检测装 置, 利用检测信号对液压泵排量进行控制, 使通过 中位回油箱的流量始 终保持在一个 很小的恒定 值, 从而可以大大减小甚至基本消除中位回油功 率损失。
送计算机记录存储[ 6] 。 试验结果如图 5 所示, 当控制挖掘机斗杆动
作时, 节流口在设定的不同开启状况下, 节流口处 的压力泵和排量随时间的变化。图中泵的实际工 作转速 nm 反映了泵排量的变化。
( a)
种状况下, 其功 率损失 分别 为 26 W、400 W 和 1. 7 kW。
4结 论
分析表明, 基于六通型多路阀的电液比例负 流量控制系统在挖掘机斗杆任何工作情况下, 旁 路回油通路上产生的功率损失都很小, 因此系统 的效率大幅度提高, 节能效果显著, 同时系统还具 有良好的调速性能。
p O ( t ) ) ) ) 节流口前检测压力
q( t ) ) ) ) 泵排量控制值
K P ) ) ) P ID 控制中的比例系数
K I ) ) ) PID 控制中的积分系数
K D ) ) ) PID 控制中的微分系数
如果令( 1) 式中的 K I 、K D 为零, 即变为通常
所描述的负流量控制策略。
( 1. 合肥工业大学 机械与汽车学院, 安徽 合肥 230009; 2. 合肥通用机械研究所, 安徽 合肥 230031)
摘 要: 文章对挖掘机中的液压系统的节能效果 进行了分析; 建立了基于 六通型多 路阀的电液 比例负流 量控
制系统的控制模型, 提出了该系统节能控制的设 计原则, 并对此模型进行了计算机仿真计算; 在自行研制的试
按 照 以 上 公 式 进 行 模 拟 计 算, 设 p 0 为
3 M Pa, Q 0 为液压泵最大流量的 5% 。如果发动
机额 定 转 速 为 2 200 r/ min, 泵 最 大 排 量 为
28 mL , ( 2) 式中 参数 选取 如下: Q= 780 kg / m3,
Cd = 0. 61, p 0 = 3 M Pa, Q0 = 3 L / min。
根据负流量控制分析, 只要能控制液压泵排 量, 就能实现负流量控制。实际上, 传统的负流量 控制泵也是一种排量可控的比例泵, 只是其排量 随先导压力的增加而减小[ 5] 。因此, 负流量控制 也可以用排量随先导压力的增加而增加的正流量 控制泵实现, 其控制算法也不再局限于用机- 液控 制结构实现, 而可以用机- 电- 液控制结构实现, 而 且性能更好, 如图 3 所示。
d=
1 000
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3
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( 2)
式中 d ) ) ) 节流孔直径, mm
Q0 ) ) ) 通过节流孔的工作流量, L / min
Cd ) ) ) 节流孔流量系数, 通常取 0. 61
Q) ) ) 液压油密度, kg/ m3