液压挖掘机泵与发动机匹配研究

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.
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
X
2
=
A pL 1 - B pL 1 - pL 2 pK
( 11)
Qb N b - ∃N Θ ;B = CW pK CW C ,W 1 = W 2 = W , p K 1 = p K 2 = p K。
第 14 卷 第 4 期 2001 年 10 月
文章编号: 100127372 (2001) 0420118203
中 国 公 路 学 报 Ch ina Jou rnal of H ighw ay and T ran spo rt
V o l114 N o 14 O ct. 2001
液压挖掘机泵与发动机匹配研究
图 3 液压回路简图
Q b = QL1 + QL2 Q L 1 = C 1W 1X Q L 2 = C 2W 2X N
b
( 6)
pK pK
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。
1
Θ Θ
Abstract: A s fo r hyd rau lic excava to r rou t ine th ree lever pow er m odels, p um p 2eng ine m a tch p rincip les and rea liza t ion m ethod s a re expounded, then the cha racterist ics of load sen se sy stem a re ana lyzed, and the conflict betw een load sen se con t ro l and p um p 2eng ine m a tch is cla rified. T he hyd rau lic sy stem ba sed on p um p 2eng ine m a tch is p ropo sed, fu rtherm o re the new view po in t, the com p u ter au tom a t ic regu la t ing flow and pow er of a ll m o t ion com ponen t s w ith m a in con t ro l va lve acco rd ing to p um p 2eng ine m a tch p rincip le, is p ropo sed fo r the first t i m e and som e fo rm u la t ion s a re deduced. Key words: hyd rau lic excava to r; m a tch; ro ta t ion sp eed sen se con t ro l; load sen se con t ro l
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: A
[1 ] 黄宗益 . 液压挖掘机分工况控制 [J ]. 建筑机械, 1998, 18 ( 1) : 28—32. [ 2 ] 刘振军 . 日立 EX 系列液压挖掘机机电一体化挖掘系
= p L 1Q L 1 + p L 2Q L 2 + ∃N
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、 X2为 - A pL 2 + B ( 10) X1= pL 1 - pL 2
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 ( 1) N b ( t) = N em ax 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 ( 2) M b ( t) = M em 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 em 。 又 ( 3) M b ( t) = p b ( t) q b ( t) 式 中: p b ( t ) 取决于负载, 当负载变化时, 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 qb ( 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 nm 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 qb ( 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。
第 4 期 彭天好, 等: 液压挖掘机泵与发动机匹配研究 119 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。
N
b
图 2 Fra Baidu bibliotek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
= p bn bq b
( 5)
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
中 国 公 路 学 报 2001 年 1 20 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, 从而使得主阀芯产生 X 1、 X2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
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。
Research on pum p - eng ine ma tch in hydraul ic excava tor
PEN G T ian 2hao , YAN G H ua 2yong
(Sta te Key L abo ra to ry of F lu id Pow er T ran sm ission and Con tro l, Zhejiang U n iversity, H angzhou 310027, Ch ina )
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、 当发动 R 点和 S 点, 但 A 点输出功率最大。 机换到不同的档位时, 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。
( 7) ( 8) ( 9)
2
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 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:
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 qb ( 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, 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 qb 及转速 n b 也由传 感器测出, 则可列出如下关系式 ( 4) Q b = n b qb