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液压挖掘机动力系统的节能控制研究

中南大学

硕士学位论文

液压挖掘机动力系统的节能控制研究

姓名:纪云锋

申请学位级别:硕士

专业:机械设计及理论

指导教师:陈欠根

20040622

中南大学硕士学位论文摘要

摘要

液压挖掘机是一种大功率设备,其节能性的好坏直接影响了设备使用的经济性和可靠性。本文主要研究挖掘机的节能性,使其动力系统在各个环节上减少功率损失,最终达到提高系统效率、节约燃油的目的。

本文首先综述了国内外液压挖掘机节能控制的发展现状,并对当前所采用的节能控制方法进行了总结:为进行节能控制研究,建立了基于CAN总线技术的挖掘机电子节能控制系统;然后对挖掘机在不同工况下工作时发动机转速的控制进行了研究,采用转速和油门位置双闭环改进PID控制及负载前馈控制方法,将一个与负载成比例的信号前馈到控制系统的输入端,补偿抑制负载变化对控制输出的影响,使发动机的转速始终保持在某一允许范围内,从而使发动机始终工作在某一指定的工况;针对柴油机经常因特性的变化而导致负载扭矩超载的现象,采取了功率极限控制,既可以防止发动机失速停车,也可以取消功率储备,充分利用柴油机额定功率;最后将发动机、变量泵及负载作为一个动态系统,设计了挖掘机全局功率匹配方案,并提出区间功率匹配控制方法,改变了以往动力系统静态模式设定的缺点,使挖掘机在最佳节能区间内工作。

关键词液压挖掘机,节能控制,转速控制,功率极限控制,区间功率匹配

!堕盔堂亟主堂垡鲨塞垒曼!!垦垒g!

ABSTRACT

HydraulicexcaVatorisakindofconstructionequipmentwithhi曲

power,andmeenergysaVingcontr01wilIdirectIyaf.fecttheeconomicsandreliabilityof血eexcavator.ThepurposeofthispaperistostudytheenergysaVingcontr℃1ofexcavators,w.hichcaJlimproveworkinge蚯ciencyandreduce如elconsumption.

Firstofall,t}1eenergysavingcontr01ofhydraulicexcavatorinChinaandaboardarerelated,a11dthecon仃olmethodsaresummarizedin也isp印er.For出esakeofene唱ysavingcon缸.olresearch,ahydraulicexcavatorelectronicenergy—savingcontr01modelisestablishedbasedonCAN_bustechnique.Andthentheaspectofthespeedcontroloftheengineisfocusedon,acascadecomr01isused,a工1innerfeedback100pgiVescontr01oVert11egoVemingthrottleandanouterfeedbackloopdoest11espeedregulation.Theuseoffeedfonvardofthe10addemand,when

as远naljsavailablewhichisproponionaltot}1eload,thenmesignalcanbefedforwardtomeinputoftheconn.olsystemtoaIlticpatechallgesin

load.Thepowerlimitingcontrolensures

optimumuseofthepowerrequiredfort11eexcavatorundervaryingoperatingconditionsandavoids

oVerloadofthedieselengine.withthedieselengine,variable

pun巾,andthe10adsasthewholedynanlicsystem,theoverallpowermatchtechniqueisproposed,andtransf色redthepointmatchtoareamatchbythemethodofareapowermatch,someene唱ye髓ciencyisimproved.

KEYWORDS:hydraulicexcavator;energysaVingcontrol;Speedcontrol;powerlimitingcon缸.ol;areapowermatch

II

原创性声明

本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。

作者签名:缝立毙争日期:挫年』月丝日

关于学位论文使用授权说明

本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。

作者签名:导师签名堡整竺日期:邋年』月旦日

主壹奎堂堡主堂焦丝苎蔓二i!垡鱼

第_章绪论

1.1课题来源及选题的目的和意义

1.1.1课题来源

本课题来源于国家863“挖掘机机电~体化及制造信息化”,课题编号

2003AA430200。

1.1.2选题的目的和意义

挖掘机以其应用广泛、创造价值高而在工程机械中占据着首要地位,是土石方开挖的主要施工机械,在能源、交通、农田水利、城镇建设,以及现代化军事工程等领域发挥着重要的作用,其国内拥有量越来越大,近几年以超过50%的速度快速增长,2003年我国产量突破33000台,预计今后5到10年,中国将成为世界上最大的挖掘机市场和产地【l】【21。同时我国挖掘机行业整体水平相对落后、制造工艺水平低、技术条件差,加上挖掘机作业条件比较恶劣,载荷变化大,使得发动机经常偏离低油耗工作区,造成燃油利用率不高,机器性能得不到充分发挥,加上液压系统的消耗使得整个系统能量损失更为严重。目前我国正在进行大规模的基础设施建设,液压挖掘机虽能进行大功率、高灵敏度的各种作业,但其能量的总利用率不到15%【,J,巨大的能量损失使得节能技术成为衡量液压挖掘机先进性的重要指标。

机电一体化作为一项高新技术,它的迅速发展给挖掘机带来了新的技术变革。国外从上世纪70年代中期就开始将机电一体化技术应用于挖掘机上【”。进入80年代后,美、曰、德等国在液压系统节能的基础上【5】【6】17】,纷纷研制电子节能的液压挖掘机【8lf91【Io】【1i”21。如日本小松公司开发研制的EOLss节能控制器,

可使其燃油节省23%,日立公司对UHl6型挖掘机的动力系统实行电子控制,

使其燃料消耗降低12~18%。在80年代末期,出现了三档功率预选模式的节能控制系统,使系统平均节能效果提高20%左右。采用发动机——泵复合控制系统的新式挖掘机,其燃油效率提高18%左右;其后日立的电子负载传感ELLE

中南大学硕士学位论文第一章绪论系统,以及德国利勃海尔公司在1990年推出的具有最新机电一体化技术的942型挖掘机,可获得全部的液压功率,起到较好的节能效果;美国卡特彼勒公司推出的300系列,具有电子监控和节能装置的挖掘机,能够平衡发动机功率和泵的输出,发动机功率的98%转换为液压能。目前,以微机或微处理器为核心的电子控制系统在国外液压挖掘机中应用相当普及,并已成为现代高性能液压挖掘机不可缺少的组成部分。

而我国目前挖掘机技术仍处在很低的水平,在这种情况下,国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的形式外,主要靠引进国外先进的液压元件,使国内生产的一些挖掘机技术水平得到一定的提高,但在最新技术上与国外相比还存在较大的差距。在节能、舒适性、降噪、低污染、施工质量以及生产率等指标上都不同程度地落后于国外先进水平15~20年㈣,主要原因是在许多先进技术(如微电子机械系统的应用等方面)存在着差距。

电控节能技术作为挖掘机机电一体化的~个重要环节,通过计算机对监测到的挖掘机状态参数进行分析运算,再去控制挖掘机的状态,可以提高发动机利用率,减小液压系统功率损失,使动力系统和负载所需功率更好地匹配。同时降低使用成本,提高了可靠性,在现代化建设的今天,有着重要的意义。

1.2国外挖掘机机电一体化节能控制概况

针对挖掘机的巨大能量损失,国外各大公司的挖掘机产品均不同程度地配备了电子节能控制系统,如德国O&K公司的泵管理系统(PMS)、美国卡特皮勒的发动机转速自动控制(AEc)系统、日本同立的发动机控制(Ec)和泵阀控制(PVc)系统、小松的泵——发动机相互控制(PEMUC)和闭心式负载传感系统(CLSS)、加藤的自动功率输出控制(APC)系统、神钢的人工智能控制系统(ITCS);韩国大宇的电子功率优化系统(EPOS)、现代的计算机辅助动力优化选择(CAPO)系统、沃尔沃的先进控制系统(ACS)等㈣~[23】。

其中以日立和小松为代表的电子控制系统的发展,使挖掘机整机控制达到比较完善的水平,也显示了其各自的不同特点,代表了当前液压挖掘机电子控制发展的两大方向。“。图1—1和表1一1分别所示为小松和日立公司节能技术的发展。

综合国外各电子控制系统,挖掘机电子节能控制主要是针对发动机控制系

!塑奎兰婴圭堂焦堡塞一——————塑二兰堂统、液压泵控制系统、多路换向阀控制系统、执行元件控制系统和整机控制系统。

液压挖掘机节能控制系统发展到今天,都是上述各系统的有机结合,即复合控制

系统mm…。体现在发动机与液压泵功率匹配、液压泵与负载匹配以及发动机适应

负载工况变化上。目前国外所采用的主要节能控制技术总结如下:

(1)分工况控制

挖掘机作业内容广,使用方式和要求也不同。为了适应不同作业和使用工况,

满足人们的使用愿望,就要进行分工况控制,根据作业和使用要求来对发动机和

液压泵进行优化设定,控制发动机油门开度和液压泵排量。

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控制方格垒液压控制电子0Lss最一发动机复合控制电子cLss系统化控制节能效果谭过选择不同操垂|||然辫撼黟盔瓣瓣瓣

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图1—1小松节能技术发展概况

表l-1日立挖掘机节能技术发展

时间19831984198619912000优化液压电子载荷传感

电子总控系统基于IT技术

系统系统电子调速系统挖掘系统

(ETS)系统(OHS)(ELLE)

改变转速对功计算机辅助发动机对车辆的全部因为自动减

率进行调节,发一泵控制系统,能动力系统采取速及发动机

方法及

动机自动怠速获得最高的工作效了综合的电子转速控制,燃

效果

控制。提高作业率和降低燃油消耗控制,操作简油消耗减少

量,节省燃油。量和噪声程度。便、效率高。了12%。

中南大学硕士学位论文第~章绪论目前国外挖掘机都有动力模式和作业模式选择功能,动力模式主要是对发动机和液压泵进行功率设定,作业模式主要是对操作阀进行控制,确定和控制通过操纵阀的流量。如:日立ELLE系统有四个动力选择模式及四种作业模式;小松Pc系列挖掘机、加藤挖掘机、沃尔沃Acs系统的4种工作模式;大宇挖掘机的三种动力模式和日本神钢挖掘机的三种操作模式、CAT系列有三种动力模式可供选择,每种模式下还有10档速度可以选择。

(2)转速感应控制

柴油机在不同的环境和工况下,特性是不一样的,尤其在最大功率点附近会出现因柴油机特性的变化而使负载扭矩超载,造成转速急剧下降直至熄火的现象。为避免这种情况,通常挖掘机在动力系统设计中给柴油机预留10%~15%的功率储备。

转速感应控制,即当检测到柴油机失速,就降低液压泵的吸收扭矩,以防止发动机失速停车。这样,可以取消功率储备,充分利用柴油机额定功率,有效地防止柴油机在各种工况下的过载。如大字挖掘机一ⅡI的EPOs系统,在III速时采用了转速感应控制,使发动机的有用功率大大提高。

(3)发动机自动减速和自动怠速控制

经验表明,挖掘机在工作时间内至少有25%的时间处于30~40bar压力以下的轻载或空载状态,特殊情况下高达50%【8]【2孙。在这种情况下,如果控制发动机转速下降,可以减少大量燃油消耗。这一过程如靠司机手工掌握,势必加重司机负担,分散司机对作业操纵本身的注意力。而且当轻载或空载的区间较短时,手工调节往往跟不上。电子控制挖掘机上几乎都具有自动怠速和自动减速功能【16]㈣。当挖掘机处于待机等不作业状态时,发动机转速自动降至怠速,当挖掘机有任何动作时,则发动机转速将从怠速值立即返回到原工作速度。本世纪小松和日立公司推出的最新机型上,由于发动机自动调节减速,在完成与原有机型相同作业量的情况下,使油耗能节省10%左右【2s】【29】。

(4)发动机与泵相互控制

发动机分工况控制并不是简单地将柴油机调速杆置于几个特定的位置上,同时还要相应地调节泵的吸收扭矩,使柴油机稳定地运行在经济工况点上。有的除了实现对液压泵控制功能外,还增加了对发动机转速的控制,在保持设定功率不

中南大学硕士学位论文第一章绪论变下,控制发动机转速,使发动机和泵的共同工作点,尽可能移向发动机的高效率区。如日立公司的E—P控制口01,.小松的PE—MUC系统[17]。

(5)泵与负载匹配控制

传统采用定量泵和节流控制的开式中央系统,园其功率利用率低,且无法施展较强的控制功能,因而性能不佳,在大、中型挖掘机上早己被恒功率变量泵系统取代。之后,在恒功率变量泵系统基础上出现了负流量控制、负载传感控制等新型液压系统。目前最广泛应用的是负载传感Ls系统,如小松公司的cLss系统和德国林德(LINDE)公司的同步控制(LSC)系统等【18】川,另外还有负载独立流量分配(LuDv)系统[32J,使用压力补偿阀使换向阀前后的压差保持恒定,使流量不受负载的影响。

(6)电子载荷传感控制

对主阀和先导阀也采用电子控制,如日立Ex挖掘机的电子负荷传感系统(ELLE)…】,如图1—2所示,在同时操作几个执行元件进行复合动作时,由压差传感器先检测出各执行元件相关的压差。泵阀控制器收到压差传感器信号以及先导操纵回路上压力开关的信号,经过判断,向高速开关阀发出信号控制泵排量,同时也向比例电磁阀发送控制电信号,调节各回路中补偿阀的开度,使负载不同的各执行元件的流量合理分配,实现了复合动作的需要。

中南大学硕士学位论文第一章绪论

1.高速开关阀I2.高速开关阀23.液压油温传感器4.油门开度马达5.油门开度传感器6。泵排量调节伺服缸7.先导泵8.主泵9发动机转速传感器lO.泵缸体摆角传感器11.压力传感器12压差传感器13.溢流阔14.卸荷阀15.梭闽16.可变压力补偿阀17.比例电磁阀纽

图1—2目立电子载荷传感控制系统

(7)综合节能控制

当今先进挖掘机上,并不是单独采用一种节能方法,而是综合几种节能方法,使节能效果达到最佳。如电子控制的CLSS系统液压挖掘机,就是综合泵与负载的匹配控制、泵与发动机的匹配控制及自动减速控制为一体的最佳节能控制系统,图1—3所示。

通过负载传感Ls阀检测负载并控制主泵的流量,实现泵与负载的匹配控制;设置五种作业方式,可以选择最合适的发动机扭距和泵吸收扭矩以适合于工作性质,调节器和泵控制器,根据为每种方式所设定的泵吸收扭矩,通过燃油控制表盘,检测出发动机的实际速度和由发动机调节器所设定的速度,并进行控制,使得泵能把发动机每个输出点的扭矩全部都吸收过来,达到泵与发动机的匹配控制的目的;当机器在等待工作或在等待翻斗车时,如果所有的控制杆都在空档位置,发动机速度就会自动降低到中速,以减少燃油消耗和噪声,如果有任何一根控制杆受到操作,发动机速度立即就返回到设定速度。

圈l一3电子cLSS节能控制系统图

!查盔兰堡主堂垡丝塞一.笙二童堂1.3国内挖掘机节能控制研究及应用现状

我国的液压挖掘机生产经历了~系列技术改造,从单泵系统发展到双泵系统,采用先导控制、采用总功率变量泵、负流量控制及负载传感控制等,进一步应用机电一体化技术。

我国从20世纪60年代开始研制液压挖掘机,但到70年代末,大部分产品与发达国家相比性能仍较落后。在这种情况下,我国在80年代初通过引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)口31,使我国挖掘机产品性能得到了一定的提高。但经过将近20年的发展,与国外相比在技术上仍然落后,产品质量也不稳定,影响了整机的可靠性。进入90年代以来,国内一些科研院所、大专院校纷纷与挖掘机厂家合作研究机电一体化挖掘机【34][35】【36】,如天津工程机械研究所,同济大学与合肥矿山机器厂,浙江大学与长江挖掘机厂、广西玉林柴油机厂合作,取得了一些成果。但随着国外先进的挖掘机越来越多地进入国内市场,国产挖掘机与进口挖掘机的性能差别越来越明显。造成差距的原因首先在于国产挖掘机液压系统的节能性不如国外;第二是由于国产挖掘机液压系统与发动机功率在工作中的匹配状况不理想;第三是由于国产挖掘机可靠性不如国外,造成施工成本上升。在这种情况下,国内一些挖掘机生产厂除了采取与国外合资的形式外,还积极引进国外先进的液压元件,使国内生产的一些挖掘机技术水平迅速得到提高,但在最新技术上与国外相比还存在较大的差距。

目前国内挖掘机节能控制所采用的技术状况如下:

1)引进先进的节能液压系统

主要有负流量控制及负载传感控制系统,如采用日本川崎公司的多路阀和液压泵f37】f38】,德国Rexrom公司生产SX系列多路阀及变量泵‘391。

2)引进国外高性能的柴油机

我国目前尚无这种专用柴油机系列,一般是通过改装通用柴油机的办法来解决。与国外工程机械用柴油机相比,国内柴油机普遍存在扭矩储备低,过载能力差等缺点。所以国内一些挖掘机厂家通过采用国外的一些高性能的柴油机,如美国的康明斯、日本的洋马发动机,以提高挖掘机的整机性能。

3)发动机与液压系统匹配

除合资或独资企业的挖掘机产品外,国内其他厂家由于缺乏对这种技术的研究而很少采用这项技术。也有一些厂家看好这种技术的节能效果,试图从国外购买类似产品,但由于过高的价格和技术封锁而没有成功。目前国内一些单位也纷纷投入资金对发动机和液压系统匹配进行研究[40I川f42】,并取得了一些成果,但大都停留在实验阶段,难以产品化。

中南大学硕士学位论文第一章绪论

4)合资或独资企业

比较著名的有大宇烟台、常州现代、合肥日立、小松山推、成都神钢、徐州卡特等,这些企业都拥有先进的技术,但主要掌握在外商的手里,难以国产化。

因此,国内的挖掘机厂家需要立足于本国国情,通过引进先进的液压件和发动机,自行研究一些节能关键技术,才能缩小与国外的差距。湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学协作,在国家863项目的支持下,投入大量资金,研发具有自主知识产权的机电一体化挖掘机。

1.4本论文的主要研究内容

综上所述,与国外相比,国内工程机械生产厂家在挖掘机动力系统节能方面所做的研究不多,导致国内产品在技术上与国外存在巨大的差距。本课题的主要目的是立足于国内技术水平,追踪国外先进技术,开发适合中国国情的挖掘机节能控制方法。根据目前国外挖掘机节能控制的发展状况,确定本课题研究内容如下:

1)研究cAN总线技术在挖掘机上的应用,研制一台试验用计算机控制的节能型挖掘机。为此,需要对动力系统(包括液压系统和发动机)和计算机测控系统进行设计,建立起整个系统的框架。

2)重点对发动机转速的控制进行了研究。基于发动机的转速——扭矩特性,将负载前馈控制技术应用于发动机的控制,依靠预测先行控制功能消除发动机系统滞后问题。同时采用转速及油门位置双闭环改进PlD控制方式,驱动步进电机来调节油门开度,使发动机的转速始终保持在某一允许范围内,从而使发动机始终工作在某~指定的工况,以达到提高挖掘机工作效率和降低油耗的目的。

3)对泵排量(泵的扭矩)控制进行了研究。通过功率极限控制调整液压泵保证发动机在失速区域以内工作,从而获得良好的整机性能和经济效益。

4)最后研究了负载——变量泵——发动机之间的自动功率匹配控制。提出区间功率匹配控制方法,以解决三者的动态匹配问题。

中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机节能控制系统分析和方案的提出第二章液压挖掘机节能控制系统分析和方案的提出

为了给系统地研究挖掘机的节能控制技术提供先进的试验手段,作者对挖掘机的动力系统和计算机测控系统进行了设计,建立起了整个系统的框架。

2.1动力系统方案设计

动力系统主要由液压系统和发动机组成,动力系统作为挖掘机的主要组成部分,如何选择和优化设计动力系统,达到高效、节能的目的变得十分重要。2.1.1复合变量泵控制系统

液压泵是连接发动机和液压系统的中间环节,其性能的好坏直接影响整机的匹配效果。因此,需要对其功能进行分析,以适应整机系统的要求。

由于挖掘机工作负载的多变性,使得系统经常处于超载、安全阀溢流和输出功率过剩的状态,传统的单一恒功率控制变量泵系统不能满足这种多变性的需求,因此,我们采用的变量泵系统集

成多种功能(图2~1)。其中恒功率

控制调节工作压力及泵的输出流量,

以致在恒定的驱动转速下不超过预

定的驱动功率,这种控制一方面可咀充分利用原动机功率,同时又防止了发动机过载而停机:当达到预先设定的压力值时,压力切断阀左移,使泵的排量向比。。摆回,减小了溢流损失;负载传感(LS>阀是一个流量控压力切断阀恒功率控制

制阎,它根据负载压力来工作以困2—1复合变量袭控制系统

调节泵的排量,使之适应执行器的需要。该阀比较节流上游和下游的压力并保持节流压降(压差△Jp=B一气)恒定,从而把泵的流量保持恒定。如果压差△JD加

中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机节能控制系统翘}喧壅笪提出大,则泵朝%。。回摆,而若△尸减小,则朝%。。摆出,直到在阀中恢复平衡,通过Ls阀控制,使得泵按照执行器的需要输出流量和调节输出压力,减小了功率损失。

2.1.2负载独立流量分配(LUDV)控制系统

在多年来众所周知的负载传感(Loadsensing)系统中,与负载压力无关性是通过设在测量阻尼孔前的压力补偿阀来实现的(图2—2a)。但当通过多个测量阻尼孔操纵多个执行元件时所需的流量大于泵所能提供的流量时,压力补偿阀的压差调节将失效,结果是流量流向具有最低负载压力的执行元件,而具有高负载压力的执行元件降低其速度直至停止运动。

LuDV系统,即负载独立流量分配(LoadInde口endentFlowDistribution)系统,是以执行器最高负载压力控制泵和压力补偿的负载独立流量分配系统,当执行器所需流量大于泵的流量时,系统会按比例将流量分配给各执行器,而不是流向轻负载的执行器。近几年在建筑机械领域中展示了LuDv系统的应用趋势,因此,我们选用这种系统作为整个挖掘机节能控制系统的组成部分。下面对其流量分配原理、系统的效率等作一些分析研究。

(a)(b)

1.泵2.换向节流阀3.压力补偿阀4.梭阅5.液压缸6.Ls阀调节器

图2—2负载独立流量分配系统原理图

±查查兰堡主堂垡堕塞塑三皇鎏垦笙塑垫芏堂丝型墨竺坌堑塑互塞!!i垦旦(1)基本原理

如图2—2b所示,将压力补偿阀设计在测量阻尼孔之后,执行元件的最高压力只(设鼻>只)的信号传递给所有的压力补偿阀和液压泵,由压力流量调节器给定的约为2MPa的压差作为调节压差心作用于系统,加于阻尼孔的压差凹由于压力只,=巴:而相等,泵按阻尼孔截面积4.和4:成正比供油。

(2)数学原理

由图2—2b可得流量分配阀出口的压力与最高负载压力只的关系为:

只。一只=最。,圪2一鼻=只:(2—1)若调整两补偿阀的开启压力,使得斥.=圪:=最,则有:只,,2己:

这意味着各补偿阀均受较高的负载压力控制,故各回路的流量分配阀后的压力可保持相等。所以:△只=△P2=△P=常数,流经两阀的流量:

Ql=cl爿】√2△P/,,(2—2)

Q2=c2爿2√2△P/尸(2—3)其中:c1、q——流量常数;

爿l、爿2——阀口开度;

p——油液的密度。

式(2—2)和(2—3)式可写成:

Q;=/(4),g,=/(4:)(2—4)即两回路所得的流量只与换向阀的开度成比例。

(3)流量分配特性

当液压泵的供油量Q。在多个执行元件同时操作不能满足需要时,△只和△足将相应减少,由于所有压力平衡阀上作用有最大的压力信号只,所以流量继续以与负载压力无关的方式进行分配?即赛=丢。

泵流量供给不足时的分配情况如图2—3所示,虚线表示泵的最大供给流量

中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机节能控制系统分析和方案的提出60L/min,当通过阀I流量为50L/min,阀2流量上升到30L/mjn时,流经两阀的总流量80L/min,超过当前泵的最大供给流量60L/min,就按比例f-60/80=O.75向各阀分配流量,此时流过阀1的流量为Q1=37.5L/nlin,流过阀2的流量为幺322.5L,min。

60

50

‘鲁40

嘲|30

20

10

斟2—3LUDV系统流量分配

(4)系统效率分析

首先分析单个执行元件动作时的效率,泵的最高输出压力由益流阀调定,最大输出流量由换向阀调节,如图2—4所示,虚线为最大时的特性曲线,这时系统的输出功率为:Ⅳ=Ⅳ有+Ⅳ掼。式中:

Jv有——有效功率,.v有=g。墨

Ⅳ损——损失功率,Ⅳ损=Q。△户

系统的效率玎为:

叩2(Q。l鼻)/(Q。I鼻+Q。l△P)=鼻/(日+△P)(2—5)由于Z远大于△|P(△P为系统最高压力的1%~5%),故系统的效率一般在95%以上。

再分析两个缸同时动作时的系统的效率,泵的输出流量既=9+Q:,输出节2雨≤‰z删压力为Jp2只+卸=只+必,则系统效率为:

’(鼻+凹)g+(只+嵋)g

12

翌三至婆里堡塑塑堇墼堡塑墨丝坌塑塑垂堕i!堂皇堕盔堂堡主堂垡丝壅

令邶=峨,必=(只一P2)+叱,则

叩=者‰

(2—7)当E=尸2,△只=△B=△R,则:772鼻/(鼻+△P)

此时与单缸动作时的效率相同。

Ps

Pl

QvlQmaxQ

图2—4系统效率特性图

综合以上分析可知,uJDV系统可以检测出负载的压力,使泵的供油压力始终高出负载压力一个较小压差。当执行器所需流量大于泵的流量时,系统会按比例将流量分配给各执行器。操作换向阀改变阀口开度,泵能自动调节并输出与负载速度要求想适应的流量,而与负载大小无关,实现泵输出功率与负载需要的匹配,极大提高了系统效率,达到了节能目的。因此,应用该系统能适应当今挖掘机液压系统节能的需要。

2.1.3柴油机控制方案

柴油机是整个液压挖掘机的心脏,柴油机控制主要对其油门位置和转速进行控制。通过油门拉杆位置调节供油量,以满足系统工作所需的功率和转速,传统的方法是采用手动调节油门旋钮控制柴油机转速。为保持工作速度稳定,需要由调速手柄设置,在调速器的控制下调节供油量。

为使柴油机适合于自动调节,采用电子油门调节。即由控制器发出油门控制信号给执行电机,带动油门拉杆调节供油量,以满足功率和调速的需要。因此,需要选取响应速度快,调节精度高的油门执行器。

中南大学硕士学位论文第二章液压挖掘机节能控制系统分析和方案的提出在国外著名挖掘机上应用的油门执行器主要有步迸电机和直流伺服电机。步进电机是~种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字/模拟变换器。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需转角的转速和转动方向。该种电机控制方便,而且精度也较高,因此在挖掘机柴油机电子油门调节上有着广泛的应用,如在日立、神钢、小松等挖掘机上。

另一种广泛使用的执行器是伺服电机,有较好的机械特性,与其控制器组成一个闭环位置随动系统,这一系统接收电压控制信号,然后将调速拉杆设定在给定位置,且控制精度很高,但价格较高。目前在CAT等机型上使用该种电机作为油门执行器。

综合成本和控舰效果两方面囡素,采用步进电机不仅价位低,而且也能满足发动机转速控制的要求,既适合于试验研究,也方便于实际应用,因此,我们采用步进电机作为发动机电子油门调节的执行器。

2.2挖掘机测控系统设计

2.1.1测控系统方案

主控制器作为挖掘机的“大脑”,不仅需要控制各种工作装置,还需要控制自身动力系统的运行,实现高效节能。随着目前计算机技术的发展,主控制器的构成可以有多种方案,在具体选择过程中需要对这些方案在位能、成本和软硬件开发的难易程度上进行综合分析。

(1)单片机控制方案

目前单片机的功能越来越强大,运算速度也越来越快,具有成本低,体积小的优点a这种方案需要开发专门的软件和硬件,因此通用性差,只能用于定型产品。当进行智能控制研究时,更换一次控制算法很不方便,影响研究工作的效率。

(2)可编程控制器(PLC)方案

此方案具有体积小,成本低的优势,硬件和软件开发较容易,但只适用于较简单的数字量测控系统,如配合以少量的模拟输入模块,用于定型产品如挖掘机的控制,不失为一种可行的方案,而且成本不高。电脑作为挖掘机的主控制器,

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