液压挖掘机的液压泵及其电控系统
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摘要:液压控制信息处理能力差,光依赖液压控制无法达到理想效果,必须要引入电子控制技术,实现电液一体化结合控制。文章探讨了如何利用电子控制技术实现液压泵与发动机合理匹配的电液一体化控制技术。
中图分类号:U415文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)28-0076-03
进入21世纪以来,随着国家经济的发展,国家对基础建设的投入也在逐年加大,而液压挖掘机是国家基础建设的主力机种,是建设工程的主要生产工具,因此每年的需求都在不断增大,而用户也对液压挖掘机提出了更高的要求,不但要求达到高效率、具有良好的操纵性,而且要求节能低排放、降低对环境的污染等,要实现这些要求必须对液压挖掘机进行控制,由于液压控制信息处理能力差,光依赖液压控制无法达到理想效果,必须要引入电子控制技术,实现电液一体化结合控制。液压动力的源泉是液压泵,实现对液压泵的控制是挖掘机的主要控制,要实现对液压泵的有效控制,必须对泵和发动机进行综合控制使泵和发动机具有良好的匹配性能,因此必须同时提到发动机控制。
挖掘机被称为土建机械手,是建设机器人的代表,由于它的工况的复杂性,所以它的控制内容也复杂多样,下面介绍利用电子控制技术实现液压泵与发动机合理匹配的电液一体化控制技术。
1液压泵的三种工况能量损失
挖掘机在工作过程中存在以下三种工况能量损失:
1.1操纵阀中位时能量损失
工作装置停止作业各操纵阀处于中位,此时液压泵只需供应很少量液压油冲洗系统使液压泵处于待命状态,一旦系统要求工作即可快速响应。中位时液压泵供应压力只需克服管道阻力和为防止气蚀而设的背压,系统压力不高,但变量泵由于采用恒功率控制流量却很大,因此产生有不小的能量损失,如图1(a)所示。
1.2微动操作时能量损失
液压挖掘机需要精细作业微动操纵控制,一般采用通过控制操纵阀开度进行节流调速,将部分油溢流回油,这部分的能量损失如图1(b)所示。
1.3过载溢流能量损失(高压切断)
掘削时假如遇硬石块掘不动,为了防止过载损坏机械,液压安全阀打开,压力油通过安全阀溢流回油箱,其能量损失如图1(c)所示。
以上这些在使用中产生的能量损失主要是流量损失,因此为减少上述能量损失的节能控制,实际上是按需流量控制,使泵流量按实际需要输出,避免不必要的流量损失。
2液压泵与发动机的匹配
目前多数液压挖掘机的液压系统控制都采用恒功率控制,随着油泵压力提高油泵输出流量减小,满足挖掘机高压小流量低压大流量的作业要求。即PQ=常数,PQ曲线是恒功率曲线,这样能充分利用发动机功率,防止发动机过载熄火。
所谓恒功率控制,实际上是Pq=常数(q为变量泵的排量)应该说是恒转矩控制,当发动机转速不变时是恒功率,发动机转速改变,功率发生变化。恒转矩控制对发动机和液压泵联合工作很有利,因为对发动机的阻力矩是不变的,可以通过油门控制来改变发动机转速,从而使液压泵流量变化,发动机和液压泵匹配工作情况如图2所示:
液压泵的阻力矩为:M ∝ pq
液压泵的吸收功率:N ∝ pqn
式中:p――压力;
q――排量;
n――发动机转速。
3电控系统组成及控制分析
3.1采用电液比例减压阀方式来调节液压泵功率
该系统组成如图3所示:
图3采用电液比例减压阀方式控制液压泵排量系统图
该系统主要由泵倾斜盘控制机构、电液比例减压阀、控制器、转速传感器和油门开度传感器等组成。控制过程:首先由油门开度传感器检出发动机油门开度,并把数据输入控制器,再由控制器的微处理器(CPU)计算出在此油门开度下,发动机的最大功率转速nR,并以此转速作为控制目标。当泵吸收功率过大使发动机转速低于设定目标转速时,控制器发出控制信号,通过电液比例减压阀,降低液压泵功率,发动机负荷随之减小,发动机由于负荷减小转速上升,发动机转速上升至无限接近于目标转速nR。相反当液压泵吸收功率过小,发动机由于负荷过小,而转速高于设定目标转速时,控制器发出控制信号,通过电液比例减压阀,增加液压泵功率,发动机由于负荷变大,转速下降,发动机转速下降至无限接近于目标转速nR,使得发动机转速始终保持在最大功率转速nR处工作,如图4所示:
3.2电液比例减压阀控制方式
电液比例减压阀的控制采用脉宽调制方式,通过控制器向电液比例减压阀输出控制电流,改变输出液压,电液比例减压阀特性如图5所示。随着输入控制电流I的增加,输出控制液压增加,从而实现变功率控制。
为了充分利用发动机功率,发动机和液压泵的匹配采用超马力匹配,即液压泵最大吸收功率超过发动机最大额定功率,因为有转速反馈感应控制,可以通过电液比例减压阀把液压泵功率调节回至发动机的额定功率,让液压泵充分吸收发动机全功率。同时设定液压泵最大负荷力矩(即电液比例减压阀电流最小时的负荷力矩)低于发动机最大力矩,所以发动机在工作过程中不会过载熄火,而且能保证当电液比例减压阀失效时,发动机也不会熄火,其匹配情况如图6所示。其控制系统方块图如图7所示,在此图中也表示了整个控制系统的组成。油门开度传感器检出发动机油门开度,通过A/D变换输入计算机,求得控制的目标转速。转速传感器检出旋转脉冲,通过F/D变换将脉冲量变为数字量,求得发动机实际转速,与目标转速进行比较得到转速差Δne,通过微机PID运算,以脉宽调制方式输出,经功率放大输入电液比例减压阀,对液压泵进行流量控制调节。
4液压挖掘机工况设定
液压挖掘机是一种多功能的机械,进行的作业内容有挖掘、装载、挖沟、填埋、整修、搬运、破碎和平地等。所遇到的作业对象(土质)变化较大,有软性粘土、松沙质土、紧密沙质土,较紧密砂砾混合土,砂砾原石和软岩等。另外使用方式和要求也不同:有时追求最大作业效率,要求发挥最大功率,进行强有力地掘削;有时强调燃料经济性,生产率要求不突出,进行一般挖掘和装载工作;有时则重视精度和安全,进行精细工作和微调作业,在窄小的场地进行操作。为了适应不同作业需求和使用工况,满足用户的使用愿望,就需要进行分工况控制,根据作业工况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按需匹配。同时还对阀和液压马达进行设定控制,以适应不同作业工况。
在不同的作业内容、作业对象、使用方式和要求下,发动机的动力设定(油门开度)和液压泵的功率设定是不一样的。因此要求根据需要调节发动机的功率输出(油门开度),同时对液压泵进行变功率控制。
根据用户的作业需求和作业习惯液压挖掘机分以下三种工况和动力设定模式:
4.1H工况(Heavy Digging Mode重掘削动力模式)(High Production Mode 高生产率模式)
此模式为全功率匹配,拥有最大的作业效率,在此工作模式下挖掘机追求的是高作业效率。
4.2 S工况 (Saving Power Mode 节能模式)
发动机油门开度减小,输出功率降低,液压泵的吸收功率也相应降低,两者工作在发动机和液压泵联合工作的最佳效率处。
发动机和液压泵在发动机万有曲线上匹配如图8所示。从图中可见S工况联合工作点在万有特性最低ge处附近。
4.3 L工况(Light Mode 轻载模式)或微动工况(精细作业模式 Fine Control Mode)
发动机油门开度较小,液压泵的功率设定也较低,其匹配情况如图8所示。作业装置动作较慢适宜于精细作业。
5发动机和液压泵的联合工况控制
其控制系统如简图9所示:
通过动力模式选择开关选择动力模式,输入控制器,经控制器处理后对电液比例压力阀输出控制电流,不同模式输出不同控制电流值,通过电液比例压力阀控制液压油泵的排量控制机构输出不同控制液压,实现对液压油泵的调节,各动力模式液压泵控制特性如图10所示:
与此同时,按照所选择的动力模式,控制器对控制油门开度的步进马达输出相应的电控制信号,按模式要求控制发动机转速(油门开度)。
从图10液压泵控制特性可知,S和L工况液压泵的最大流量因发动机转速而相应下降, S和L工况功率曲线与发动机转速有关的也相应下降。
6结语
以上阐述了液压挖掘机液压泵的三种能量损失,提出了根据作业需求和作业习惯设定液压挖掘机的作业模式,介绍了液压油泵和发动机的匹配原理,并着重描述了液压挖掘机电控系统的组成和控制原理,对理解和设计液压挖掘机节能、减排控制系统,提高生产效率和经济效益,具有较大推广价值。
参考文献
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