基于负流量的挖掘机极限负荷控制策略研究

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液压挖掘机是建筑施工机械重要设备之-，研究其节能技术有着重要意义。国机重工黄鸣辉进行了负流量控制策略的研究 1]，中南大学何清华探讨了负流量控制节能系统策略 2]，广西柳工蔡登胜等人研究了功率控制的电控系统 I3 J，得出了很多有益的结论。但传统负流量控制技术因功率可调范围窄，由此造成发动机输出功率过剩而产生功率浪费，也会造成因发动机负荷率过大而产生功率不足，使发动机在工作过程 中熄火，这- 问题-直没得到很好解决。针对这-情况，本文提出基于负流量的极限负荷控制系统并研究了其控制策略，通过试验验证，节能效果明显。

l 负流量控制系统负流量控制简图如图 l所示，液压泵工作时输出的油液通过操纵阀(换向阀)阀杆时将控制油分成两部分：-部分进入液压缸或液压马达做功，为有效流量，另-部分通过阀中位回油道回油箱，为浪费流量。为减少浪费的流量，通过在操纵阀中位回油道增设-个节流孔，将节流口前压力 引至液压泵排量调节机构来控制液压泵的排量。通过节流孔的流量越大，则它的先导压力48 201 3(09)建筑机械化(图1 负流量控制简图P 越大，调节液压泵的排量越校因泵变量机构的控制压力(先导压力 与泵排量呈反比关系，所以称为负流量控制。

图2所示是-个发动机的万有特性图，等油耗 曲线为-系同心圆，越接近内圈，耗油量越小，最 内圈是油耗最小的区域 ，图中阴影区域为负流量控制系统中液压泵的：工作区域。-般情况下，为了保证低速不熄火，液压泵的最小吸收扭矩 限制在发动机外特性最低点之下，使发动机在转矩输出最小时仍可满足泵所需的功率，保证挖掘机稳定运行。液压泵在负流量模式控制下，功率调节范围为 15%左右，而发动机最大扭矩与高低怠速最大扭矩差达到 40%左右 4，致使泵的最大吸收扭矩 -般在处于发动机最小输出扭转之下或略有提升，远小于发动机最大扭矩。

图2 发动机万有特性曲线和泵的工作区域观察图2可知，由于挖掘机受到液压泵最大吸收转矩的限制，当到达液压泵功率的设定上限时，驾驶员无论如何操纵，挖掘机的工作速度都不会更快。也造成在发动机提供最大转矩时，液压泵不能有效地吸收输出功率，严重浪费发动机功率。同时使液压泵工作区间偏离最小油耗区域过大，耗油量大。

2 流量极限负荷控制系统针对负流量控制系统中出现的问题，如果液压泵的功率能随工况的变化而完全调节或扩大调节范围，则液压泵将会随着负载的变化旧能多地吸收发动机的功率，基于此开发了应用于挖掘机的负流量液压系统极限负荷控制系统。具体措施如图 3所示，将液压系统的负流量反镭路取消，在多路阀负流量反磊增加压力传感器 (还可堵塞中位回油，但需增加中位卸荷阀)，并在主泵的2个负控制压力口各增加 1个电比例减压阀。

同时使主泵扭矩略大于发动机最大扭矩，通过合理调节排量调节机构内弹簧预紧力，可避免系统图3 负流量极限负荷控制系统原理简图作用控制设计研究 Design＆Research进入恒功率调节区。

在正常工作时，控制器通过采集主泵输出口压力、主阀负流量反磊压力、发动机转速、油水温度、模式档位等信息，综合判断后输出比例减压阀电流，从而改变比例减压阀输出压力 ，即P )。在输出压力尸f的作用下，决定了液压泵的起调压力点，也决定了液压泵的输出功率大续而控制液压泵的变量机构，使液压泵的排量发生变化，形成连续的功率特性曲线。也可知，此时液压泵的斜盘摆角仅受到电比例减压阀的控制，因此解决了图 1中传统负流量控制系统中扭矩比例阀对两泵扭矩调节范围过小的问题。

图4 发动机万有特性曲线和液压泵的工作区域如图4所示，通过控制器的调节作用，可使泵的功率变化范围大于发动机的功率变化范围。

当泵吸收功率大于发动机输出功率时，可等比例降低两泵的排量；当泵吸收功率小于发动机输出功率时，可等比例提高两泵的排量或自动降低发动机转速，控制发动机和主泵按负载的需求输出。因而可使液压泵始终在不低于发动机功率的状态下工作，从而可完全吸收发动机的功率，达到充分利用发动机功率的目的，提高作业效率(高效模式)。同样，可根据万有特性经济油耗点匹配，达到高效节能的目的 (经济模式)。

3 负流量极限负荷控制策略负流量极限负荷控制流程方框图如图5所示。

补偿电流Ia：PID运算器通过采集设定模式档位的目标转速 n 、发动机实际转速 i'/ ，得出转建筑机械化2013(09)49Design& Research 设计研究图5 负流量控制流程方框图速的变化率e和转速变化率的变化值cc(带正负)后，进入模糊控制推理表进行 PID运算，输出补偿电流L。在工作初始时，为模式档位下的设定电流值。

基准电流 ：前馈运算器通过采集主泵压力P。/p：、模式档位等信息，综合处理后得出的，为系统主电流。

修正电流厶：为应对突变载荷，在前馈运算的同时，进行突变负荷控制。

负流量电流 ：通过采集主阀负流量反磊压力 /p ，经过负流量控制器的模拟运算，输出电流 。

工作过程中，电流逻辑运算控制器通过采集补偿电流L、基准电流 、修正电流 、负流量电流厶等信息，综合处理后输出电磁比例减压阀电流，，使比例减压阀输出压力 Pf改变，从而决定了液压泵的起调压力点，也决定了液压泵的输出功率▲而控制液压泵的变量机构，使液压泵的排量发生变化，形成不同的功率特性曲线，液压泵变为功率可控泵。

与挖掘机传统的负流量控制系统相比，挖掘机极限负荷控制系统的主要优势在于：①主泵功率调节范围较宽，可以在发动机全转速范围内实现 100%的功率利用，取消了功率储备；②实现了双泵排量的独立调节，以泵输出需求流量为目的，转速调节灵活；③可以实现智能可变的压力切断，使系统压力控制在设定的切断压力值之下，减小溢流阀的泄油损失；④泵经常大排量工作，效率高；⑤可实现发动机转速根据流量和功率需求自动调节；⑥对于突变载荷，液压泵有更50 201 3(09)建筑机械化好的适应性，操作性更好。

4 应用实例为验证负流量极限负荷控制系统的效果，在江麓重工 CN330履带式液压挖掘机上进行了对比试验。试验针对两种控制方法的特点分别进行了实地挖掘，将油门旋钮依次从6档旋转到 10档，每档操作 30min，挖掘机回转90。，挖深 3m卸载高度 4m。为提高试验精确性，重复进行试验，测试 3组数据，整理后取平均值，其挖掘效率和油耗曲线如图6、图7所示。

145- l351 25焉151O595 负流量限负荷0.090.0850.080.075崔 o.07卉 0.065斟 O.O66 7 8 9 lO油门档位图6 两种系统挖掘次数的对比图～ 4 结 论本文针对起重机械销轴连接中销轴的设计计算方法进行探讨。总结了传统设计计算方法中，销轴与耳板孔接触载荷的不同简化方法对强度计算结果的影响，与有限元分析仿真结果对 比研究，得到如下结论。

1)销轴与耳板孔接触载荷按三角形分布简化方法，更符合销轴实际受力状况，可用于初步设计。

2)用有限元方法得到的销轴最大弯曲应力、剪应力、复合应力位置，与实际中销轴的疲劳损坏位置大致相同，结论可为此类销轴的优化设计提供参考。 圈[