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工程机械液压控制系统技术体系分析

作者:二手挖掘机 来源:www.cnwaji.com 发布时间:2015-11-24

摘要:本文分析了工程机械的使用工况要求,介绍了典型工程机械液压控制系统的主要特点,从液压系统的功率形式推导了其功率控制方式,并对比分析了不同的功率控制方式的优缺点及其优化解决方案,最后总结了工程机械液压控制系统的节能控制和速度协调性控制的改善途径。

本文分析了工程机械的使用工况要求,介绍了典型工程机械液压控制系统的主要特点,从液压系统的功率形式推导了其功率控制方式,并对比分析了不同的功率控制方式的优缺点及其优化解决方案,最后总结了工程机械液压控制系统的节能控制和速度协调性控制的改善途径。

0 引言

工程机械是一种大功率作业机械, 在连续工作过程中,其作业负荷变化较大,如装载机和推土机在铲土作业工况下,其作业负荷甚至从零突变到无穷大,这就需要发动机的输出功率能够根据作业工况及时调节,以满足大负荷下的动力性要求和小负荷下的经济性要求;工程机械一般要求多执行机构协同动作,如挖掘机装车工况需要动臂、斗杆、铲斗和回转协同动作,混凝土泵车布料时需要多节臂和回转协同动作, 多执行机构协同作业要求传动和控制系统能够对驱动部件的速度和位置进行连续可变的调节;工程机械工作过程中,即要求能够大功率输出以克服重载荷工作, 又要求能够精细动作,如起重机在吊重作业时要求大功率输出,而在吊装工况下又要求能够做微动作, 这就要求传动和控制系统具有大范围的调速区间和良好的操控性能。

综上所述, 工程机械的作业工况要求其传动和控制系统具有良好的动力性、经济性、作业效率、调速性和操控性。

1 工程机械的液压传动与控制系统分析

液压系统的功率形式是压力和流量。 液压泵将发动机输出的机械能转化为液压能,是液压系统的能源。液压阀对液压泵输出的能量进行调节和分配, 主要调节系统的压力、流量和方向,主要控制各个功率支流的绝对值和相对值。 液压马达和液压缸又将液压能转化为机械,驱动执行机构工作。

可见,通过调节液压泵的排量、发动机的转速和控制阀的开度,即可满足工程机械的各种工况要求,实现工程机械的动力控制、节能控制、作业效率控制、速度控制和精细控制。

2 液压系统的功率控制方式分析

液压系统的功率形式是压力和流量。 液压功率的公式如下:

w=pq/60

式中 w———液压功率,单位为 kw;

p———液压系统压力,单位为 mpa;

q———液压系统流量,单位为 l/min。

液压系统工作时,其压力的大小由负载决定,压力不是液压系统的固有参数。 从控制的角度来讲,压力是系统对外载荷的响应,所以,对液压系统的功率控制其实是对液压系统的流量控制。

下面分别分析液压泵和液压阀的流量控制。

液压泵的理论流量公式如下:

qb=nevb

式中 qb———液压泵流量,单位为 l/min;

ne———液压泵输入转速, 一般为发动机转速,单位为 r/min;

vb———液压泵排量,单位为 l/r。

由上式可见, 改变液压泵的排量和转速都可以改变其流量,进而改变执行机构的速度,其中,通过调节液压泵转速来调速的控制方式称为变频调速, 通过调节液压泵排量来调速的方式称为容积调速。

对于工程机械来讲,在工作过程中,一般要求柴油机转速稳定或相对稳定, 即使由于外负载的变化而导致发动机转速失稳, 也要通过一定的控制手段使发动机转速恢复稳定。 所以在对液压泵的流量进行控制时,一般假定转速是恒定的, 即对液压泵流量的控制其实是对其排量的控制。

液压阀对液压泵输出的流量进行二次调节。 工程机械上常用的比例控制阀实质上是一个可变液阻,对于并联的液压回路,其上游的压力(泵侧压力)相等,各个液压阀构成的并联液阻的绝对值和相对值决定了各支路的流量。 液压阀的流量公式如下:

式中 qf———液压阀的流量,单位为 l/min;

cq———流量系数,需查表获得;

a———液压阀的开度;

δp———液压阀上的压降,单位为 mpa;

ρ———液压油的密度。

由上式可见,液压阀的流量主要由两个变量决定:液压阀的开度 a 和阀上的压降 δp。 由于液压系统的压力是由外负载决定的, 而外负载往往是不可控的,所以, 目前对液压阀的流量控制只能通过控制其开口 a实现,即通过调节 pwm 电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生位移,控制阀的开口 a。

由于液压阀上压力变化的影响, 这种流量控制方式的误差很大,而且误差不可控,往往也难以通过控制手段补偿,因为系统的压力与工作装置的姿态、作业负荷的大小甚至工作环境的温度都有关系。 所以,通过控制液压阀的开口 a 来对执行机构进行速度控制和位置控制,其控制精度和可操作性都很不理想。

3 液压系统的流量控制方式

由前文分析可知, 调节液压泵的排量和调节液压阀的开度均可对液压系统的流量进行控制, 这两种控制方式分别称为泵控调速方式和阀控调速方式。

泵控调速方式是通过改变液压泵的排量来实现的,所以,调速过程中液压系统没有流量损失,也就没有功率损失,经济性好;同时,由于调节液压泵的斜盘倾角需要推动斜盘、柱塞、滑靴等一系列的质量元件和摩擦副,惯性较大,其排量的响应时间较长,经实验室测试, 力士乐 a11vo130 液压泵的排量响应时间约为300~500ms。

阀控调速方式是通过改变并联回路之间的相对液阻来实现的,所以,大部分流量经控制阀进入执行元件对外做功,多余的流量经控制阀回油箱,这部分流量是浪费的流量。 可见,阀控流量控制方式存在不做功的流量,其经济性不好;同时,由于改变液压阀的开度只需要通过电磁铁推动阀芯移动, 而阀芯的质量远远小于液压泵的运动质量,所以,阀控方式的响应速度很快,一般取决于电磁铁的响应频率。 目前,在工程机械上用的一般的液压阀的电磁铁的响应频率在 10hz 左右,高速电磁铁的响应频率可超过 20hz。

由上述分析可见, 泵控调速方式和阀控调速方式是优势互补的,如果能将二者的优势结合起来,克服个自的缺点,则是一种较为理想的流量控制方式。 力士乐和川崎等工程机械液压系统成套设备供应商所提供的液压系统,其流量控制正是这样一种控制方式,即变量泵+比例阀的流量控制方式。

液压系统工作时, 变量泵根据流量需求初步确定其初始排量,初始排量一般比需求的流量多 20l/min 以上,比例阀根据操作信号对流量进行二次修正,实现执行机构的速度控制。 这种控制方式既能保证液压系统有较好的经济性,也能获得较快的响应速度。 目前的正流量控制、负流量控制、负载敏感控制等都属于泵控+阀控的流量控制方式。

负流量控制方式的液压原理图如图 1 所示。

可见,在负流量控制方式中,变量泵的排量受主阀中位流量的控制,二者变化方向相反。

正流量控制方式的液压原理图如图 2 所示。 由图 2 可见,在正流量控制方式中,液压泵的排量与液压阀的开度受同一个操作信号控制, 这样有利于提高液压系统的响应速度。

负载敏感控制方式的液压原理图如图 3 所示。

由上图可见,在负载敏感控制方式中,液压泵的排量由主阀上的压力降控制, 而主阀上的压力降不但与操作信号有关,还与最大的外负载有关,所以,负载敏感控制方式结合了操作者的速度预期和外负载的速度限制。

有些工程机械对快速响应特性要求不高, 如起重机,可以采用单纯的泵控系统以获取较好的经济性;有些工程机械对经济性要求不高,但对快速性要求很高,如小型挖掘机, 可以采用单纯的阀控系统以取得更好的快速性。

4 结论与展望

综上所述, 工程机械液压系统的功率控制主要是液压系统的流量控制, 而流量控制主要是液压泵的排量控制和液压阀的开度控制, 目前液压系统的主流控制方式结合了泵控和阀控的优点。 泵控和阀控方式主要解决了经济性和快速性的问题, 并没有解决精确性问题。

现有工程机械液压泵的排量一般都是开环控制的,其排量精度不高;而工程机械比例阀的流量控制方式存在根本缺陷,其流量精度受压力影响很大,既难以消除,又难以补偿。

可见,在解决了经济性和快速性后,精确的流量控制是未来工程机械液压系统发展的必然要求。

目前, 由力士乐生产的工业用电子泵具有排量闭环电子控制功能,具有较高的响应特性、线性度和重复精度, 能够满足工程机械用液压泵的精确流量控制要求,但其对于工程机械使用过程中高温、高尘、高振等恶劣工况的适应性有待验证。 由阿托斯生产的工业用伺服液压缸具有行程闭环控制功能, 能够实现执行机构的速度、位移的精确控制,但其伺服比例阀对系统的油液清洁度要求较高, 其集成的电子检测和控制元件对于工程机械使用过程中高温、高尘、高振等恶劣工况的适应性有待验证。 另外,除了上述技术因素以外,工业用高精度液压元件的价格也是其在工程机械行业普及的障碍之一。

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