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1、第 33 卷第 6 期2011 年 11 月南京工业大学学报(自 然 科 学 版)JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(Natural Science Edition)Vol 33 No 6Nov 2011doi:10 3969/j issn 1671 7627 2011 06 020挖掘机正流量泵控液压系统的特性分析贾文华1，2，殷晨波1，曹东辉3，陈克雷3(1 南京工业大学 车辆与工程机械研究所，江苏 南京 210009;2 南京工程学院 机械工程学院，江苏 南京 211167;3 三一重机有限公司，江苏 昆山 215300)收稿日期:20
2、11 03 07基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875122)作者简介:贾文华(1980)，女，山东泰安人，博士，主要研究方向为工程机械中微纳米流动控制技术等;殷晨波(联系人)，教授，E-mail:yinchenbo njut edu cn摘要:采用泵控挖掘机液压系统特性分析方法，在分析泵的输出特性的基础上，给出确定先导压力信号和控制泵排量的方法，并对泵的输出特性进行了仿真和实验研究。结果表明:正流量控制下，泵的排量由执行器流量需求和油泵的 p-Q 曲线动态实时调节，系统具有良好的负载流量适应性和负载敏感性，其液压系统中不存在负压，只有约0.5 MPa的背压，回油功率损失几乎为 0。关
3、键词:挖掘机;液压系统;正流量中图分类号:TU274.7文献标志码:A文章编号:1671 7627(2011)06 0098 04Analysis on positive flow pump control system of hydraulic excavatorJIA Wenhua1，2，YIN Chenbo1，CAO Donghui3，CHEN Kelei3(1 College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China;2 College of Mec
4、hanical Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China;3 SANY Co，Ltd，Kunshan 215300，China)Abstract:Some problems were studied for the positive flow control of pump system of hydraulic excavatorBased on the analysis of pump output characteristics，the control method for pilot pressur
5、e and the pump dis-placement was given The pump output characteristics were investigated by simulation and experiment Resultsshowed that flow was adjusted by flow required by actuator and the p-Q curve of main pump For the positivesystem，the excavator had good load flow adaptability and load sensiti
6、vity The power loss of returning oil pathwas almost zero In the returning path，the negative pressure was only 0.5 MPa for the positive systemKey words:excavator;hydraulic system;positive flow液压挖掘机正在被广泛应用在水利工程，交通运输，电力工程等机械施工中1。然而，液压系统中的关键部件 80%以上从国外进口2，成本高。从以往的研究中3 5 也发现:液压系统是制约我国工程机械发展的“瓶颈”，研究挖掘机液压系
7、统对提高国内工程机械的技术水平具有重要意义。挖掘机的作业对象和工作条件复杂，为了充分利用发动机功率和缩短作业时间，工作过程中往往需要进行复合动作6。例如，斗杆挖掘与动臂提升工况，完成这一复合动作的液压原理图见图 1。在如图 1 所示的液压回路中，动臂提升和斗杆挖掘都需要由 2 个油泵(B1和 B2)供油。通过动臂和动臂这 2 个多路换向阀阀外合流对动臂液压缸供油;通过斗杆和斗杆这 2 个多路换向阀阀外合流对斗杆液压缸供油。动臂手柄的端口 a3、b3、a4与动臂1 和动臂2 的端口 a3、b3、a4相连。斗杆手柄的端口 a1、b1、a2、b2与斗杆 1 和斗杆 2 的 a1、b1、a2、b2相连
8、。1动臂缸;2斗杆缸;3斗杆;4斗杆;5动臂;6动臂;7动臂手柄;8斗杆手柄p(u)主控制器面函数;f(u)泵出口流量的控制原理函数;MR背压阀;X动臂手柄的先导压力;Y斗杆手柄的先导压力T油箱;p1、p2双联泵的出口压力;Pboom动臂油缸图 1液压原理Fig 1Schematic diagram of hydraulic pressure1油泵排量控制信号的确定正流量控制液压系统，操作手柄的操作压力不仅控制主控换向阀，还用来调节油泵的排量。主控制器根据先导压力信号及其变化趋势判断执行器的流量需求及其变化趋势，并据此确定油泵的排量，同时，通过检测主泵出口表征负载的压力，根据泵的p-Q曲线得到
9、油泵的另一排量值，根据此两排量值来实施调节油泵的排量，以使系统的流量供应能够动态跟随执行元件的流量需求，实现系统流量的实时匹配，达到“所得即所需”。图 2 为正流量先导信号的控制原理示意图。图 2正流量先导信号控制原理示意Fig 2Chart of pilot signal of positive control flow恒功率控制是以功率控制为目标。随着负载压力的逐渐增大，当 p Q的值大于设定功率时，p和Q即沿循恒功率双曲线变化，随着压力的增大，流量逐渐变小。压力不是由流量或功率决定的，而是由负载决定的。正流量控制的变量泵的原理图见图 3。在工作过程中，动臂缸的两端分别受到泵的出口压力pp
10、、弹簧力f和负载压力pf，三者处于平衡状态，关系为:pp+f=pf。当 pp+f pf时，动臂缸失去平衡，阀芯向左移动，2 的腔的油经1 流回油箱，泵的摆角增大，排量增多，直到1回到平衡位置;当pp+f pf时，动臂缸失去平衡，阀芯向右移动，泵的出口压力油经动臂缸流向斗杆缸的腔，泵的摆角减小，排量减少，直到动臂缸再次平衡位置。1.1先导压力信号的提供从图 1 所示的动臂提升和斗杆挖掘复合动作的液压回路可以看出:动臂手柄和斗杆手柄的先导压力 X 和 Y 对油泵1 和油泵2 的排量都会有影响。图1 中 W 口的压力值由 X 和 Y 两者中较大者确定。主控制器的控制原理，即图 1 所示的主控制器 p
11、(u)函数的运算机制如图 4 所示。试验测量得到，动臂和斗杆的先导压力曲线如图 5 所示，W 口的压力曲线如图 6 所示，W 口的压99第 6 期贾文华等:挖掘机正流量泵控液压系统的特性分析1变量伺服阀;2变量执行液压缸图 3正流量控制变量泵原理Fig 3Schematic diagram of pump for positive flow力与动臂手柄的先导压力相吻合，且没有延时。动臂和斗杆复合动作时，动臂负载的压力大，油泵的先导控制信号主要采集于动臂手柄的先导压力。图 4主控制器 p(u)函数的控制原理Fig 4Control diagram of main controller图 5 和图
12、 6 可以验证，正流量控制的液压系统，手柄的先导压力信号同时发送油泵和主控制阀，多路换向阀的动作和油泵的动作可以同步进行，具有良好的操作敏感性。1.2油泵出口排量的确定该系统中油泵采用的是一种近似恒功率泵。采用的泵为双联泵，两泵在结构上是一体的，两泵的流量在任意时刻都是相等的，其流量的值由两泵出口压力之和决定。在动臂提升、斗杆挖掘复合动作时，两泵都对其进行供油。正流量泵控液压系统的泵出口流量的控制原理，即 f(u)函数的机制为:根据主控制器先导压力pi得到主泵的流量 Qi，通过检测油泵出口压力 p 根据 p-Q 曲线得到油泵的流量 Qo。如果 p-Qi曲线在p-Qo之内，泵流量确定为 Qo;如
13、果 p-Qi曲线在 p-Qo之外，泵流量确定为 Qo。泵出口流量的控制原理见图 7。图 7泵出口排量 f(w)函数的控制原理Fig 7Control diagram of export displacement of pump2系统结果分析与研究采用图 6 所示的先导压力，对 SY215C8M 挖掘机进行实验测定，结果见图 8。理论与实验所测得001南京工业大学学报(自 然 科 学 版)第 33 卷的泵出口的负载压力对比曲线如图 8(c)所示，系统回油路的能量损耗对比曲线如图 9 所示。图 8流量曲线Fig8Curves of flow从图 8 可以看出:在动臂提升、斗杆挖掘复合动作开始，系统
14、压力小，油泵出口流量由 Qi来调定，随着动作的进行，系统压力逐渐升高，p-Qi曲线在 p-Qo之外，油泵出口流量也开始由 Qo调定。这也证明正流量控制下油泵具有良好的流量负载适应性。正流量控制系统的回油功率损耗曲线如图 9 所示。正流量控制的液压系统，不存在负流量控制中的负压，它的回油压力仅仅是背压(一般在0.5 MPa左右)，减少了不必要的功率损失，回油功率损失几乎为 0，使得正流量控制的挖掘机在完成同样工作量的情况下一定比负流量的挖掘机省油。图 10 是动臂油缸进油大腔压力和油泵出口压力的比较图。从图 10 可看出:油泵的出口压力与最高负载压力相适应，正流量控制具有良好的负载敏感性。3结论
15、1)正流量泵控系统中油泵的排量由执行器的流量需求和油泵的 p-Q 曲线共同实时调节，操作敏感性好。2)正流量泵控系统不存在负压，回油压力仅仅是约0.5 MPa的背压，因此回油功率损失几乎为 0。参考文献:1张宏，杨裕丰，杨梅 Bauma 2010 挖掘机观感J 建筑机械化，2010(6):20 212孙世荣，袁启昌，薄翠梅 六面顶金刚石压机液压系统压力及超高压优化控制 J 南京工业大学学报:自然科学版，2007，29(6):68 713彭天好，杨华勇，傅新 液压挖掘机全局功率匹配与协调控制 J 机械工程学报，2001(11):50 534张德胜，郭勇 液压挖掘机典型液压控制系统分析J 建筑机械，2007(11):86 875张栋 基于功率匹配的挖掘机节能控制技术的研究D 长春:吉林大学，20056何清华，张大庆，郝鹏，等 液压挖掘机工作装置仿真研究 J 系统仿真学报，2006，18(3):735 738101第 6 期贾文华等:挖掘机正流量泵控液压系统的特性分析