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1、2 0 1 0 年8 月第3 8 卷第1 6 期机床与液压M A C H I N ET O O L H Y D R A U L I C SA u g 2 0 1 0V 0 1 3 8N o 1 6D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 6 0 1 9小型挖掘机液压系统分析张树忠1，吴文海1，蒋道成2(1 西南交通大学机械工程学院，四川成都6 1 0 0 3 1；2 四川宜宾普什重机有限公司，w)J l 宜宾6 4 4 0 0 7)摘要：针对小型液压挖掘机的工况特点，分析并比较小型液压挖掘机节流控制系统、负载敏感控制系统以及与负
2、载无关的流量分配系统(L U D V)的功率损失和可控性，表明L U D V 系统是小型挖掘机液压控制系统最佳选择。关键词：小型液压挖掘机；功率损失；控制特性；L U D V中图分类号：T H l 3 7 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1(2 0 1 0)1 6-0 5 3-2T h eA n a l y s i so fH y d r a u l i cS y s t e mi nM i n iE x c a v a t o rZ H A N GS h u z h o n 9 1，W UW e n h a i，J I A N GD a o c h e n 9 2(1
3、S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，C h e n g d uS i c h u a n6 1 0 0 3 1，C h i n a；2 Y i b i nS i c h u a nP u s hH e a v yM a c h i n e r yC o。L 1 D，Y i b i nS i c h u a n6 4 4 0 0 7，C h i n a)A b s t r a c t：B a s e do nt h ew
4、 o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r，p o w e rl o s sa n dc o n t r o l l a b i l i t yo ft h r o t t l i n gc o n t r o ls y s t e m，l o a ds e i n i n gc o n t r o ls y s t e ma n dl o a du n d e p e n d e n tf l o wd i s t r i b u t i o ns y s t e
5、m(L U D V)w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d T h er e s u l ti st h a tL U D Vi st h eb e s tc h o i c ef o rm i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r s K e y w o r d s：M i n ih y d r a u l i ce x c a v a t o r；P o w e rl o s s；C o n t r o l l a b i l i t y；L U D V小型液压挖掘机具有机动能力强、体积小、多功能作业等特点
6、，适于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况，如公路养护、园林绿化、小区建设、市政工程及农田建设等。近些年来得到高速发展，2 0 0 5 年我国1 3t 以下小型挖掘机的销量达到了1 19 5 3 台。在小型挖掘机的构成中，液压系统是其核心部件，既承担着能量转换的任务，又是人的肢体的延伸，以完成操作者的各种控制策略。而其能量损失和可控性是影响小型挖掘机性能的重要指标，故有必要对小型挖掘机液压系统的节能性和可控性进行研究。1小型挖掘机液压系统分析目前小型挖掘机的液压系统主要包括：节流控制系统(包括正流量控制、负流量控制)、负载敏感控制系统(L S)和与负载无关的流量分配系统(L U D V)。1 1
7、节流控制系统节流系统，采用定量泵或恒功率泵配合三位六通旁路节流多路控制阀，结构简单、耐用，对于油液的污染不特别敏感，成本较低且技术成熟，因此目前国内仍有大量小型挖掘机采用节流控制系统。但节流控制系统存在大量的节流损失和溢流损失，系统效率较低、发热量大，需要较大的冷却器，见图1。围与负载、流量、阀的行程都有着必然的关系，如负载压力大时，多路阀阀芯的调速区减小，挖掘机动作粗暴。图3 反应了负载间的影响，在非饱和区域内(系统需求流量超过泵供油能力)，低负载执行元件会降低高负载执行元件的速度，甚至迫使高负载执行元件停止。如图3 中，在非饱图1 节流控制系统的功率分配和区域高负载(2 5M P a)速度
8、迅速降低。流量Q Q 图2 节流控制系统的控制特性由图2 可知，多负载并联时其控制起点及控制范(1)图3 节流系统多负载间的影响根据上述分析可知节流控制系统具有以下特点：控制与负载的变化有关；(2)高压、小流量时收稿日期：2 0 0 9-0 8 2 8作者简介：张树忠(1 9 8 0 一)，男，博士研究生，主要从事机电液智能控制。电话：1 3 1 9 4 8 7 4 7 7 4，E m a i l：z s z g o 1 6 3 c o r n o万方数据5 4 机床与液压第3 8 卷控制范围较窄；(3)负载之间相互影响；(4)两个以上负载同时运动时。具有较高负载的执行元件可能会停止不动。1
9、2负载敏感控制系统(L s)2 0 世纪8 0 年代根据对节能的进一步要求，负载敏感控制系统(L S)被提出来，其原理如图4 所示，其功率损失如图5 所示。图4L S 控制系统原理图图5L S 控制系统的功率损失比较图1、5 可知，b 控制系统(闭芯)实现了按系统所需提供流量，因此虽然增加了低负载的节流损失，但减少了大量的溢流损失和节流损失，故L s控制系统的效率比节流控制系统高。图6 为L S 闭芯系统的控制特性。由图6 可知：L S 控制系统的控制起点与负载和流量大小均无关，调速范围较大，而控制范围则与流量大小有关。两个执行元件的负载压力分别传至各自的压力补偿阀，其中较高的压力经梭阀再传送
10、到变量泵，控制机构使泵按需提供流量。当处于饱和状态(泵能提供足够流量)且p。、p：相等时，两个负载流量分配取决于开口节流面积A。、A：，可实现复合动作，互不干扰，如图7 所示。Q 癸Q p(H 己￥l 手柄开度I控制范围图6L S 闭芯系统的控制特性流Q时间图7L S 闭芯系统多负载间的影响当系统处于非饱和状态时，即系统需求的流量超过泵供油能力的极限时，则无法保证p。、p：相等(最高负载回路上卸小于低负载回路上的卸)，故高负载执行元件速度会迅速降低直至停止，从而使挖掘机失去复合动作的协调能力，与节流系统相似。如图7 中，在非饱和区域高负载(2 5M P a)速度迅速降低。与节流控制系统相比，负
11、载敏感控制系统具有以下优点：(1)能量利用率相对较高；(2)在饱和状态下，流量控制精度高，不受负载压力变化的影响；(3)多个负载可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。1 3 与负载无关的流量分配系统(L U D V)针对非饱和状态下多负载复合动作互相干涉的问题，国外液压厂家开发了与负载无关的流量分配系统(L U D V)，其原理图见图8。通过与L S 系统比较可知两者的不同之处：(1)L U D V 将压力补偿阀设在节流环节之后；(2)压力补偿阀补偿信号取自系统中的最高负载信号，而不是其自身负载。L U D V 系统中的=P。、p：皆为系统泵出I=1 压力与最大负载压力之差，因此即使当系统
12、处于不饱和状态时，：P。、卸：仍然相等(同时值下降)。由于无论系统是否处于饱和状态，卸。和p：总相等，故泵所提供的流量总按照各阀的开口面积A。和A：成比例分配，而与负载大小无关。如图9 中，在非饱和区域高负载(2 5M P a)和低负载(1 5M P a)，流量按比例分配，而与负载大小无关，只与手柄偏转角度有关。图8L U D V 原理图图9L U D V 多负载间的影响通过上述分析可知，L U D V 不仅继承了L S 系统的所有优点，如能按需提供流量、能量利用率相对较高、控制范围较大、在饱和状态下多个负载可独立工作互不干扰等，而且还实现了非饱和状态下的与负载无关的流量分配。2 结论通过对小
13、型挖掘机液压控制系统的比较分析可知：(1)L S 系统效率比节流系统高，且解决了饱和状态下多个负载互不干涉的问题；(2)L U D V 不仅继承了L S的优点，而且实现了不同负载压力的多个执行元件问互不干扰的精密控制，具有良好的控制性能。结合小型液压挖掘机的特点，可知L U D V 在小型挖掘机上大有用武之地。参考文献：【1】王长江当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统的发展方向 J 工程机械与维修，1 9 9 7：3 8 4 0(下转第5 9 页)万方数据第1 6 期郑淑娟等：比例阈控电液纠偏系统的设计与分析5 9 趔0 馨0 0 0 图5 单位阶跃响应曲线(1)延迟时间、上升时间和峰值时间分
14、别为0 0 5 7ls，0 0 5 04s 和0 1 1 7s，反映了系统响应的初始快速性很好；(2)调节时间为0 6 8 2s，说明系统具有较好的总体快速性；(3)超调量为1 9 3，表明了系统响应的相对平稳性；由上述指标可知，系统具有较小的稳态误差，而且响应速度快，动态性能较好。4 2 2 正弦输入响应特性带材的“蛇行”运动是纠偏控制系统最难克服的干扰形式，所以以能克服“蛇行”运动为设计目标H 1。在工程设计中可将“蛇行”运动近似为正弦运动，所以仿真该系统在正弦输入下的响应。捌如图6 所示，系统在馨正弦输入信号作用下的响应曲线与输入信号曲线十5 结束语作者设计的系统是一种基于比例阀的带钢跑
15、偏电液控制系统。它具有对油污不敏感、工作可靠、维护简单、成本低廉等优点。双向液压锁和电磁换向阀的应用保证了卷取机液压缸与检测器液压缸的互锁与系统的安全。运用M a t l a b S i m u l i n k 对系统的性能进行仿真分析，结果表明该系统能较好地满足稳定性、响应速度与控制精度要求。文中的仿真分析结果，为传统纠偏系统的改造设计提供了一定的理论依据。参考文献：【1】李顺浅论电液比例阀在长机列铝材生产线纠偏控制系统中运用的优势 J 铝加工，2 0 0 3(2)：3 9-4 1【2】关景泰机电液控制技术 M 上海：同济大学出版社，2 0 0 4【3】黄忠霖控制系统M a t l a b
16、计算及仿真实训 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 6【4】徐问旺。光电液伺服式带材纠偏与对中控制 J 冶金自动化，1 9 9 4，1 8(6)：2 9 3 2【5】苏东海，任大林，杨京兰电液比例阀与电液伺服阀性能比较及前景展望 J 液压气动与密封，2 0 0 8(1)：1 4(上接第8 0 页)参考文献：【1】乔忠臣全数字直流调速装置及工程应用 J 太原理工大学学报，2 0 0 0，3(2)：1 2 1 5【2】李云飞，谈臻峰，程甜甜，等变频器通用测试软件平台的设计与实现 J 计算机工程与应用，2 0 0 7，4 7(1 0)：1 1 5 一1 1 6【3】S i e m e n sE l
17、 e c t r i c a lD r i v e sL t d S I M O R E GD CM a s t e r6 R A 7 0 系列使用说明书 M O L h t t p：w w w 4 s i c-m e n 8【4】孙玉胜，伍银波，郭永喜，等直流调速系统的计算机辅助设计 J 水利电力机械，2 0 0 7(6)：5 4 5 6【5】S I M A T I CS T E P 7V 5 4 编程参考手册 M 2 0 0 6【6】刘开烈，朱建民，王昭进，等$7-3 0 0P L C 与直流调速装置6 R A 7 0 的通讯 J 现代机械，2 0 0 8(1)：7 8 7 9【7】薛朝改
18、，曹海旺，谷文韬基于虚拟仪器的动态参数测试系统的研制 J 微计算机信息，2 0 0 6，2 2(7)：9 6 9 8【8】杨乐平，李海涛，杨磊L a b V I E W 程序设计与应用 M 2 版北京：电子工业出版社，2 0 0 7(上接第5 4 页)1 2】B o s c h R e x r o t h 行走机械用液压及电子控制元件产品样本【3l 李启宾博世力士乐型液压挖掘机新技术讲座【4】陈欠根，纪云锋，吴万荣负载独立流量分配(L U D V)控制系统 J 液压与气动，2 0 0 3(1 0)：1 0 一l I，9【5】黄宗益，李兴华，陈明挖掘视力士乐液压系统分析 J 建筑机械化，2 0
19、0 4(1 2)：4 9 5 4 万方数据小型挖掘机液压系统分析小型挖掘机液压系统分析作者：张树忠，吴文海，蒋道成，ZHANG Shuzhong，WU Wenhai，JIANG Daocheng作者单位：张树忠,吴文海,ZHANG Shuzhong,WU Wenhai(西南交通大学机械工程学院,四川成都,610031)，蒋道成,JIANG Daocheng(四川宜宾普什重机有限公司,四川宜宾,644007)刊名：机床与液压英文刊名：MACHINE TOOL&HYDRAULICS年，卷(期)：2010,38(16)参考文献(5条)参考文献(5条)1.黄宗益;李兴华;陈明 挖掘机力士乐液压系统分析期刊论文-建筑机械化 2004(12)2.陈欠根;纪云锋;吴万荣 负载独立流量分配(LUDV)控制系统期刊论文-液压与气动 2003(10)3.李启宾 博世力士乐型液压挖掘机新技术讲座4.Bosch-Rexroth行走机械用液压及电子控制元件产品样本5.王长江 当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统的发展方向 1997 本文链接：http:/