履帶起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的匹配

1、作者簡(jiǎn)介 :王 欣 (1972- , 女 , 副教授 . E 2mail :wangxbd21163. com.履帶起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的匹配王 欣 1, 劉 宇 1, 蔡福海 1, 薛 林 2(1. 大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 , 遼寧 大連 116024; 2. 大連市特種設(shè)備監(jiān)督所 , 遼寧 大連 116021摘要 :針對(duì)履帶起重機(jī)存在的功率匹配問(wèn)題 , 分析其產(chǎn)生的原因 . 基于發(fā)動(dòng)機(jī)不同的控制方式 , 給出相應(yīng)的液壓泵的控制策略 . 提出了一些解決履帶起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) -泵功率匹配問(wèn)題的新方法 .關(guān)鍵詞 :履帶起重機(jī) ; 發(fā)動(dòng)機(jī) ; 液壓泵 ; 匹配中圖分類(lèi)號(hào) :TH 213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、 :A 文章編號(hào) :1672-5581(2007 02-0182-04Matching between engines and hydraulic cranesW A N G Xi n 1, L IU 11X E L i n 2(1. School of Mechanical of of Technology , Dalian 116024,China ;2. and Institute ,Dalian 116021,China Abstract :In this power matching problem is proposed and analyzed for crawler crane

3、s. Based on diverse control modes of engines , corresponding control strategies of hydraulic pumps are presented. To re 2solve the non 2matching problem between engines and hydraulic pumps , some novel methods are postulated in this paper.Key words :crawler crane ; engine ; hydraulic pump ; matching

4、 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大 , 自動(dòng)化程度的提高 , 履帶起重機(jī)作為重要的搬運(yùn)設(shè)備 , 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中廣 泛應(yīng)用于石油化工 、 橋梁建設(shè) 、 建筑安裝 、 港口物流 、 市政工程等各個(gè)領(lǐng)域 , 發(fā)揮著巨大的作用 .然而 , 履帶起重機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中 , 常常出現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)功率不匹配現(xiàn)象 , 具體表現(xiàn)在 : 行走與起升速度達(dá)不到預(yù)期值 ; 發(fā)動(dòng)機(jī)在有些工況下功率利用率較低 , 燃油消耗較快 . 本文針對(duì)上述 實(shí)際問(wèn)題 , 在履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)階段提出相應(yīng)方案 , 最大程度地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率匹配 , 達(dá)到提高 作業(yè)效率及節(jié)能的目的 .1 問(wèn)題產(chǎn)生的原因在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線上 , 可以找

5、到一些點(diǎn) , 在這些點(diǎn)上 , 發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能綜合指標(biāo)要優(yōu)于其他點(diǎn) , 這 些點(diǎn)叫做最佳工作點(diǎn) , 與之對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速叫做最佳工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速 . 通常的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略就是力爭(zhēng)使發(fā) 動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)上 1.履帶起重機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī) -液壓系統(tǒng) -載荷的負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) , 其中發(fā)動(dòng)機(jī) -泵的功 率匹配是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功率匹配影響最大的因素 .理想的能量轉(zhuǎn)換不計(jì)能量損失 , 則泵的功率 P P 等于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率 P E 為 P E =P P第 5卷第 2期2007年 4月 中 國(guó) 工 程 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY

6、Vol. 5No. 2 Apr. 2007 而泵的功率 P P 等于負(fù)荷需要的功率 P L 為P L =P P 所以 , 當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí) , 泵的功率變化 , 則發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也隨之變化 , 這使得發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工 作在特性曲線上最佳工作點(diǎn)的位置 , 從而出現(xiàn)功率的不合理匹配 .2 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵匹配的實(shí)現(xiàn) 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓傳動(dòng)裝置的匹配的實(shí)質(zhì)是提出最為合理的控制方法 , 從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 、 輸出扭矩能 適應(yīng)外部負(fù)荷的變化 , 保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作點(diǎn)附近工作 , 有較高的功率利用和較低的燃油消耗率 .目前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)適合于液壓傳動(dòng)的控制形式有 : 發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制 , 發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制 .

7、工程機(jī)械中為了更好地適應(yīng)外負(fù)荷的變化 , 保證作業(yè)的高效性和經(jīng)濟(jì)性 , 一般將兩種控制方式結(jié)合使 用 .2. 1 發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制與泵功率匹配的實(shí)現(xiàn)2. 1. 1 實(shí)現(xiàn)的原理由功率 P =9549, n 為轉(zhuǎn)速 , 得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩 T E P :T E 9 因此 , 在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n , P T E 的決定性因素 . 若通過(guò)設(shè) 定泵的輸出功率恒定 , , 即當(dāng)負(fù)載變化時(shí) , 通過(guò)調(diào)節(jié)泵的 , , 實(shí)現(xiàn)泵與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的功率 匹配 . 從而得出結(jié)論 :, 欲實(shí)現(xiàn)泵與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配 , 則要求泵具有恒功率 特性 2.2. 1. 2 泵的恒功率控制所謂泵的恒功率控制就是通過(guò)機(jī)電液等控制機(jī)構(gòu)之間的相互配合

8、實(shí)現(xiàn)泵的流量 Q 和出口壓力 p 存 在反比例變化關(guān)系 :Q p =const 如圖 1所示為一條雙曲線 , 由 P p =600t 得P P =const圖 1 恒功率控制曲線 Fig. 1 Constant pow er control curve 圖 2所示為一典型的泵恒功率控制原理圖 3. 其中 ,M 為工作油口測(cè)壓口 ,A 為工作油口 , G 為定位壓力口 ,S 為吸油口 ,M1為斜盤(pán)控制油缸測(cè)壓口 ,R 為放氣口 , T1, T2為殼體泄油口 . 泵輸出的壓力經(jīng)過(guò)節(jié)流口進(jìn)入斜盤(pán)控制油缸 2, 同時(shí)進(jìn)入計(jì)量活塞中推動(dòng)計(jì)量活塞帶動(dòng)擺桿 4轉(zhuǎn)動(dòng) , 壓縮功率設(shè)定彈簧 5, 進(jìn)而調(diào)節(jié)伺服閥

9、 6的開(kāi)口 , 使得液壓油液進(jìn)入斜盤(pán)控制缸的壓力變化 . 兩斜盤(pán)控制缸的合力作用于泵的斜盤(pán)上 , 從而調(diào)節(jié)泵的斜盤(pán)擺角控制泵的輸出流量 . 計(jì)量活塞一端與斜盤(pán)控制缸 2的活塞桿連接 , 另一端通過(guò)滑輪與擺桿 4接觸 , 當(dāng)壓力變化時(shí) , 計(jì)量活塞對(duì)擺桿的作用力和力臂都會(huì)相應(yīng)改變 , 進(jìn)而保證泵的流量與輸出壓力成雙曲線關(guān)系變化 , 這就實(shí)現(xiàn)了泵的恒功率控制 .2. 2 發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制與泵功率匹配的實(shí)現(xiàn)2. 2. 1 實(shí)現(xiàn)原理 381 第 2期 王 欣 , 等 :履帶起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的匹配 1,2. 斜盤(pán)控制油缸 ; 3. 計(jì)量活塞 4. ; 5. 功率設(shè)定彈簧 ; 6. 伺服閥 圖 2co

10、nstant pow er control 在有些工況下 , 發(fā)動(dòng)機(jī)的恒功率控制不能滿足作業(yè)高效性和經(jīng)濟(jì)性 , 具體有兩個(gè)方面 :一方面 , 為了追求作業(yè)速度 , 提高工作效率 , 必須人為地提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (如靠提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)提高起升 、 變幅 、 回轉(zhuǎn) 、 行走的速度 . 此時(shí)泵的輸出功率也相應(yīng)提高 . 恒功率控制無(wú)法跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率變化 .另一方面 , 在低功率作業(yè)的情況下 , 泵的輸出功率遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下輸出的最大功率 , 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率很低 (如在執(zhí)行穿繩 、 穿銷(xiāo)等小功率動(dòng)作時(shí) , 此時(shí)操作的經(jīng)濟(jì)性很差 .可采用聯(lián)合控制方式實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī) -泵的功率匹配控制 . 其框圖如

11、圖 3所示 .針對(duì)第一種情況聯(lián)合控制方式將檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率 (檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 、 扭矩 以及信號(hào)的形式輸入計(jì)算機(jī)并計(jì)算出與泵的輸出功率的偏差 , 根據(jù)偏差 , 調(diào)整泵的功率設(shè)定值 , 使泵的吸收功率始終追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率 , 實(shí)現(xiàn)功率匹配 .圖 3 發(fā)動(dòng)機(jī)的變功率控制與泵功率匹配的實(shí)現(xiàn)框圖 Fig. 3 E ngine variable control and pump pow er m atching frame 針對(duì)第二種情況聯(lián)合控制方式 , 通過(guò)檢測(cè)泵的輸出功率 (檢測(cè)泵的壓力 、 , 功率的偏差 , 轉(zhuǎn)速 , 整 , 并調(diào)整泵的功率設(shè)定值 , 實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的功率匹配 .這

12、里需要指出 :由負(fù)載部分傳遞的泵的功率調(diào)節(jié)信號(hào)往往是由負(fù)載變化 , 進(jìn)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作壓力變化引起的 ; 由發(fā)動(dòng)機(jī)部 分傳遞的功率調(diào)節(jié)信號(hào)往往是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化 , 進(jìn)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)流量變化引起的 .以上兩種情況 , 實(shí)現(xiàn)功率匹配控制都要求泵的恒功率控制的設(shè)定功率可變 , 即要求恒功率控制存在一 個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的功率調(diào)節(jié)控制 . 2. 2. 2 帶功率調(diào)節(jié)控制的泵的恒功率控制圖 4 功率調(diào)節(jié)控制 Fig. 4 Pow er regulating control 在一般的恒功率控制過(guò)程中變量泵的恒功率調(diào)節(jié)只能設(shè)定一個(gè)或幾個(gè)固定的值 , 通過(guò)功率設(shè)定彈簧 來(lái)實(shí)現(xiàn) , 精度不高 . 而在使用功率調(diào)節(jié)

13、電磁閥之后 , 其功率值就可以通過(guò)改變電磁閥控制信號(hào)的電流大小 來(lái)實(shí)現(xiàn)在功率可調(diào)范圍內(nèi)波動(dòng) , 如圖 4所示 . 其中 ,Z 為恒功率設(shè)定油口 .功率調(diào)節(jié)控制的原理就是在原恒功率控制 (圖 2 的基礎(chǔ)上加上了功率調(diào)節(jié)油缸 (如圖 5所示 3, 由功率調(diào)節(jié)油缸 、擺桿 、 功率設(shè)定彈簧及伺服閥的復(fù)位彈簧共同作用 , 決定伺服閥的開(kāi)口大小 , 調(diào)節(jié)泵的斜盤(pán)擺角 , 進(jìn)而改變泵的輸出流量 . 功率調(diào)節(jié)油缸的作用力可由控制 Z 口壓力的比例電磁閥的電流控制信號(hào)來(lái)調(diào)整 . 這就組成了變量泵的功率設(shè)定調(diào)節(jié)器 .工作過(guò)程中 , 可通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵上功率設(shè)定調(diào)節(jié)器對(duì)泵進(jìn)行功率調(diào)節(jié) . 如圖 4, 在輕載工況下

14、, 泵的功率曲線設(shè)定在曲線 1位置 , 如果負(fù)載所需功率增大 , 則需提高泵的輸出功 481 中 國(guó) 工 程 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 5卷 of pow er regulating control 率 , 通過(guò)泵控調(diào)節(jié)器 , 調(diào)整泵的排量增大 , 則其功率曲線升高到曲線 2位置 . 但恒功率控制是以犧牲執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度為代價(jià)的 , 這可以由提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)加以補(bǔ)償 .當(dāng)負(fù)載減小時(shí) , 控制器又調(diào)節(jié)功率曲線向曲線 1方向移動(dòng) , 這樣就避免了因系統(tǒng)需要流量小于泵的輸出流量而產(chǎn)生功率損失 .工程機(jī)械中發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的功率匹配主要是發(fā)動(dòng)機(jī) 、 液壓泵 、 載荷三者之間的功率匹配 , 采用帶功率調(diào)節(jié)

15、控制的變量泵恒功率控制系統(tǒng) , 實(shí)現(xiàn)三者之間在通常工況下的功率匹配 . 在特殊工況下 , 當(dāng)需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)提高機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度時(shí) , 通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)泵的輸出功率 , 可由簡(jiǎn)單的 PID 控制實(shí)現(xiàn) . 在輕負(fù)載作業(yè)時(shí) ,泵的輸出功率遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下輸出的最大功率 ,即系統(tǒng)需要流量遠(yuǎn)小于泵的輸出流量 , 通過(guò)檢測(cè)泵的輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵的恒功率調(diào)定值 , 也可由簡(jiǎn)單的 PID 控制實(shí)現(xiàn) . 在特殊工況下的這兩個(gè)方面 , 也可以作為兩種單獨(dú)的模式分別進(jìn)行控制 . 3 結(jié)語(yǔ), 針對(duì)工程機(jī)械中常用的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式 , 提出了與 :(1 發(fā)動(dòng)機(jī)處于恒功率控制時(shí) , 控制液壓

16、泵的恒功率來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率匹配 .(2 發(fā)動(dòng)機(jī)處于變功率控制時(shí) , 分兩種情況檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的功率匹配情況 , 由計(jì)算機(jī)處理后控 制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及液壓泵的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng) , 使泵的輸出功率追隨發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率 , 實(shí)現(xiàn)功率的合理利用 . 參考文獻(xiàn) :1 沃爾沃公司 . 沃爾沃公司發(fā)動(dòng)機(jī)樣本 R.上海 :沃爾沃公司 ,2003. Volvo Corporation. Engine samples of volvo corporationR.Shanghai :Volvo Corporation , 2003. 2 歐陽(yáng)聯(lián)格 . 全液壓推土機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配 J.工程機(jī)械 ,2004(11 :44-47. OU YAN G Liange. Match between drive line and engine on fully hydraulic bulldozers