履帶起重機(jī)發(fā)動機(jī)與液壓泵的匹配解讀

1、作者簡介：王欣(1972-,女，副教授.E 2mail :wa ngxbd21163. com.履帶起重機(jī)發(fā)動機(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：針對履帶起重機(jī)存在的功率匹配問題，分析其產(chǎn)生的原因.基于發(fā)動機(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)動機(jī)-泵功率匹配問題的新方法.關(guān)鍵詞：履帶起重機(jī)；發(fā)動機(jī)；液壓泵；匹配中圖分類號:TH 213文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-5581(2007 02-0182-04Matchi ng betwe

2、e n engines and hydraulic cranesW A N G Xi n 1, L IU 11X E L i n 2(1. School of Mecha ni cal of of Techno logy ,Dalia n 116024,Chi na ;2. and In stitute Qalia n 116021,Ch inaAbstract :ln this po wer matchi ng p roblem is prop osed and an alyzed for crawler cran es. Based on diverse con trol modes of

3、 engines , corres ponding control strategies of hydraulic pumps are p rese nted. To re 2solve the non 2matchi ng p roblem betwee n engines and hydraulic pumps , some no vel methods are p ostulated in this paper.Key words :crawler crane ; engine ; hydraulic pump ; match ing隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，自動化程度的提高，履帶起重機(jī)作為重

4、要的搬運(yùn)設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中廣泛應(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)際使用過程中，常常出現(xiàn)柴油發(fā)動機(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.本文針對上述 實(shí)際問題，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 問題產(chǎn)生的原因在發(fā)動機(jī)外特性曲線上，可以找到一些點(diǎn),在這些點(diǎn)上，發(fā)動機(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),與之對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速叫做最佳工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速.通常的發(fā)

5、動機(jī)控制策略就是力爭使發(fā)動機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)上1.履帶起重機(jī)的動力傳動系統(tǒng)是一個發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)-載荷的負(fù)載驅(qū)動系統(tǒng),其 中發(fā)動機(jī)-泵的功率匹配是對整個系統(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PP等于發(fā)動機(jī)的輸出功率PE為 P E =P P第5卷第2期2007年4月 中國 工 程 機(jī) 械 學(xué) 報(bào)CHINESE JOURNALOF CONSTRUCTION MACHINERY Vol. 5No. 2 Apr. 2007而泵的功率PP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)動機(jī)的輸出功率也隨之變化，這使得發(fā)動機(jī)不能穩(wěn)定工 作在特

6、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)動機(jī)與液壓泵匹配的實(shí)現(xiàn) 發(fā)動機(jī)與液壓傳動裝置的匹配的實(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)動機(jī)適合于液壓傳動的控制形式有：發(fā)動機(jī)恒功率控制，發(fā)動機(jī)變功率控制.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)動機(jī)輸出扭矩T E P :TE9 因此，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n ,

7、P TE的決定性因素.若通過設(shè) 定泵的輸出 功率恒定,即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)泵的,實(shí)現(xiàn)泵與發(fā)動機(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機(jī)電液等控制機(jī)構(gòu)之間的相互配合實(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 =600 n得P P =const圖 1恒功率控制曲線 Fig. 1Constant 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為工作油口測壓口 ,A為工作油口 , G為定位壓力口 ,S為

8、吸油口，M1為斜盤控制油缸測壓口 ,R為放氣口 , T1, T2為殼體泄油口 .泵輸出的壓力經(jīng)過節(jié)流口進(jìn)入斜盤控制油缸2,同時(shí)進(jìn)入計(jì)量活塞中推動計(jì)量活塞帶動擺桿4轉(zhuǎn)動，壓縮功率設(shè)定彈簧5,進(jìn)而調(diào)節(jié)伺服閥6的開口，使得液壓油液進(jìn)入斜盤控制缸的壓力變化.兩斜盤控制缸的合力作用于泵的斜盤上，從而調(diào)節(jié)泵的斜盤擺角控制泵的輸出流量.計(jì)量活塞一端與斜盤控制缸2的活塞桿連接，另一端通過滑輪與擺桿4接觸，當(dāng)壓力變化時(shí)，計(jì)量活塞對擺桿的作用力和力臂都會相應(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

9、欣,等:履帶起重機(jī)發(fā)動機(jī)與液壓泵的匹1,2.斜盤控制油缸；3.計(jì)量活塞4. ; 5.功率設(shè)定彈簧；6.伺服閥圖2constant pow er control在有些工況下，發(fā)動機(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)動機(jī)轉(zhuǎn)速（如靠提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來提高起升、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.恒功率控制無法跟隨發(fā)動機(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)動機(jī)在該轉(zhuǎn)速下輸出的最大功率，發(fā)動機(jī)的功率利用率很低（如在執(zhí)行穿繩、穿銷等小功率動作時(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)

10、現(xiàn)發(fā)動機(jī)-泵的功率匹配控制.其框圖如圖3所示.針對第一種情況聯(lián)合控制方式將檢測到的發(fā)動機(jī)的輸出功率（檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩以及信號的形式輸入計(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)動機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率匹配.圖3 發(fā)動機(jī)的變功率控制與泵功率匹配的實(shí)現(xiàn)框圖Fig. 3 E ngi ne variablecon trol and pump pow er m atch ing frame針對第二種情況聯(lián)合控制方式 ,通過檢測泵的輸出功率（檢測泵的壓力、，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)動機(jī)和泵的功率匹配.這里需要指出：由負(fù)載部分

11、傳遞的泵的功率調(diào)節(jié)信號往往是由負(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)動機(jī)部 分傳遞的功率調(diào)節(jié)信號往往是由 發(fā)動機(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優(yōu)先級更高的功率調(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程中變量泵的恒功率調(diào)節(jié)只能設(shè)定一個或幾個固定的值，通過功率設(shè)定彈簧 來實(shí)現(xiàn)，精度不高.而在使用功率調(diào)節(jié)電磁閥之后，其功率值就可以通過改變電磁閥控制信號的電流大小來實(shí)現(xiàn)在

12、功率可調(diào)范圍內(nèi)波動， 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，決定伺服閥的開口大小，調(diào)節(jié)泵的斜盤擺角，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來調(diào)整.這就組成了變量泵的功率設(shè)定調(diào)節(jié)工作過程中，可通過調(diào)節(jié)變量泵上功率設(shè)定調(diào)節(jié)器對泵進(jìn)行功率調(diào)節(jié).如圖4,在輕載工況下，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 工程機(jī)械學(xué) 報(bào)第5卷of pow er regulating c

13、ontrol率，通過泵控調(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)的動作速度為代價(jià)的，這可以由提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來加以補(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，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)動機(jī)與液壓系統(tǒng)的功率匹配主要是發(fā)動機(jī)、液壓泵、載荷三者之間的功率匹配，采用帶功率調(diào)節(jié)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)動機(jī)轉(zhuǎn)速來提高機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度時(shí)，通過檢測發(fā)動機(jī)輸出功率來調(diào)節(jié)泵的輸出功率，可由簡單的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)動機(jī)在該

14、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，通過檢測泵的輸出功率來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵的恒功率調(diào)定值，也可由簡單的PID控制實(shí)現(xiàn).在特殊工況下的這兩個方面，也可以作為兩種單獨(dú)的模式分別進(jìn)行控制.3 結(jié)語,針對工程機(jī)械中常用的發(fā)動機(jī)控制方式，提出了與:(1發(fā)動機(jī)處于恒功率控制時(shí)，控制液壓泵的恒功率來保證發(fā)動機(jī)與液壓泵的功 率匹配.(2發(fā)動機(jī)處于變功率控制時(shí)，分兩種情況檢測發(fā)動機(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)動機(jī)樣本R.上海：沃爾沃公司，2003.Volvo Corpo ratio n. Engine samp les of volvo corpo rati on R.Sha nghai :VolvoCorporati on , 2003.2歐陽聯(lián)格.全液壓推土機(jī)傳動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)匹配J.工程機(jī)械，2004(11:44-47.OU YAN G Lia nge. Match betwee n drive line and engine on fully hydraulicbulldozers J.C on structi on Mach