小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分析

1、2010年8月第38卷第16期機(jī)床與液壓M AC H I NE TOOL &HYDRAUL ICSA ug 2010V ol 38No 16DO I :10. 3969/j issn 1001-3881 2010 16 019 收稿日期:2009-08-28作者簡介:張樹忠(1980 , 男, 博士研究生, 主要從事機(jī)電液智能控制。電話 E-m ai:l zszgo 163 com 。小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分析張樹忠1, 吳文海1, 蔣道成2(1 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川成都610031; 2 四川宜賓普什重機(jī)有限公司, 四川宜賓644007摘要:針對小型

2、液壓挖掘機(jī)的工況特點, 分析并比較小型液壓挖掘機(jī)節(jié)流控制系統(tǒng)、負(fù)載敏感控制系統(tǒng)以及與負(fù)載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)(LUDV 的功率損失和可控性, 表明LUDV 系統(tǒng)是小型挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)最佳選擇。關(guān)鍵詞:小型液壓挖掘機(jī); 功率損失; 控制特性; LUDV中圖分類號:TH137 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-3881(2010 16-053-2The Analysis of H ydraulic Syste m inM ini ExcavatorZ HANG Shuzhong 1, WU W enha i 1, JI A NG Daocheng2(1 Schoo l ofM echan i

3、ca lEngineeri n g , Sou t h w est Jiao tong Un iversity , Chengdu S ichuan 610031, Ch i n a ;2 Y i b i n S ichuan Push H eavy M achinery C o , LTD , Y i b i n S ichuan 644007, Ch i n aAbstrac t :B ased on t he w ork i ng character i sti cs o f m i ni hydrauli c excav ator , pow er loss and contro ll

4、ability of throttli ng contro lsyste m, l o ad sens i ng con tro l syste m and l o ad undependent flo w distributi on syste m (LUDV we re ana l y zed and co m pared . The result is tha t LUDV is t he best cho i ce f o r m i ni hydrau lic ex cava t o rs .K eyword s :M ini hydraulic ex cavato r ; Powe

5、 r loss ; Con tro ll ability ; LU DV小型液壓挖掘機(jī)具有機(jī)動能力強(qiáng)、體積小、多功能作業(yè)等特點, 適于各種土方量分散、作業(yè)范圍狹窄的工況, 如公路養(yǎng)護(hù)、園林綠化、小區(qū)建設(shè)、市政工程及農(nóng)田建設(shè)等。近些年來得到高速發(fā)展, 2005年我國13t 以下小型挖掘機(jī)的銷量達(dá)到了11953臺。在小型挖掘機(jī)的構(gòu)成中, 液壓系統(tǒng)是其核心部件, 既承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)換的任務(wù), 又是人的肢體的延伸, 以完成操作者的各種控制策略。而其能量損失和可控性是影響小型挖掘機(jī)性能的重要指標(biāo), 故有必要對小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能性和可控性進(jìn)行研究。1 小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)分析目前小型挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)主要包

6、括:節(jié)流控制系統(tǒng)(包括正流量控制、負(fù)流量控制 、負(fù)載敏感控制系統(tǒng)(LS 和與負(fù)載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)(L UDV 。1 1 節(jié)流控制系統(tǒng)節(jié)流系統(tǒng), 采用定量泵或恒功率泵配合三位六通旁路節(jié)流多路控制閥, 結(jié)構(gòu)簡單、耐用, 對于油液的污染不特別敏感, 成本較低且技術(shù)成熟, 因此目前國內(nèi)仍有大量小型挖掘機(jī)采用節(jié)流控制系統(tǒng)。但節(jié)流控制系統(tǒng)存在大量的節(jié)流損失和溢流損失, 系統(tǒng)效率較低、發(fā)熱量大, 需要較大的冷卻器, 見圖1。由圖2可知,多負(fù)載并聯(lián)時其控制起點及控制范圖1 節(jié)流控制系統(tǒng)的功率分配圍與負(fù)載、流量、閥的行程都有著必然的關(guān)系, 如負(fù)載壓力大時, 多路閥閥芯的調(diào)速區(qū)減小, 挖掘機(jī)動作粗暴。圖3反應(yīng)了

7、負(fù)載間的影響, 在非飽和區(qū)域內(nèi)(系統(tǒng)需求流量超過泵供油能力 , 低負(fù)載執(zhí)行元件會降低高負(fù)載執(zhí)行元件的速度, 甚至迫使高負(fù)載執(zhí)行元件停止。如圖3中,在非飽和區(qū)域高負(fù)載(25M Pa速度迅速降低。圖2 節(jié)流控制系統(tǒng)的控制特性圖3 節(jié)流系統(tǒng)多負(fù)載間的影響根據(jù)上述分析可知節(jié)流控制系統(tǒng)具有以下特點:(1 控制與負(fù)載的變化有關(guān);(2 高壓、小流量時控制范圍較窄; (3 負(fù)載之間相互影響; (4 兩個以上負(fù)載同時運(yùn)動時, 具有較高負(fù)載的執(zhí)行元件可能會停止不動。1 2 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)(LS20世紀(jì)80年代根據(jù)對節(jié)能的進(jìn)一步要求, 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)(LS 被提出來, 其原理如圖4所示, 其功率損失如圖5所示。

8、 圖4 LS 控制系統(tǒng)原理圖圖5 LS 控制系統(tǒng)的功率損失比較圖1、5可知, LS 控制系統(tǒng)(閉芯 實現(xiàn)了按系統(tǒng)所需提供流量, 因此雖然增加了低負(fù)載的節(jié)流損失, 但減少了大量的溢流損失和節(jié)流損失, 故LS 控制系統(tǒng)的效率比節(jié)流控制系統(tǒng)高。 圖6為LS 閉芯系統(tǒng)的控制特性。由圖6可知:LS 控制系統(tǒng)的控制起點與負(fù)載和流量大小均無關(guān), 調(diào)速范圍較大, 而控制范圍則與流量大小有關(guān)。兩個執(zhí)行元件的負(fù)載壓力分別傳至各自的壓力補(bǔ)償閥, 其中較高的壓力經(jīng)梭閥再傳送到變量泵, 控制機(jī)構(gòu)使泵按需提供流量。當(dāng)處于飽和狀態(tài)(泵能提供足夠流量 且 p 1、 p 2相等時, 兩個負(fù)載流量分配取決于開口節(jié)流面積A 1、A

9、 2, 可實現(xiàn)復(fù)合動作, 互不干擾, 如圖7所示。 圖6 L S 閉芯系統(tǒng)的控制特性圖7 LS 閉芯系統(tǒng)多負(fù)載間的影響當(dāng)系統(tǒng)處于非飽和狀態(tài)時, 即系統(tǒng)需求的流量超過泵供油能力的極限時, 則無法保證 p 1、 p 2相等(最高負(fù)載回路上 p 小于低負(fù)載回路上的 p , 故高負(fù)載執(zhí)行元件速度會迅速降低直至停止, 從而使挖掘機(jī)失去復(fù)合動作的協(xié)調(diào)能力, 與節(jié)流系統(tǒng)相似。如圖7中, 在非飽和區(qū)域高負(fù)載(25M Pa 速度迅速降低。與節(jié)流控制系統(tǒng)相比, 負(fù)載敏感控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:(1 能量利用率相對較高; (2 在飽和狀態(tài)下, 流量控制精度高, 不受負(fù)載壓力變化的影響; (3 多個負(fù)載可以同步運(yùn)動或以

10、某種速比運(yùn)動, 且互不干擾。1 3 與負(fù)載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)(LUDV 針對非飽和狀態(tài)下多負(fù)載復(fù)合動作互相干涉的問題, 國外液壓廠家開發(fā)了與負(fù)載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)(LUDV , 其原理圖見圖8。通過與LS 系統(tǒng)比較可知兩者的不同之處:(1 LUDV 將壓力補(bǔ)償閥設(shè)在節(jié)流環(huán)節(jié)之后; (2 壓力補(bǔ)償閥補(bǔ)償信號取自系統(tǒng)中的最高負(fù)載信號, 而不是其自身負(fù)載。LUDV 系統(tǒng)中的 p 1、 p 2皆為系統(tǒng)泵出口壓力與最大負(fù)載壓力之差, 因此即使當(dāng)系統(tǒng)處于不飽和狀態(tài)時, p 1、 p 2仍然相等(同時值下降 。由于無論系統(tǒng)是否處于飽和狀態(tài), p 1和 p 2總相等, 故泵所提供的流量總按照各閥的開口面積A

11、1和A 2成比例分配, 而與負(fù)載大小無關(guān)。如圖9中, 在非飽和區(qū)域高負(fù)載(25M Pa 和低負(fù)載(15M Pa, 流量按比例分配, 而與負(fù)載大小無關(guān),只與手柄偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)。圖8 LUDV 原理圖圖9 LU DV 多負(fù)載間的影響通過上述分析可知, LUDV 不僅繼承了LS 系統(tǒng)的所有優(yōu)點, 如能按需提供流量、能量利用率相對較高、控制范圍較大、在飽和狀態(tài)下多個負(fù)載可獨立工作互不干擾等, 而且還實現(xiàn)了非飽和狀態(tài)下的與負(fù)載無關(guān)的流量分配。2 結(jié)論通過對小型挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)的比較分析可知:(1 LS 系統(tǒng)效率比節(jié)流系統(tǒng)高, 且解決了飽和狀態(tài)下多個負(fù)載互不干涉的問題; (2 LUDV 不僅繼承了LS 的

12、優(yōu)點, 而且實現(xiàn)了不同負(fù)載壓力的多個執(zhí)行元件間互不干擾的精密控制, 具有良好的控制性能。結(jié)合小型液壓挖掘機(jī)的特點, 可知LUDV 在小型挖掘機(jī)上大有用武之地。參考文獻(xiàn):1! 王長江. 當(dāng)今挖掘機(jī)對液壓系統(tǒng)的要求及液壓系統(tǒng)的發(fā)展方向J.工程機(jī)械與維修, 1997:38-40.(下轉(zhuǎn)第59頁 圖5 單位階躍響應(yīng)曲線(1 延遲時間、上升時間和峰值時間分別為0 0571s , 0 0504s 和0 117s , 反映了系統(tǒng)響應(yīng)的初始快速性很好;(2 調(diào)節(jié)時間為0 682s , 說明系統(tǒng)具有較好的總體快速性;(3 超調(diào)量為19 3%, 表明了系統(tǒng)響應(yīng)的相對平穩(wěn)性;由上述指標(biāo)可知, 系統(tǒng)具有較小的穩(wěn)態(tài)誤差

13、, 而且響應(yīng)速度快, 動態(tài)性能較好。4 2 2 正弦輸入響應(yīng)特性帶材的#蛇行運(yùn)動是糾偏控制系統(tǒng)最難克服的干擾形式, 所以以能克服#蛇行運(yùn)動為設(shè)計目標(biāo)4。在工程設(shè)計中可將#蛇行 運(yùn)動近似為正弦圖6 正弦輸入響應(yīng)曲線運(yùn)動, 所以仿真該系統(tǒng)在正弦輸入下的響應(yīng)。如圖6所示, 系統(tǒng)在正弦輸入信號作用下的響應(yīng)曲線與輸入信號曲線十分逼近, 可以看出系統(tǒng)具有較好的跟隨性。4 3 系統(tǒng)的精度分析4 3 1 跟隨誤差e rv = k =0 0317 9=1 676mm4 3 2 干擾誤差若干擾負(fù)載是階躍形式輸入時, 則引入的干擾誤差為e n (% =k cek A(s式中:k ce 為總流量-壓力系數(shù);k 為系統(tǒng)

14、增益;A 為閥控缸作用面積; N (s 為外負(fù)載力。將k ce 、k 、A 和N 的值代入上式得e n (% =1 684&10-7m忽略放大器的零漂、死區(qū)以及負(fù)載運(yùn)動時的靜摩擦、元件的精度等所引起的誤差, 該系統(tǒng)的總誤差為e =e r +e n =1 676+0 000168=1 676168mm <2mm可見系統(tǒng)誤差滿足精度要求。5 結(jié)束語作者設(shè)計的系統(tǒng)是一種基于比例閥的帶鋼跑偏電液控制系統(tǒng)。它具有對油污不敏感、工作可靠、維護(hù)簡單、成本低廉等優(yōu)點。雙向液壓鎖和電磁換向閥的應(yīng)用保證了卷取機(jī)液壓缸與檢測器液壓缸的互鎖與系統(tǒng)的安全。運(yùn)用M atlab /Smi uli nk 對系統(tǒng)

15、的性能進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果表明該系統(tǒng)能較好地滿足穩(wěn)定性、響應(yīng)速度與控制精度要求。文中的仿真分析結(jié)果, 為傳統(tǒng)糾偏系統(tǒng)的改造設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn):1! 李順. 淺論電液比例閥在長機(jī)列鋁材生產(chǎn)線糾偏控制系統(tǒng)中運(yùn)用的優(yōu)勢J.鋁加工, 2003(2:39-41.2! 關(guān)景泰. 機(jī)電液控制技術(shù)M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 2004.3! 黃忠霖. 控制系統(tǒng)M atlab 計算及仿真實訓(xùn)M.北京:國防工業(yè)出版社, 2006.4! 徐同旺. 光電液伺服式帶材糾偏與對中控制J.冶金自動化, 1994, 18(6:29-32.5! 蘇東海, 任大林, 楊京蘭. 電液比例閥與電液伺服閥性能比較及前景展

16、望J.液壓氣動與密封, 2008(1 :1-4.(上接第80頁 參考文獻(xiàn):1! 喬忠良. 全數(shù)字直流調(diào)速裝置及工程應(yīng)用J.太原理工大學(xué)學(xué)報, 2000, 3(2:12-15.2! 李云飛, 談?wù)榉? 程甜甜, 等. 變頻器通用測試軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)J.計算機(jī)工程與應(yīng)用, 2007, 47(10:115-116.3! S iem ens E l e ctrica l D r i v es L td . . S I M OR EG D C M aste r6RA70系列使用說明書M /OL.http :/www4. s i e m ens .4! 孫玉勝, 伍銀波, 郭永喜, 等. 直流調(diào)速系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計J.水利電力機(jī)械, 2007(6:54-56. 5! S I M AT IC S TEP7V5. 4編程參考手冊M.2006. 6! 劉開烈, 朱建民, 王昭進(jìn), 等. S7 300PLC 與直流調(diào)速裝置6RA 70的通訊J.現(xiàn)代機(jī)械, 2008(1:78-79. 7! 薛朝改, 曹海旺, 谷文韜. 基于虛擬儀器的動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的研制J.微計算機(jī)信息, 200