基于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究解读

2007年第26卷2月第2期机械科学与技术MechanicalScienceandTechnologyFebruaryVol.262007No.2收稿日期:20051008基金项目:国家863项目(2003AA430200资助作者简介:何清华(1946-,男(汉,湖南,教授,博士生导师,[e-mail]何清华基于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究何清华,郝鹏,常毅华(中南大学机电工程学院,长沙410083摘要:在分析发动机工作特性的基础上,根据负载变化的多样性与复杂性,提出了恒功率与变功率相结合的控制策略,通过节能控制器对发动机和泵进行控制,使发动机2泵2负载达到良好匹配。并在液压挖掘机试验样机上进行试验。试验结果表明,采用该控制策略后,缩小了发动机随负载的变化范围,提高了燃油利用率和整机效率,提高了系统的响应速度,达到较好节能效果。关键词:液压挖掘机;恒功率;变功率中图分类号:U270文献标识码:A文章编号:100328728(20070220188204Energy2savingSystemforaHydraulicExcavatorBasedontheMatchingofConstantPowerandVaviablePowerHeQinghua,HaoPeng,ChangYihua(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083Abstract:Afteranalyzingtheworkingcharacteristicsofanengineandinlightofthediversityandcomplexityofitsloadvariations,thepaperproposedacontrolstrategythatcombinesconstantpowerwithvariablepower.Thestrate2gyusedanenergy2savingcontrollertocontroltheengineandthepump,thusachievingthegoodmatchingoftheen2gine,thepumpandload,anexperimentonwhichwascarriedoutusingaprototypeofhydraulicexcavator.Theex2perimentalresultsshowthatthecontrolstrategyadoptionreducesthevariationrangeoftheengineasitvarieswiththatofthepump,raisesthefuelutilizationrateandtheefficiencyofthewholehydraulicexcavator,quickensitsre2sponsespeedandproducesabetterenergy2savingeffect.Keywords:hydraulicexcavator;constantpower;variablepower液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一,作为工程机械的代表产品,它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用[1,2]。液压挖掘机的研究与发展主要致力于:机器本身性能的提高(高效、低耗、多功能、自主或半自主;人与机器的协调(人机对话、遥操作、安全和舒适;机器与环境的协调(低污染、低噪音、低振动和绿色环保3个方面[3]。能源危机引起世人关注,挖掘机等相关机械的节能研究将重点集中在提高燃油经济性方面[5,6]。20世纪80年代末期,随着三档功率预选模式的节能控制系统问世以及负载敏感系统的应用,使得液压挖掘机的燃油经济性明显提高。如卡特、小松、现代、神钢等公司的产品都配备了电子功率控制系统[2,6]。在国内,相应方面也取得许多可喜成果,浙江大学的冯培恩、高峰等人提出压力前馈节能控制系统;吉林大学赵丁选、国香恩的模糊节能控制系统都取得了明显的节能效果[6,11]。但国内的研究主要集中在工作模式的划分,在不同模式下发动机恒转速控制和泵恒功率控制[2,7]。而对于发动机的恒转速控制不能很好地发挥发动机自身的调速特性,不利于发动机功率的输出;泵的功率点相对于发动机输出来讲是定点,当发动机工作一段时间后,其工作点将发生偏移,就不利于系统功率利用率地提高[4,8,9]。第2期何清华等:基于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究考虑到以上问题,本文试验平台采用湖南山河智能机械股份有限公司的SWE285型液压挖掘机,仅在原有挖掘机的基础上稍加改造,液压系统选用博世力士乐公司的负载流量独立分配系统(loadin2dependentflowdistributionsystem,该系统的可控性非常出色[3,4]。同时考虑泵的响应速度比发动机快,通过泵的功率控制来适应发动机和负载的变化。1发动机2泵2负载之间的匹配Ne=Me・ne9549(1式中:Ne为发动机输出功率(kW;Me为发动机转矩(N・m;ne为发动机转速(r/min。Np=Pp・Qp600=Pp・qp・np60000(2式中:Np为泵的输出功率(kW;Pp为泵出口压力(bar;Qp为泵出口流量(L/min;qp为泵的排量(mL/r;np为泵的转速(r/min。当发动机期望工作在某一最佳工作点时,其输出转矩为一常数,所以泵与发动机功率匹配,即Mp=Pp・qp・2π=常数(3式中:Mp为泵的吸收转矩(N・m。挖掘机工作过程中,泵出口压力由负载决定,泵出口流量由执行机构所需流量决定,二者乘积的变化,即泵吸收功率的变化会导致发动机转速波动,而发动机转速的波动超过自身调节范围后,导致油耗升高,燃油利用率下降[2,11]。一方面希望发动机在其最佳工作点附近较小范围内波动,允许有短时间超载;另一方面又希望满足负载和操作手的需求,使系统能够提供足够的挖掘力和适合的作业速度[10]。这就造成矛盾,为了解决这个矛盾,只有合理调节3者之间的匹配。我们通过对泵这个中间环节进行相应的控制来实现整个系统的最佳匹配。变量泵的恒功率调节可采用机械式或微控制器(MC来实现。一般的挖掘机采用机械式控制方式,通过功率设定弹簧设定最大功率值。而装有微控器的变量泵则通过调节输入的电信号来调节泵的排量,达到恒功率控制的目的。2泵变功率协调控制系统尽管液压泵的恒功率控制有效地提高了液压系统对负载功率的适应性,防止了发动机的过载(这是恒功率控制最重要的功能,但泵的工作点依然在受限制的状态。只要系统需要的流量小于泵输出流量,就会产生功率损失。要克服这种缺点,只有进一步采用复合控制,扩大泵的工作点范围,使泵只输出系统所需要的流量。在一般的恒功率控制过程中,变量泵的恒功率调节只能设定一个或几个固定的值。本文通过电磁阀来改变泵的功率,电磁阀的控制电流与功率的对应关系如图1所示。详细的调节过程如图2所示,在轻载工况下,泵的功率曲线设定在曲线1位置,如果负载所需功率增大,则需提高泵的输出功率,通过改变电磁阀电流,使泵功率曲线升高到曲线2位置,当泵吸收功率曲线达到发动机输出功率时,如果泵的吸收功率继续升高,发动机转速的下降量必然超过预先设定值,控制器通过感应发动机转速的变化,来控制泵的吸收功率。但进行功率协调控制的同时是以牺牲执行机构的动作速度为代价的。当负载减小时,控制器又调节功率曲线向曲线1方向移动,使发动机在此转速下的极限功率得以发挥。图1功率曲线与控制电流关系曲线图2变功率与恒功率调节示意图泵在不同模式下的变功率控制是基于发动机转速差控制的,泵的功率调节范围是有限制的,当由外负载引起发动机的转速下降到超过设定值Δn(大于泵调节的转速差时,控制器发出信号使发动机油门执行器动作,提高发动机喷油量,使发动机转速向设定转速接近;而当负载减较小时,控制器一方面调大泵的功率,另一方面降低喷油量,使发动机转速向低档位调节。981机械科学与技术第26卷3控制系统的设计3.1系统组成节能控制系统的组成如图3所示,主要包括发动机、柱塞式恒功率变量泵、油门执行器、油门角度传感器、节能控制器、泵功率控制阀、模式选择开关和发动机转速调节旋钮。图3节能控制系统的组成3.2系统原理系统采用分工况控制,首先根据工作环境判断工况选取适当的发动机动力输出模式:轻载(L、经济(E、重载(H,发动机转速分别选取800r/min~1200r/min、1200r/min~1800r/min、1800r/min~2200r/min[2]。由发动机转速调节旋纽来实现不同工作模式下转速的微调。图4发动机速度反馈控制与泵恒功率控制冲突的协调动力系统的恒功率与变功率协调控制机理是基于转速和转速差来实现的。如图4,在某一油门位置R下,当负载增大时,使得此时的发动机转速与该油门位置空载转速之间产生了转速差,在发动机速度反馈控制器的作用下将油门拉至S位置,使N点的带载转速与R位置下的空载转速相等,这样就维持发动机转速恒定,而且在这个过程中转速输出电压是不变的。油门位置的改变使得发动机的转速得到了稳定,依据本文所建立的油门位置电压与转速之间的关系,当发动机运行在M点时,油门位置传感器输出电压UJ对应的发动机理论转速为nJ,而当运行在N点时,其输出电压为UK相应的理论转速应为nK。因此通过图4可以看出,在发动机转速不变的情况下,其实控制器已经认为有了转速差,其大小Δn=nK-nJ。如图5所示,发动机在某一油门下工作,如果负载的波动没有使发动机的转速差超过Δn,将通过调节发动机的油门拉杆位置克服这种负载的变化,如图5(a中由M点变换到M′点。如果负载波动很大,使该油门位置下的转速差超过了规定的转速差Δn时,如图中H点。这时一方面控制器将降低泵的吸收扭矩,使其向N点靠近;另一方面控制器调节油门位置,加大喷油量,使其向H′点转化。二者的共同作用使发动机的工作点转变到N′点,使发动机在恒功率的状态下运行。图5发动机转速控制与泵恒功率控制协调关系图恒功率与变功率两种控制策略的协调作用,就是一个夹逼发动机工作区域的过程。如图5(b所示,负荷较小时,负载传感主导泵的调节,发动机工作点位于调速线扭矩较小处,由于此时转速差很小,泵的恒功率线被调制在最大扭矩Mmax附近(即A点附近。当负载增加时,一方面负载传感功能将工作点向大扭矩方向提升,另一方面泵的恒功率设置线将向下压制这种势头的增长,即向低于A点功率的方向移动;二者共同作用就形成一种夹逼工作区域的形式。它们相交时,负载传感功能把泵的控制权移交给恒功率调节,让发动机处于恒功率运转直到负载下降。在小负载时放宽了发动机的工作范围,此时发动机有足够的能量储备去克服短暂的负载冲击;而在大负载时,泵将紧缩发动机的工作区域,此时发动机处于高掉速和高扭矩区,发动机在负载波动下容易熄火,因此恒功率控制将把发动机的工作点钳制在A点所对应的扭矩上。91第2期何清华等:基于功率协调控制的液压挖掘机节能系统研究4节能控制的实验研究将工作模式设定为H模式,挖掘机的转速和功率波动曲线如图6,图7所示。可以看出,采用恒功率与变功率协调控制策略后,发动机转速的波动范围由原来的500r/min降至300r/min,实际转速波动范围降低。图7为发动机转速1800r/min时,泵吸收功率随时间变化的曲线图,从图中可以看出,在开始的前5s内,功率曲线近似直线,为恒功率段,而大多数情况下为变功率,这与挖掘机工作时负载变化情况是相对应的,可见在工作过程中,挖掘机工况变化复杂并且不具有规律性。图6挖掘机工作时发动机转速随时间波动曲线图7发动机转速1800r/min时泵的输出功率随时间变化在不同转速下燃油经济性如表1所示。新旧系统不同转速测得的耗油比,从表中可以看出,加装节能系统后,耗油比明显下降,特别是在轻载情况下1600r/min左右更为显著。表1新旧系统不同转速下的耗油比对比表1600(r/min1800(r/mi