负流量控制模型与试验研究

第卷第期年月机械工程学报!∀!负流量控制模型与试验研究’高峰浙江工业大学机电工程学院杭州潘双夏浙江大学机械设计研究所杭州摘要揭示了液压挖掘机负流量控制的节能机理是控制六通多路阀的旁路回油流量为小的恒定值,在此基础上建立了负流量控制系统的数学模型,并在自行研制的试验样机上用电液比例技术再现了挖掘机上的负流量控制,证明了模型的正确性,进一步阐明了这一模型的应用方向。关键词负流量控制节能液压挖掘机中图分类号目日舀长期以来,六通多路阀以其结构简单、控制方便的特点而在液压挖掘机上得到了广泛应用,但在工作中却有较大的旁路节流损失和空流损失。为此,日本小松公司在世纪年代初推出了系统川,采用了负流量控制策略,以消除这种损失。这种控制策略具有结构简单、节能效果好的特点,后来又为其他公司如日立建机、卡特彼勒等采用,,迄今为止在左右的中型液压挖掘机中已经占主流地位,但一直缺乏进行定量分析的模型。因此,有必要建立这种控制策略的一般性数学模型,以指导国内挖掘机液压系统的设计和制造。日日日日日、、、一尹尹产产产一月、、负负流量控制器器图负流量控制原理负流量控制原理在液压挖掘机中,基于六通多路阀的负流量控制系统可以简化为如图所示的结构。其中,六通阀可简化为、、三个联动的可变节流口和一个单向阀。在常规的挖掘机液压系统中,没有图中所示的节流口,口直接通油箱。在这种系统中,阀心处于中位时,、口关闭,口口全开,系统通过口口卸荷操纵工作装置时,、口逐渐打开,液压油流入液压缸,同时口逐渐关闭,大量的液压油经过旁路回油口。节流回油箱以下将这部分流量称为“旁路回油”,产生很大的功率损失,使系统严重发热。如果采取措施,通过减小旁路回油流量来抑制旁路节流损失,则功率损失会大大减少,负流量控制的思想便由此而来。为此,需要在旁路回油路上设置流量检测装置,根据所检测到的旁路回油流量控制泵排量,从而达到减小旁路节流损失的目的。经过分析总结,负流量控制实质上采用了一种恒流量控制,目标是控制多路阀旁路回油量为一较小的固定值,从而减小旁路节流损失。由此出发,就能得到负流量控制模型。负流量控制模型国家高科技资助项目!。收到初稿,收到修改稿根据图所示原理,如果忽略液压油从泵出口到口和口口之间油路上的压缩性和内泄漏,可以列出如下流量方程二。。式中—液压泵输出流量气—流经口的流量—流经口的流量根据流量—压力方程,式可进一步写为机械工程学报第卷第期二二吼几吼备兀万备厂石式中与泵的设定参数有关,如图中负流量控制阀右边的可调弹簧即用来设定此参数,而则与图中排量控制缸中的弹簧刚度有关。这样,负流量控制的静态模型就可以用式、、组成的一组非线性代数方程来表示几—阀口相对于阀心位移的面积函数—阀口相对于阀心位移的面积函数才!打—叼「止匕竿心一一一!备不二一、厨巴乡图星里召崔绷啊履每易只洲—流量系数—阀心位移尸—泵出口压力—节流口前点的压力—液压缸负载压力因为经过口的流量等于经过节流口的流因此有以负流量控制泵原理式中—节流口的面积从式可以得到几二写君艰马二一、据石二不、、福吞二丽根据负流量控制要求,需要在多路阀旁路回油通路上设置流量检测装置。比较简单的一种方案如图所示,在旁路回油路上直接设置一个节流口,从节流口前的点引出压力信号。根据前面提出的恒流量控制观点,只要控制节流孔前的压力恒定,就能保证通过节流孔的流量恒定,因此负流量控制就可转化为恒压控制,相应负流量泵的控制器也可按照恒压控制器来设计。如果采用控制策略,负流量控制器可表示如下‘一!一凡‘一‘八。,、。,,二、二,叮工。二子井一’‘’“。”“式中!—控制误差—节流口目标设定压力几—节流口前检测压力试—泵排量控制值局,,几—控制中的比例、积分、微分系数这样,式、、就构成了整个负流量控制系统的模型。在普通挖掘机中采用的是机液反馈结构,不存在积分和微分控制,同时假设泵转速不变,试可以用泵输出流量代替,因此负流量控制简化为叮二一式中—考虑转速后的比例控制系数二形刀孟凡一。在实际应用中,由于挖掘机液压系统总工作在稳定状态,因此以上静态模型完全能用于负流量控制系统的定量分析。因为阀心加工完后,几刃和内的表达形式就确定了,因此只要确定了多路阀的阀心位移和液压缸负载压力凡,整个负流量控制系统的工作参数就能根据式计算出来,包括泵的输出流量、输出压力外和节流口前压力,进而可以计算出系统内的其他各项工作参数如。、等。换句话讲,在系统各结构参数都确定的条件下,整个负流量控制系统内的各种工作参数都是多路阀的阀心位移和液压缸负载压力几的函数,利用当前流行的各种数值计算或仿真软件可轻易地进行计算和仿真。在一些特定条件下,负流量控制模型还有一些变形表达。在泵输出压力还未达到克服负载压力的条件下图中的负载保持单向阀还未打开,流入液压缸流量为。,式变为二一、、授不石。一斋凡吓一凡年月高峰等负流量控制模型与试验研究此式可以描述随着多路阀阀心离开中位,但还没能推动负载的情况下,泵输出压力逐渐升高的过程,直到能克服负载为止。当图中所示的多路阀口随阀心位移的面积梯度较大时,在挖掘机做单动作的情况下口上的节流作用非常小,泵输出压力几乎等于负载压力,而且被试验所证实。因此当泵输出压力克服负载压力,开始向液压缸供油后,式又可表示为以下形式由此可以初步计算出节流孔的直径为。考虑到直柄麻花钻头的直径系列以及加工工艺性太细的钻头容易折断,将节流孔的直径圆整为。在此基础上,可以根据式对流过节流口的流量及其功率损耗进行验算工作点流量计算如下二一。·、、备万石价。一二等厨一,··刀右咭十艰尸口一尸岛凡可以看出,、尸、、。、等工作参数依然是阀心位移和液压缸负载压力凡的函数,完全可根据上式计算出来。利用式、可以对整个负流量控制系统进行设计,包括流量检测节流口、多路阀阀心开口的面积梯度以及液压泵的负流量控制参数。例如,根据式、,决定整个系统调速性能的主要在于。口的面积梯度设计,而与口基本无关,口的面积梯度要求设计得尽量大,一旦越过封闭区后开口面积急剧增加,以减小工作阀口上的节流损失。节流口功率损耗计算如下邢一尸。叮。一可见节流口上所产生的功率损耗很小。因为是双泵系统,算出的值乘以,就得到整台挖掘机在旁路节流口上的损失。在实际设计中,因为很难得到系统精确的结构参数,因此需要多做几个系列的节流孔进行试验。如果与仿真手段结合,则更加方便。试验验证负流量控制计算为验证以上模型,在一台试验型液压挖掘机上进行了实际计算。首先需要确定流量检测节流口上的工作压力和流量值几,动,并以此设计节流口。节流口上难免要产生一定的功率损失,但希望这一损失较小。只要工作点几,动确定,就可以根据节流口的压力—流量方程初步计算出所需要的节流口的直径为验证前面提出的负流量控制原理,用电液比例泵、六通多路阀和计算机控制技术对前面提出的负流量控制模型进行了验证,具体结构见图。试验是在一台液压挖掘机上进行的,并专门设计了旁路回油阀,流量检测节流口的直径采用了上面计算出的值,即。由于采用了计算机控制,负流量控制器直接采用了数字控制算法,如下所示·、一一,。、】蕊1:}(11)k艺j=0q二。(k)=KPe(k)+Kle(j)+凡{e(k)一e(k一l)」J二1。。0丫黯恶k一ql(艺e(j)提ql(10)式中q。—通过节流孔的工作流量(L/min)Q—节流孔流量系数,通常取0.61d—节流孔直径(mm)p—液压油密度(k留耐)PD—节流孔前工作压力(MPa)例如,取儿为3MPa,q闭为液压泵最大流量的5%。如果发动机额定转速为2Zoor/min,泵最大式中e—控制误差p口~—节流口目标设定压力pD—节流口前压力k—采样控制次数qNEG—由负流量PID控制器计算出的泵排量局,Kl,踢—PID控制器的比例、积分和微分常数排量为28mUr,式(l0)中参数可初步选取如下:p780kg/m3,Cd一0.61,尸D一3Mpa,q内一3L/min。=一I,ql—君—积分饱和上下限误差死区设定值机械工程学报第41卷第7期「「「「「、、222了了洲一、、压压力传感器器比比例减压阀阀阀控制器器下时,多路阀A口打开,在O口关闭之前凡基本不变,但泵排量却在缓慢上升,说明增加的流量全部进入工作油缸,显示出系统的调速特性。当O口完全关闭后,从图4中可以看出节流口处压力pD明显减小至O,同时泵排量迅速达到最大。在节流口前设定不同的工作压力,对系统的调速性、节能性都有一定的影响。从图4中,根据泵的空载排量(泵排量在图4中的最低点)、柴油机转速和旁路压力,可以大体估计出二种情况下的功率损失,见下表。主油路压力信号电气信号表不同旁路设定压力p口~下的旁路功率损失设定压力P优必刃孔IPa旁路压力P澎MPa柴油机转速n/(r·min一,)泵空载排量q/(mL·r’)功率损失△尸飞V261D2610图3电液比例负流量控制试验结果见图4,表示的是控制挖掘机斗杆动作时,在不同的节流口目标设定压力下,泵排量和节流口处的压力随时间变化的情况。当手柄缓慢压22002200220003902.20330284841210由于采用了电液反馈PID控制,因此实际的旁路压力等于设定值PocoM。一般来讲,旁路压力高,系统克服负载的能力强,系统调速性较好,但流量检测节流口上的损失较大。5结论(l)提出的负流量系统模型是正确的,不但适用于传统上基于机液反馈结构的负流量控制结构,而且将其应用扩展到了机一电一液控制结构。(2)提出的负流量系统模型为挖掘机液压系统设计人员给出了定量分析依据,适用于设计人员对液压系统中各结构参数进行优化设计,如多路阀阀心设计、流量检测节流口设计等。(3)利用提出的负流量控制模型,能非常方便地在挖掘机虚拟样机系统中建立液压系统模型,对整机的操纵性和液压系统设计参数进行仿真和评价,例如在不同负载下工作装置的调速性等。参考文献Ž·曰日Š索婀”不展.d芝/tjd只洲时间tzs(a)了h飞从了月Mpa泵排量外2520巧10|引川.宁Ž·闷日Š犷啊”不展‘芝”毋只洲303234363840时间t/s(b)儿。1枷=6Mpal5l05O2426283032〕4肠时间t/s(c)与cowr=loMPa图4负流量控制结果KazuoU,HiroyoshiT,Energysavingonhydraulicsyst-emsofexeavators.SAEPaPe乙821057Ish议awa,Koji,Hlrata,etal,HydrauliedrivesystemforhydraulieworkingInachines.U.5.Patellt5447027,19950905景铜山.CAT300B系列液压挖掘机,工程机械,1998(10):1~3MallnesmannRexroth,Pun1Ps,RE64001/04乡2高峰.冯培恩,试验型挖掘机器人柔性液压系统方案设计.1程设计,20ox(3):105一108高峰.液压挖掘机节能控制技术的研究:[博士学位论文了.杭州:浙江大学,2001Ž·†日Š索喇”牛联己芝、母只洲泵排量仔;年7月高峰等:负流量控制模型与试验研究111EXPERIMENTALSTUDYONMODELOFNEGAI,IVECONTROLOFHyDRAULICSYSTEMGa口Feng(Collegeof入4七chaniealE月gineerl’ng,ZhejiangUniversi妙ofTechnolo毋,,刀改刀岁无口u310032)PanShu“月群ta(Instituteof五4已ehanicalDesign,ZhejiangUniversi妙,Han岁hou了1002乃Abstraet:Thetheoryofnegativeeontrolsystem15analysedandaeontrolmodelofthissystem15established.Itshowsthattheenergysavingtheoryofsuehsystem15toredueetheflowofbyPasseharmelof6waysPoolvalveandeontrolsuehfiowtoaeonst