高速伸缩臂叉车静液压控制系统分析设计-.pdf

第 1 0卷第 1 期 2 0 1 2年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A L O F C O N S T R U C T I O N MA C HI NE R Y Vo 1 ． 1 O No． i Ma r ．2 01 2 高速伸缩臂叉车静液压控制系统分析设计 李璐 ， 王勇 ，李凯 1 ． 总后勤部 建筑工程研究所 ，陕西 西安7 1 0 0 3 2 ； 2 ． 徐州徐 7 - 特种工程机械有 限公 司，江苏 徐州2 2 1 1 5 1 摘要 设计了高速伸缩臂叉车静液压控制系统， 该系统采用了发动机与变量泵复合控制的方式， 实现了叉车的 联合操作， 即在叉车行驶过程中能够正常操作作业机构而不影响对行驶机构的控制， 同时还实现了发动机转速 随负载变化而 自行优化调整的功能， 充分利用了发动机功率． 关键词高速伸缩臂叉车； 静液压传动；控制系统； 联合操作 中图分 类号T P 2 7 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 2 0 1 0 0 6 4 0 4 - ‘ 1 1 ‘ I ‘ ■ ‘ l ‘ A nal ys i S and de si g n on hyflr os t at i c c ont r ol s ys t em f or hi g h- s p e e d t e l e s c o pi c bo o m f or kl i f t s L J L钆 ，WANG y _0 ，LI Ka i 1 ． Th e Ar c hi t e c t u r e E n g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f t h e Ge n e r a l L o g i s t i c s De p a r t me n t o f t h e PL A，Xi a n 71 0 0 3 2， Ch i n a； 2 ． Xu g o n g S p e c i a l C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y Co ． ， Lt d． ，Xu z h o u 2 2 1 1 5 1， Ch i n a Ab s t r a c t By d e s i g n i n g t h e h y d r o s t a t i c c o n t r o l s y s t e m f o r h i g h - s p e e d t e l e s c o p i c b o o m f o r k l i f t s ，fl c o mb i n e d c o n t r o l mo d e i s a p p l i e d u s i n g t h e e n g i n e a n d v a r i a b l e p u mp ． A c c o r d i n g l y ， t h e f o r k l i f t j o i n t o pe r a t i o n i s r e a l i z e d b y s i mu l t a n e o u s l y c o n t r o l l i n g t h e o p e r a t i o n a l a n d d r i v i n g me c h a n i s ms ． Me a n wh i l e， t h e e n g i n e r o tar y s p e e d i s a u t o ma t i c a l l y a n d o p t i ma l l y a d j u s t e d b a s e d o n v a r i a b l e l o a d i n g s ． T h e r e i n ， t h e e n g i n e p o we r c a n b e f u l l y e x p l o i t e d ． Ke y wor dsh i g h- s p e e d t e l e s c o p i c b o o m f o r k l i f t ；h yd r o s tat i c t r a n s m i s s i o n； c o nt r o l s ys t e m ； j o i n t o p e r a t i o n 高速伸缩臂叉车是一种新型多功能物料搬运设备l_ 1] ． 它将汽车起重机的伸缩臂结构与传统叉车的装 卸功能有机结合 ， 可以通过不断改变其伸缩臂长度来达到要求 的作业高度和距离． 配合不 同的作业属具 ， 能够 以叉车、 起重机 、 高空作业车等多种模式 ， 完成物资装卸载、 堆码垛 、 集装箱装掏箱、 高空或跨障碍输 送、 吊装等作业[ 2 ] ． 同时 ， 与场内作业的叉车相 比， 该车能够高速行驶 ， 保证 了在转场时能够跟上车队的行 进速度． 高速伸缩臂叉车采用了静液压传动， 分为行驶机构和作业机构两大部分 ． 通常静液压传动的工程车 辆 ， 其行驶机构与作业机构不需要 同时工作 ， 而高速伸缩臂叉车有边行驶边作业 的联合操作需求． 由于行 驶机构与作业机构共用同一台发动机 ， 当作业机构工作导致发动机转速发生变化时 ， 行驶速度就会随之发 生改变 ， 导致无法正常控制车速 ． 为解决这一问题 ， 本文设计了高速伸缩臂叉车静液压控制系统， 通过实时 调节发动机转速与变量泵排量之间的关 系， 确保在联合操作时维持行驶机构速度不变， 提高了车辆的作业 性能 ， 同时优化了发动机的工况 ， 实现 了功率匹配， 充分利用了发动机功率 ， 达到了节能的 目的． 1 静液压 系统结构 高速伸缩臂叉车静液压传动系统包括行驶机构与作业机构． 行驶机构采用闭式 回路 ， 主要包括柴油发 作者简介 李璐 1 9 7 7 一 ， 男 ， 工程师． E ． ma i l 1 i l u 1 2 3 4 5 6 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李璐， 等 高速伸缩臂叉车静液压控制系统分析设计 动机、 变量泵、 马达 变速箱、 车桥 、 车轮均采用机械传动模式 ． 液压泵与液压马达通过油管组成闭合回路 ， 发动机带动液压泵驱动液压油 ， 使液压油在封闭油管中循环流动并驱动马达带动变速箱 、 车轮转动． 其基 本结构如图 1 所示． 作业机构采用开式回路 ， 主要包括柴油发动机 与行驶机构共用 、 定量泵、 比例阀、 工作油缸 ， 液压泵 从油箱吸油 ， 液压油经过液控开关阀驱动工作油缸 ， 最后又回到油箱 ． 工作机构的速度由发动机转速决定 ． 其基本结构如 图 2所示 ． 图 1 行驶机构基本 结构 Fi g． 1 St r u c t u r e o f t h e d r i v i n g s y s t e m 2 静液压系统的控制 缸 LU LL J 油箱油箱 图 2 作业机构基本结构 Fi g ． 2 S t r u c t u r e o f t h e wo r k s y s t e m 2 ． 1 控制系统的组成 行驶机构控制系统由控制器、 行驶机构压力传感器、 发动机转速传感器、 车速传感器、 加速踏板、 前进 后退开关 、 油门执行器组成 ， 其结构如 图 3所示 ． 其 中， 加速踏板与前进 、 后退开关用于设定车辆行驶 的速度和方 向； 发动机转速传感器与车速传感器 分别用于检测发动机转速与车辆行驶速度； 压力传感器用于检测静液压闭式系统的工作压力差； 控制器通 过油门执行器控制发动机的转速， 使其达到要求的目 标转速； 通过输出泵控制电流控制变量泵的排量． 作业机构控制系统 由控制器 、 作业机构压力传感器 、 发动机转速传感器 、 作业手柄 、 油门执行器组成 ， 其中控制器、 发动机转速传感器与油门执行器是与行驶机构共用的， 其结构如图 4 所示． 手柄用于设定作 业机构的动作类型及运行速度 ， 控制器根据手柄发出的指令控制发动机转速及相应的比例阀的流量大小 ， 按照要求速度执行相应的动作 ． 图 3 行驶机构控 制系统 的组成 Fi g ． 3 C o mp o s i n g o f t h e d r i v i ng c o t r o l s y s tem UU LU 油箱 油箱 图 4 作业机构控制 系统 的组成 Fi g ． 4 Co mpo s i ng o f t h e wo r k c o n t r o l s y s t e m 2 ． 2系统分析与设计 2 ． 1 ． 1 简单控制方式 静液压传动车辆的行驶速度由发动机转速和变量泵的排量两个因素决定[ 3 ] ． 一般的静液压工程机械 行驶机构与作业机构不要求 同时工作 ， 两者可 以分开控制 ． 对于行驶机构， 可以根据加速踏板的位置进行 线性映射确定发动机转速与变量泵排量 当加速踏板处于完全抬起 的状态时 ， 发动机转速为怠速 ， 变量泵 排量为零 ， 车辆停止 ； 当加速踏板处于完全踩下状态时， 发动机转速最高， 变量泵排量最大 ， 车辆以最大速 度行驶 ； 其余状态， 发动机转速与变量泵排量根据加速踏板的位置进行线性调节． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 0卷 对于叉车 ， 由于需要在行驶 的过程中同时进行货叉升降等作业 ， 即联合操作模式 ， 通常采用的方法是 在此模式下， 将变量泵排量限定为一个非常小的值， 这样即使在发动机高速运行时， 车辆的行驶速度也很 慢 ， 可以在缓速行驶的同时操作作业机构． 这种控制方式存在 以下问题 一是在联合操作模式下 ， 虽然行驶速度十分缓慢 ， 但 当作业机构引起发 动机转速发生较大变化时 ， 仍能使行驶速度明显改变 ， 这对于一些需要匀速运行 的作业情况非常不利 ； 二 是行驶机构工作时， 发动机功率与负载功率不匹配 ， 造成燃油利用率不高， 导致功率浪费． 2 ． 2 ． 2 发动机与变量泵复合控制 为解决原有 的简单控制方式存在的问题 ， 本文提出了一种发动机转速与变量泵排量的复合控制方式． 由于车辆的行驶速度取决于行驶机构液压流量的大小 ， 而流量又等于发动机转速与变量泵排量的乘 积 ， 因此车辆行驶控制主要是控制发动机转速与泵排量的大小 ， 先确定发动机的 目标转速 ． 行驶机构的实际流量为 Q 忱 1 式 中 Q为行驶机构流量 ； n为发动机的当前转速 ； v为变量泵的当前排量． 行驶机构当前的功率为 P q rP 2 式中 P为行驶机构当前功率； F 。 为行驶机构的当前工作压力． 根据式 1 与式 2 可得行驶机构当前的功率为 P n V Fp 计算 出行驶机构 的功率后 ， 在发动机功率一 转速 曲线上 见图 5 查出发动机达到此输 出功率需要 的最小转速 ， 以此 转速作为发动机的 目标转速 ． 在确定发动机 目标转速 的同时 ， 根据加速踏板确定行驶 机构需要 的目标流量 Q 与加速踏板位置线性对应 ． 由 1 式可得变量泵的目标排量为 V T QT ／n T 4 式 中 为变量泵的 目标排量； Q 为行驶机构 的 目标流量 ； n．r 为发动机的 目标转速． 图 5 发动机功率- 转速 曲线 Fi g ． 5 Eng i n e p o we r - s p e e d c u r v e 3 至此 ， 根据 目标转速与 目标排量分别调节发动机与变量泵便可实现控制车辆速度的目的， 加速踏板位 置不变， 维持相应的车速不变． 在联合操作的情况下 ， 当发动机转速发生变化时， 由式 4 可知， 变量泵流量 与发动机转速成反 比变化 ， 维持 了流量 ， 从而实现了联合操作情况下保持车速不变的要求． 同时， 发动机的 转速可以随行驶系统 的功率 自动调节 ， 实现了发动机功率与负载功率的匹配 ， 提高 了燃油利用率． 基本控 制流程框图如图 6 所示 ． 算系统总功率 限 据当前系统总功鞫 } 动机转速一 功率曲线i 发动机的目标转速惭 艮 据脚踏板确定系统 的 目标流量 一一对应于 目标车速 Q 获取由手柄确定的 发动机目标转速铊 取嘶1 与n T 2 中的较大值作 为发动机 的 目标转速铆 h v r Q T 饥 确定变 的目 标排量晰 据计算出的发动机 目 标转竞 T 与变量泵 目标排量晰分别 节发动机转速与变量泵排量 图 6 控 制流 程框 图 Fi g ． 6 Fl o w c h a r t o f c o nt r o l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李璐， 等 高速伸缩臂叉车静液压控制系统分析设计 6 7 3 实验结果验证 图 7为联合操作时发动机转速、 变量泵排量及车速的变化 曲线 ． 当作业机构开始运行 时， 导致发 动机 转速提升 ， 控制系统检测到发动机转速升高， 便降低变量泵排量 ， 维持车辆行驶速度不变 ； 当作业机构运行 结束时， 发动机转速下降， 控制系统增加变量泵排量 ， 维持了车辆行驶速度 ． 从 图 7中可以看出 ， 整个过程 中车速基本保持不变， 只是在发动机转速变化过程中略有波动， 但波动幅度不大 ， 可以满足系统要求． 3．0 2 ． 7 0 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 时间 ／ S 图 7联合操作时各参数 的变化情况 Fi g ． 7 Va r i e t y o f v a r i a b l e s d ur i ng c o m b i n e d o p e r a t i o ns 图 8为车辆行驶遇到上坡时液压系统压力 、 发动机转速、 变量泵排量及车辆行驶速度 的变化情况． 图 8中， 当遇到上坡时 ， 系统压力首先升高 ， 控制器据此计算 出当前消耗的功率 ， 通过 图 5所示的功率一 转速 曲线查 出当前需要的发动机转速 ， 同时降低变量泵排量 ． 从图 8中可以看 出， 在上坡过程中， 发动机转速随 着负载压力的增加而提升， 但车速基本维持不变， 说明发动机的转速能够随负载的变化 自行优化调整， 实 现了设计要求． 日 4 O 皇 3 0 2 0 1 0 0 1 2 5 邑 1 2 0 删 1 1 5 1 1 0 咖1 1 0 5 ， 一、3 ． { 3 ． 3 ． 3 ． 卅 3 ． 图 8 车辆行驶遇到上坡 时各参数 的变化情 况 Fi g ． 8 Va r i e t y o f v a r i a b l e s d u r i n g c l i mb i ng 4 结语 本文设计了伸缩臂叉车的静液压控制系统 ， 实现 了发动机与变量泵的复合控制 ． 利用发动机 的功率- 转速曲线查询发动机的目标转速 ， 并通过调节变量泵排量控制车辆的行驶速度． 该系统实现了叉车的联合 操作 ， 在行驶过程中既能够正常操作作业机构又不影 响对行驶机构的控制 ； 同时该系统实现了发动机转速 随负载变化 的优化调整 ， 充分利用 了发动机功率 ． 通过实验验证 ， 系统达到了设计要求． 参考文献 [1] 姚凯 ， 侯忠明 ， 王佑君 ， 等． 伸缩臂叉车发展现状及研 发趋势 [ J ] ． 起重运输机械 ， 2 0 0 8 8 81 1 ． Y AO K a i ， HO U Z h o n g mi n g ， WA NG Y o u j u n ， e t a 1 ． D e v e l o p me n t s i t u a t i o n a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n o f t e l e h a n d l e r s [ J ] ． H o i s t i n g a n d C o n v e y i n g Ma c hi n e r y ， 2 0 0 8 8 81 1 ． [ 2 ] 王志． 伸缩臂叉车的现状[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 8 8 6 5 6 8 ． WA NG Z h i ． C u r r e n t s i t u a t i o n o f t e l e s c o p i c f o r k l i f t i n g t r u c k [ J ] ． Co n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 8 8 6 5 6 8 ． [ 3] 朱从 民． 静液压传动车辆的复合控 制[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 4 2 62 9 ． Z H U Con g m i n ． C o m p l e x c o n t r o l o f h y d r o s t a t ic tr a n s m i s s i o n v e h i c l e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y ， 20 05 ， 3 6 4 2 629 ． [ 4] 姚怀新． 工程车辆液压动力学与控制原理I- M] ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 6 ． ． Y AO Hu a i x i n ． Hy d r a u l i c d y n a mi c s a n d c o n tro l the o r y o f c o n s t r u c t u r e v e c h i l e f M] ． B e i j i n g C h i n a Commu n i c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 6 ． M 屹 m S 8／ 间 6 时 4 2 0 5 } ∞ ∞ ∞ ， I l l I ＼ 删j } } 删 4 咖 咖 伽 枷 渤 o 111ll L T ． 葺 旨． 邑 ＼ 毒 辜 暴臀 l 挖 m 8 问 6 时 4 2 0 0 O O 0 O O { 寻 m 帖∞ 晌 茸Ⅱ ． ＼ 艘辛 辜 暴擦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m