小型挖掘机液压系统分析.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 l 6期 机床 与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAU 『 L I CS Au g ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 1 9 小型挖掘机液压 系统分析 张树 忠 ，吴文海 ，蒋道成 1 ．西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 ；2 ．四川宜宾普什重机有限公 司，四川 宜宾 6 4 4 0 0 7 摘要针对小型液压挖掘机的工况特点，分析并比较小型液压挖掘机节流控制系统、负载敏感控制系统以及与负载无 关的流量分配系统 L U D V 的功率损失和可控性 ，表明 L U D V系统是小型挖掘机液压控制系统最佳选择。 关键词小型液压挖掘机；功率损失；控制特性；L U D V 中图分类号 T H 1 3 7 ． 3 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 60 5 32 The Ana l y s i s o f Hy dr a u l i c S y s t e m i n M i n i Ex c a v a t o r Z HAN G S h u z h o n g W U We n h a i ，J I ANG Da o c h e n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． Y i b i n S i c h u a n P u s h He a v y Ma c h i n e r y C o ．，L T D．，Yi b i n S i c h u a n 6 4 J 4 0 0 7，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e wo r k i n g c h a r a c t e ri s t i c s o f mi n i h y d r a u l i c e x c a v a t o r ， p o we r l o s s a n d c o n t r o l l a b i l i t y o f t h r o t t l i n g c o n t r o l s y s t e m，l o a d s e n s i n g c o n t r o l s y s t e m a n d l o a d u n d e p e n d e n t fl o w d i s t ri b u t i o n s y s t e m L U D Vw e r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d ．T h e r e s u l t i s t h a t L UDV i s t h e b e s t c h o i c e f o r mi n i h y d r a u l i c e x c a v a t o r s ． Ke y wo r d s Mi n i h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； P o w e r l o s s ； C o n t r o l l a b i l i t y ； L UDV 小型液压挖掘机具有机动能力强 、体积小 、多功 能作业等特点 ，适于各 种土方量分散 、作业 范围狭 窄 的工况 ，如公路养护 、园林绿化 、小 区建设 、市政工 程及农田建设等。近些年来得到高速发展 ，2 0 0 5年 我国 1 3 t 以下小 型挖掘机 的销量达 到了 1 1 9 5 3台 。 在小型挖掘机的构成 中，液压系统是其核心部 件 ，既承担着能量转换的任务，又是人的肢体 的延 伸 ，以完成操作者 的各种控制策略 。而其能量损失和 可控性是影响小型挖掘机性能 的重要指标 ，故有必要 对小型挖掘机液压系统 的节能性和可控性进行研究 。 1 小型挖掘机液压系统分析 目前小型挖掘机的液压系统主要包括 节流控制 系统 包 括正 流量控制 、负流量 控制 、负 载敏感控 制 系 统 L S 和 与 负 载 无 关 的 流 量 分 配 系 统 L U D V 。 1 ． 1 节流控 制 系统 节流系统，采用定量泵或恒功率泵配合三位六通 旁路节流多路控制阀，结构简单、耐用，对于油液的 污染不特别敏感 ，成 本较低 且技术 成熟 ，因此 目前国 内仍 有大量小型挖掘机采用节流控 制系统 。 但节流控制系统存在大量的节流损失 和溢流损 失，系统效率较低、发热量大，需要较大的冷却器 ， 见图 1 。 围与 负 载 、流 量 、阀 的 行 程 都 有 着 必 然 的 关 系 ，如 负载压力大时 ，多路阀阀芯 的调速区减小 ，挖掘机 动作 粗暴 。图 3反应 了负载 间的 影 响 ，在 非 饱 和 区 域 内 系统需 求流 量超 过泵供 油 能力 ，低 负载 执行 元件 会 降低 高负载执 行元件的速 度 ，甚至迫使高负载执行元 件停止 。如 图 3中，在非饱 图 1 节流控制系统 的功率分配 和区域高负载 2 5 M P a 速度迅速降低。 流 量 Q⋯ Qm In 图 2 节流控制 系统 的控制特性 由图 2可知 ，多负载并联时其控制起点及控制范 1 时 间 图3 节流系统多负 载间的影响 根据上述分析可知节 流控制 系统 具有 以下 特点 控制与负载的变化有关； 2 高压、小流量时 收稿 日期2 0 0 9 0 8 2 8 作者简介张树忠 1 9 8 0 一，男 ，博士研究生 ，主要从事机电液智能控制。电话1 3 1 9 4 8 7 4 7 7 4，Ema i l z s z g o 1 63 ．c o m。 5 4 机床与液压 第 3 8卷 控制范围较窄； 3 负载之间相互影响； 4 两个 以上负载同时运动时，具有较高负载的执行元件可能 会停止不动。 1 ． 2 负载敏感控制系统 L S 2 O世纪 8 O年代根据对 节能的进一步要求 ，负载 敏感控制系统 k S 被提出来 ，其原理如 图 4所示 ， 其功率损失如图5所示。 图4 I s控制 系 统原理图 图 5 L S控制 系统 的功率损失 比较图 1 、5可知 ，L S控制系统 闭芯 实现了 按 系统所需提供流量 ，因此虽然增加了低负载的节流 损失，但减少了大量的溢流损失和节流损失，故 L s 控制系统的效率比节流控制系统高。 图 6为 L s闭 芯系统 的控制 特性 。由图 6可知 L s 控制 系统 的控制 起点 与负 载和 流量 大小 均无 关 ， 调速范 围较大 ，而控制范围则与流量大小有关 。 两个执行元件的负载压力分别传至各自的压力补 偿 阀，其 中较高 的压力经梭 阀再传送到变量泵 ，控制 机构使泵按需 提供 流量。当处 于饱 和状态 泵能提 供足够流量且 △ p 。 、△ p 相等时，两个负载流量分 配取决于开 口节流面积 A ， 、A ，可实现复合动作， 互不干扰 ，如图 7所示 。 0 pu m p／ P l 藏 I 手柄开度l I 控制范围 图 6 L S闭芯系统 的控制特性 时 间 图 7 L S闭芯系统多 负载问 的影响 当系统处 于非饱和状 态时，即系统需求 的流量超 过泵供油能力的极限时，则无法保证 △ p ， 、△ p 相等 最高负载回路上 △ p小于低负载回路上的 △ P ，故 高负载执行元件速度会迅速降低直至停止，从而使挖 掘机失去复合动作的协调能力，与节流系统相似。如 图7中，在非饱 和 区域 高负 载 2 5 M P a 速度迅 速 降低 。 与节流控制系统 相比，负载敏感控制系统具有 以 下优点 1 能量利用率相对较高； 2 在饱和状 态下 ，流量控制精 度高 ，不受 负载压力 变化 的影响 ； 3 多个 负载 可 以同步运 动或 以某 种速 比运动 ，且 互不干扰。 1 ． 3 与 负载无关的流量分配 系统 L U D V 针对非饱和状态下多负载复合动作互相干涉的问 题，国外液压厂家开发了与负载无关的流量分配系统 L U D V ，其原 理图见 图 8 。 通过与 L s系统 比较可知 两者的不 同之处 1 L U D V将 压力补偿阀设 在节流环节之后 ； 2 压力补 偿阀补偿信号取自系统中的最高负载信号，而不是其 自身负载 。 L U D V系统 中的 卸 、卸 皆为系统 泵 出 口压 力 与最大负载压力之差 ，因此即使 当系统处于不饱和状 态时，△ p ， 、△ p 仍然相等 同时值下降 。由于无论 系统是否处于饱和状态 ，△ p 和 △ P 总相等 ，故泵所 提供 的流量总按照各阀的开 口面积 A ， 和 A 成 比例分 配 ，而与负载大小无关 。如图 9中，在非饱 和区域高 负载 2 5 M P a 和低负载 1 5 M P a ，流量按比例分 配 ，而与负载大小无关 ，只与手柄偏转角度有关 。 图8 L U D V原理图 图9 L U D V多负载问的影响 通过上述 分析 可知 ，L U D V不 仅继 承 了 L S系统 的所 有优点 ，如能按需 提供流量 、能量利用率相对较 高 、控制范 围较大 、在饱和状态下多个负载可独立工 作互不干扰等，而且还实现了非饱和状态下的与负载 无关 的流量分配。 2 结论 通过对小型挖掘机液压控制系统 的比较分析可知 1 L S系统效率比节流系统高，且解决了饱和状态下 多个负载互不干涉 的问题 ； 2 L U D V不仅继承了 L s 的优点 ，而且实现 了不 同负载压力的多个执行元件问 互不干扰 的精密控制，具有 良好的控制性能。 结合小型液压挖 掘机 的特点 ，可知 L U D V在小型 挖掘机上大有用武之地 。 参考文献 【 1 】 王长江． 当今挖掘机对液压系统的要求及液压系统的发 展方向[ J ] ． 工程机械与维修， 1 9 9 7 3 8 4 0 ． 下转第 5 9页 第 1 6期 郑淑娟 等比例阀控电液纠偏系统的设计与分析 5 9 蚓 0 粤 0 0 0 图 5 单位阶跃响应 曲线 1 延 迟 时 间 、上 升 时 间 和 峰 值 时 间分 别 为 0 ． 0 5 7 1 S ，0 ． 0 5 0 4 S 和 0 ． 1 1 7 S ，反 映了系 统响应 的 初始快速性很好 ； 2 调节 时间为 0 ． 6 8 2 S ，说 明 系统 具有 较好 的 总体快速性 ； 3 超调量 为 1 9 ． 3 ％ ，表 明 了系统 响应 的相 对 平稳性 ； 由上述指标 可知 ，系统具 有较 小的稳态误 差 ，而 且 响应速度快 ，动态性 能较好 。 4 ． 2 ． 2 正弦输入响应特性 带材 的 “ 蛇行 ” 运动是 纠偏 控 制系 统最 难克 服 的干扰 形式 ，所 以以能克 服“ 蛇 行 ”运 动为 设计 目 标 。在工程 设计 中可将 “ 蛇 行 ”运 动 近似 为正 弦 运动 ，所 以仿 真该 系统 在 正弦输入下的响应 。 蜘 如图6 所示，系统在 荟 。 正 弦输入信 号作 用下 的响 5结束语 作者设计 的系统是一种基于 比例阀 的带钢跑偏电 液控制系统 。它具 有对油污不敏感 、工作可靠 、维护 简单 、成本低廉等优点。双向液压锁 和电磁换 向阀的 应用保证了卷取机液压缸与检测 器液压缸 的互锁 与系 统的安 全。运用 M a t l a b ／ S i m u l i n k对 系统 的性 能进 行 仿真分析 ，结果表 明该 系统能较好地满足稳定性 、响 应速度 与控 制精度要求 。文 中的仿真分析结果 ，为传 统纠偏系统的改造设计提供了一定的理论依据。 参考文献 【 1 】 李顺． 浅论电液比例阀在长机列铝材生产线纠偏控制系 统中运用的优势[ J ] ． 铝加工， 2 0 0 3 2 3 9 4 1 ． 【 2 】 关景泰． 机电液控制技术[ M] ． 上海 同济大学出版社， 2 0 4． 【 3 】黄忠霖． 控制系统 M a t l a b汁算及仿真实训 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】徐同旺． 光电液伺服式带材纠偏与对中控制 [ J ] ． 冶金 自动化 ， 1 9 9 4 ， 1 8 6 2 93 2 ． 【 5 】苏东海， 任大林 ， 杨京兰． 电液比例阀与电液伺服阀性能 比较及前景展望[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 1 1 4 ． 上接 第8 0页 参考文献 【 1 】乔忠良． 全数字直流调速装置及工程应用[ j ] ． 太原理 工 大学 学报 ， 2 0 0 0， 3 2 1 21 5 ． 【 2 】 李云飞， 谈臻峰， 程甜甜， 等． 变频器通用测试软件平台 的设计与实现[ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 7 ， 4 7 1 0 1 1 51 1 6． 【 3 】S i e me n s E l e c t r i c a l D r i v e s L t d ． ． S I MOR E G D C Ma s t e r 6 R A 7 0系列 使 用说 明书 [ M ／ O L] ． h t t p ／ ／ w w w 4 ． s i e m ens． 【 4 】 孙玉胜， 伍银波， 郭永喜， 等． 直流调速系统的计算机辅 助设计[ J ] ． 水利电力机械 ， 2 0 0 7 6 5 4 5 6 ． 【 5 】S I MA T I C S T E P 7 V 5 ． 4编程参考手册[ M] ． 2 0 0 6 ． 【 6 】刘开烈， 朱建民， 王昭进， 等． 7 - 3 0 0 P L C与直流调速装 置6 R A 7 0的通讯[ J ] ． 现代机械， 2 0 0 8 1 7 8 7 9 ． 【 7 】薛朝改， 曹海旺， 谷文韬． 基于虚拟仪器的动态参数测试 系统的研制[ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 6 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