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液压挖掘机发动机与液压泵的合理匹配的研究

来源：飒榕旅游知识分享网

ISSN100928984CN2221323/N长春工程学院学报(自然科学版)2008年第9卷第4期

J.ChangchunInst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2008,Vol.9,No.4

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液压挖掘机发动机与液压泵的合理匹配的研究

汤振周

(福建交通职业技术学院,福州350007)

摘　要:通过对液压挖掘机发动机的工作特性、变量泵性能的研究,提出了恒功率与变功率2种控制方

式的组合,使发动机在整个转速范围内都能适应负荷变化,保持最佳的功率利用率。同时使液压系统具有了较高的传动效率,整个负荷驱动系统也具备了较好自适应能力和综合性能指标。

关键词:液压挖掘机;发动机;液压泵;合理匹配中图分类号:TD422.2文献标识码:A文章编号:100928984(2008)0420035204节柴油机转速和协调泵排量来实现。

1　发动机工作特性柴油机的特性主要是运行特性,包括:速度特性、负载特性、万有特性的变化规律。如图1所示,曲线CASB是发动机在某一档时的工作特性,AC为外特性,AB为该档位下的调速特性。当外负载变化时,发动机的输出转矩变化,如A点、B点和S点,A点输出功率最大。另外,发动机还有一条最佳比油耗线(ge线),当发动机工作在最佳比油耗线时(图中S、E点)最经济。为了保持柴油机转速的相对稳定,必须随着负载的变化相应改变供油拉杆的位置,在柴油机上安装的调速器就能根据外界负载的变化,自动调节循环供油量,使柴油机稳定运转。通常工程机械选用的都是全程调速器,在任何转速下均能起调速作用。那么在某一固定油门拉杆位置下,当外负载变化时,柴油机将不再运行在外特性曲线上,而是在该油门位置下的调速线上工作。不同的油门位置对应于不同的调速曲线,可见在外负载扭矩变化时,速度将受到较小的波动,从而起到稳定柴油机转速的作用。在理论上要使柴油机稳定地工作在某一点,就必须确定2个方面的参数:负载扭矩和转速或者油门位置和功率。在实际工程中可通过调

收稿日期:2008-11-07

作者简介:汤振周(1970-),男(汉),福建,硕士研究生,讲师

主要研究工程机械。

图1　发动机工作特性

2　挖掘机变量泵的性能分析

液压泵连结发动机与整个液压系统的中间环

节。一方面它作为发动机的可调负载,应能充分利用发动机的输出功率,同时又要保证发动机不因负载转矩太大而造成熄火,在功率上达到协调匹配。另一方面,作为整个液压系统的源动力,为适应外负载的变化,它必须提供工作时所需要的压力及流量。为了达到上述2方面的要求,在实际工作中要通过调节泵的排量来实现。

在转速感应控制中,泵的功率设定其实是根据发动机的转速差来调节泵的最大吸收功率,从而保证发动机不过载。对于变量泵来说调节功率是通过调节其排量实现的。

(1)P=psVgn式中:P———泵的吸收功率;

ps———液压系统工作压力;Vg———泵排量;n———泵转速(发动机转速)。

由于外负载的波动,使得发动机的转速即泵的驱动转速n并不是一个不变的数值,所以恒功率调节实质上是一种恒扭矩调节。

(2)M=pBVg=C=常数式中:M———泵的吸收扭矩。

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由式(1)可知,当在某一工作模式下,如果外负载压力变大时,泵则会自动减小其排量大小,以维持二者乘积不变。如果负载压力减小,则反之。

　　F1=psAs

式中:ps———泵的出口压力;

As———变量柱塞横截面积。

(4)

3　发动机与液压泵匹配的实现

发动机与液压传动装置匹配的实质是提出最合

理的控制方法,从而使发动机的转速、输出扭矩能适应外部负荷的变化,保持发动机在最佳工作点附近工作,有较高的功率利用和较低的燃油消耗率。

目前柴油发动机适合于液压传动的控制形式有:发动机恒功率控制和发动机变功率控制。为了更好地适应外负荷的变化,保证作业的高效性和经济性,将2种控制方式结合使用。3.1　发动机恒功率控制与泵功率匹配

对于变量泵的恒功率调节有很多种方式,传统的恒功率变量是根据折线拟合,依靠多根弹簧(利用弹簧的不同刚度)来实现的,而A11V0泵恒功率控制装置是利用杠杆力矩平衡原理对液压泵实行恒功率控制的。该装置结构简单,精度高,且便于实现无级调节。

如图2为整个恒功率控制原理图。其中功率控制阀阀芯受到3个力(IP产生的电磁力,K1,K2弹簧分别产生的弹性力)的作用。设这3个力的合力为FPC,那么对杠杆机构做平衡分析有以下公式成立:

(3)FPCLk=F1Lp

式中:Lk———恒功率阀阀芯力作用点到杠杆原点的

距离;F1———控制压力;Lp———控制压力作用点到杠杆原点的距离。而由图2可以看出其控制压力可以表示为:

而从图2的几何关系可以得出:θLp=e+Ltg

点间的距离;

L———泵斜盘旋转中心到边缘的距离;

(5)

式中:e———泵斜盘倾角为零度时变量柱塞与杠杆原

θ———斜盘倾斜角度。(4)、(5)可以得出:由式(3)、

FPCLK-epSAS

LpSAS

θ=tg(6)

而通轴式斜盘式柱塞泵的理论排量q为:

q=π2

θdzDfZtg

4(7)

式中:dz———液压泵柱塞直径;

Df———液压泵转子分布圆直径;Z———液压泵柱塞数目。

则泵的理论流量Q可以表示为:

Q=qn

(8)

式中:n———液压泵工作转速。

那么液压泵的输出功率可以表示为:

Pp=psQ

(9)

(5)、(6)代入(7)中,可以得到:将公式(4)、

πd2zDfZ(FPCLK-epsAs)n

Pp=4LAs

(10)

从式(10)可以看出等式右边含有泵出口压力

ps项,也就是说采用此种调节方式,液压泵恒功率输

出值及调节精度会受到负载压力的影响,但在实际设计中,是使e等于零。因此,液压泵输出功率Pp可以表达为:

πd2zDfZFPCLKnPp=4LAs

(11)

对式(1)进行分析可以发现:当恒功率变量泵结构确定后,在转速n和功率调节阀芯所受合力

FPC一定的情况下,输出功率是恒定的。

3.2　发动机变功率控制与泵功率匹配的实现3.2.1　实现原理

在有些工况下,发动机的恒功率控制不能满足作业高效性和经济性的要求,具体有2个方面:一方面,为了追求作业速度,提高工作效率,必须人为地

图2　A11V0变排量泵恒功率调节功能原理图

提高发动机转速。此时泵的输出功率也相应提高.恒功率控制无法跟随发动机输出功率变化。另一方

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3.2.4　泵负载传感功能与发动机匹配策略

面,在低功率作业的情况下,泵的输出功率远低于发动机在该转速下输出的最大功率,发动机的功率利用率很低,此时操作的经济性很差。可采用联合控制方式实现发动机—泵的功率匹配控制3.2.2　发动机变功率输出匹配控制

由于发动机输出功率的改变可以通过其油门位置的改变和负载扭矩的改变2种方式来实现。所以在另一个方面,我们也考虑从变负载扭矩的方式来实现发动机的变功率匹配。从上面的分析来看,选用带负载传感功能的变量泵恰好可以满足我们这一设计意图。在该功能的作用下,泵的排量将随着外负载的增大(负载压力升高)而增大,而泵的吸收功率为:

qpsn

该匹配方式主要着眼于燃料经济性及动力性,目的是使柴油机始终以最适宜的输出功率运转。在任意油门位置或柴油机转速下,都可以根据外负荷的变化控制泵排量变化,使发动机按燃料经济性最好的理想负荷运转。在进行功率变化的匹配过程中,为了达到提高动力性的目的,我们通过调节发动机油门拉杆的位置和改变泵的吸收扭矩2方面来匹配,这样动力系统将会根据作业内容,自动调节功率的输出。

3.2.3　发动机速度反馈控制策略

η6000mh

(12)

式中:q———泵的排量(cm);

ps———泵出口压强(bar);n———泵的驱动转速度(rpm);

η——泵机械液压效率。mh—而泵出口压强与负载压强的关系为:pps=Δp+

pLS。所以在发动机转速不变的情况下,负载传感功

发动机变功率匹配中,要求发动机的输出功率能够随着外负荷的增大而相应地增大。对于发动机而言,外负载增大最直接的表现就是其转速的下降,因此我们很希望发动机转速控制装置能在发动机转速下降时及时将油门拉大,增加发动机的输出功率,以便使转速回升到原来的位置上。发动机自身的机械式调速器虽然能在不变动发动机拉杆位置的情况下去稳定其工作转速,但控制效果比较粗糙,转速差达到了1左右。而在速度反馈控制功能的作用下,控制器将实时监控着转速的变化,使其在油门没有达到最大位置时都能稳定其转速。因此转速反馈控制是以变化油门拉杆位置的方式,更为精确的去控制发动机的转速。其控制方式如图3所示。

能使泵的吸收功率随着外负载的增大而增大。

图4　泵负载传感功能与发动机匹配图

如图4所示,初始状态下泵的吸收功率为零,而在某一油门拉杆位置时,发动机空载状态运行在L点,当外负载(pLs)增加时,引起泵的吸收功率的上升,这样在同一油门位置下,发动机将运行到M点,随着压力的进一步上升,泵的吸收功率进一步加大,至使发动机运行到了N点。这样匹配的实质是泵将负载的变化情况以扭矩的形式直接传递到发动机的输出轴上,使发动机的转速随外负载pLs的波动而变化。在没有发动机速度反馈控制系统的作用下,当在某一固定油门位置时,机械式调速器将根据这种负载扭矩的变化,自动调节发动机喷油泵的喷油量,从而改变其功率输出,适应这种负载的波动。3.2.5　发动机转速反馈控制与变量泵负载传感功

图3　柴油机速度反馈控制

在图3中,最主要的环节就是获得转速设定电位计电压值与空载转速之间的关系。因此首先我们就必须获得表C的值,用电信号的方式去设定发动机转速。但是发动机转速的设定不单只受到转速设定电位计电压信号的作用,更大程度上是受功率模式选择开关决定的,而电位计电压信号只在各功率模式所确定的档位速度之间做微调变化。

能的协调

当负载的增加导致泵吸收功率增大时,如果不根据外负载的这种变化去调节油门,仍然只按图4的方式使发动机的油门停留在某单一的位置上,而

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仅仅只靠机械式调速器的作用来协调功率输出,这样就会导致发动机转速出现明显的下降,并且使发动机的工作状况恶化。因此在进行负载传感功能与发动机匹配时,有必要加上发动机速度反馈控制功能,以弥补由于负载扭矩增大而产生的转速差。即通过调节油门位置和改变负载扭矩的复合方式去进行发动机变功率匹配。二者协调匹配原理如图5。

表1　新旧系统不同转速下的耗油量g对比表

转速/rpm

原系统

1600180020002200

356.2394.5489.1619.0

平均耗油量/g

新系统

353.5434.1515.0549

5　结语

对发动机的恒功率匹配控制和变功率匹配控制进行了分析,探究了让整个动力系统功率得到合理匹配的控制策略。系统可采用负载传感控制,根据负载的变化情况去调节液压系统的功率输出,分别在流量和压力2方面去满足负载的要求。另一方面,采用发动机速度反馈控制系统根据发动机的受载情况调节发动机的功率输出,从而保证有适当的功率向液压系统输出。参考文献[1]王欣,刘宇,蔡福海,等,履带起重机发动机与液压泵的

匹配[J].中国工程机械学报,2007,(04):182—185.[2]常毅华,何清华,郝鹏.液压挖掘机功率协调控制节能系

统研究[J].工程机械,2006,(03):19—22.[3]纪云锋,陈欠根,吴晓健,等.液压挖掘机区间功率匹配

协调控制[J].建筑机械,2004,(12):92—93.[4]彭天好,杨华勇,傅新.工程机械中的泵与发动机匹配

[J].液压与液力,2004,(12):37—40.[5]何清华,郝鹏,常毅华.基于功率协调控制的液压挖掘机节

能系统研究[J].机械科学与技术,2007,(02):188—191.

图5　发动机转速反馈控制与泵负载

传感功能匹配原理图

当初始状态时,泵的吸收功率近似为零,发动机也相应地运行在L点。当外负载增加时,在负载传感功能的作用下,泵将其吸收功率调大。而发动机方面,在机械式调速器的作用下,将工作点调至M点,其输出功率为P2,但由于此时的L点与M点之间出现了转速差,在发动机速度反馈控制器的作用下,要将转速稳定在此时电位计所给电压相对应的转速上,会增大油门转角,因此应将发动机的工作点调至M′点位置上,使发动机的输出功率增大到P3。

由上述运行过程可以看出,在负载发生变化时,负载传感功能只能起到有效并经济地实现负载与泵输出功率之间的匹配。而对于发动机而言,在感应到了由泵传递来的这种功率波动时,分2部分去调节自己的功率输出:由调速器完成功率P1到P2的转化,它是以牺牲转速的形式来提高输出扭矩。随后发动机速度反馈控制器完成的则是功率由P2到P3的转化,在等扭矩的情况下去弥补这部分转速差,使发动机的转速再次回升。这样在整个过程中就完成了发动机变功率的控制,使其输出功率与泵的吸收功率达到协调匹配。

Reasonablematchingbetweenenginesand

hydraulicpumpsforhydraulicexcavators

TANGZhen-zhou

(FujianCommunicationsTechnologyCollege,

Fuzhou350007,China)

Abstract:Throughtheworkofthehydraulicexcavatorenginefeatures,variablepumpperformancestudy,aconstantpowercontrolofbothvariablepowerthewaytheportfolio,sothattheentireenginespeedrangeofloadcanadapttochangeandmaintainthemostgoodpowerutilization.Atthesametime,sothatthehy2draulicsystemhasahightransmissionefficiency;loadtheentiredrivesystemisalsoequippedwithadaptivecapacityandbetterperformanceindicators.

Keywords:hydraulicexcavator;engine;hydraulic

pump;matchingstudy

4　采用恒功率与变功率协调控制的实验研究

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降低。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1中可以看出,采用恒功率与变功率协调控制系统

后,耗油比明显下降,经济性提高。

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