挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)控制性能分析?

李叢山

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

0 引言

從近幾年工程機(jī)械的發(fā)展來(lái)看，挖掘機(jī)的發(fā)展相對(duì)較快，已經(jīng)成為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一。目前挖掘機(jī)基本采用了液壓傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)工作裝置和行走裝置進(jìn)行工作。在整個(gè)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中，不但工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)是液壓傳動(dòng)，甚至大部分液壓系統(tǒng)的控制也是由液壓實(shí)現(xiàn)的，如液壓泵的控制系統(tǒng)、液壓閥的控制系統(tǒng)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全控制系統(tǒng)等。

液壓系統(tǒng)所傳遞的功率表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)的工作壓力和有效流量，液壓系統(tǒng)的控制實(shí)際上可劃分為壓力和流量?jī)煞N控制方式。當(dāng)液壓挖掘機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其輸出功率通過液壓泵轉(zhuǎn)化為液壓能，液壓能傳遞和轉(zhuǎn)換為機(jī)械能后，通過動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等裝置對(duì)外界負(fù)載進(jìn)行工作，挖掘機(jī)液壓和控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)壓力決定于挖掘機(jī)所遇到的負(fù)載，從經(jīng)典控制理論的角度來(lái)分析，液壓系統(tǒng)的壓力是系統(tǒng)對(duì)外輸入的響應(yīng)，是不取決于系統(tǒng)本身的參數(shù)。而液壓系統(tǒng)的流量不是外界施加的參數(shù)，只能間接受外負(fù)載的影響。由此可知，不能通過控制系統(tǒng)壓力來(lái)控制系統(tǒng)的功率，而只能通過控制系統(tǒng)的流量來(lái)控制系統(tǒng)的功率。

1 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)流量控制機(jī)理分析

液壓系統(tǒng)的流量由液壓泵產(chǎn)生，由液壓閥傳遞和控制，由此可見，液壓系統(tǒng)可分為泵控液壓系統(tǒng)和閥控液壓系統(tǒng)。液壓泵的理論流量計(jì)算公式為：

其中：Qb為液壓泵流量，L／min；Ne為液壓泵輸入轉(zhuǎn)速，r／min；Vb為液壓泵排量，L／r。

由式（1）可見，改變液壓泵的轉(zhuǎn)速和排量都可以改變其流量，進(jìn)而改變執(zhí)行元件的速度。挖掘機(jī)在工作過程中，一般要求柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和功率穩(wěn)定在某個(gè)設(shè)定值附近，所以，在對(duì)液壓泵的流量進(jìn)行控制時(shí)，可以忽略挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速的小范圍波動(dòng)，而假定液壓泵輸入轉(zhuǎn)速是固定不變的。因此，控制液壓泵輸出流量的方式是控制其排量的大小。

液壓閥主要對(duì)液壓泵輸出的流量進(jìn)行分配和調(diào)整。液壓閥的流量計(jì)算公式為：

其中：Qf為液壓閥的流量，L／min；Cq為流量系數(shù)；A為液壓閥的開度；Δp為液壓閥上的壓降，MPa；ρ液壓油的密度。

由式（2）可見，液壓閥的流量主要由液壓閥的開度A和閥上的壓降Δp兩個(gè)變量決定。由于液壓系統(tǒng)的壓力大小是由外負(fù)載決定的，而外負(fù)載往往是不可預(yù)知的，因此，對(duì)液壓閥的流量控制主要通過控制其開口A來(lái)實(shí)現(xiàn)。即通過PWM電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵推動(dòng)閥芯產(chǎn)生一個(gè)位移，閥芯位移對(duì)應(yīng)一個(gè)閥的開口A，從而得到液壓閥的輸出流量。

由前述分析可知，液壓系統(tǒng)的流量控制分為泵控和閥控兩種方式，二者各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。泵控方式能量損失小，節(jié)能性好，對(duì)于大功率工程機(jī)械的節(jié)能降耗有很大意義，但其調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，因?yàn)楦淖円簤罕玫呐帕啃枰欢ǖ臅r(shí)間，一般是幾百毫秒；而閥控系統(tǒng)響應(yīng)速度快，一般只需幾十毫秒即可，因?yàn)橐簤洪y對(duì)流量的調(diào)節(jié)是通過改變閥芯的同流面積實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較小，動(dòng)作很快，但其經(jīng)濟(jì)性不好，因?yàn)殚y控方式的本質(zhì)不是改變總流量的大小，而是從總流量中獲取一部分來(lái)工作，其余的部分全部回到油箱，這部分流量所承載的功率全部浪費(fèi)了。

液壓系統(tǒng)的兩種流量控制方式各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，又優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此，目前主流的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的技術(shù)路線都是通過集成這兩種流量控制方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除這兩種控制方式的缺點(diǎn)，形成一種混合的流量控制方式，比如目前在中噸位挖掘機(jī)上廣泛使用的負(fù)流量控制方式和正流量控制方式、在小噸位挖掘機(jī)上大量使用的負(fù)載敏感控制方式、在大噸位挖掘機(jī)上使用的節(jié)流調(diào)速控制方式等。

2 負(fù)流量液壓系統(tǒng)控制性能分析

日本川崎公司開發(fā)的負(fù)流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖如圖1 所示。系統(tǒng)主要元件包括變量液壓泵、比例多路閥、液壓執(zhí)行元件、液壓控制回路、液壓操縱元件和系統(tǒng)等。其中，液壓泵是流量提供元件，其輸出的流量經(jīng)過液壓比例閥的分配和調(diào)整后，進(jìn)入液壓油缸進(jìn)行工作。其技術(shù)的關(guān)鍵是，液壓閥上具有一套流量檢測(cè)和轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)液壓泵與液壓閥之間的流量供需匹配關(guān)系，當(dāng)液壓泵與液壓閥的流量關(guān)系為供大于求時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把液壓泵的排量關(guān)?。划?dāng)液壓泵與液壓閥的流量關(guān)系為供小于求時(shí)，該系統(tǒng)又會(huì)自動(dòng)把液壓泵的排量開大。從經(jīng)典控制理論的角度來(lái)看，這套流量控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的流量是控制量，而外負(fù)載是對(duì)流量的干擾。

圖1 負(fù)流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖

由上述的原理分析可以發(fā)現(xiàn)，操作人員并不能直接控制液壓系統(tǒng)的流量發(fā)生元件——液壓泵，而是控制液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和分配元件——液壓閥，再通過液壓閥來(lái)間接控制液壓泵，由于液壓閥對(duì)液壓泵的排量控制信號(hào)是負(fù)反饋信號(hào)，因此這套系統(tǒng)命名為負(fù)流量控制系統(tǒng)。

負(fù)流量控制系統(tǒng)目前得到了廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)相對(duì)原來(lái)的單純泵控調(diào)速系統(tǒng)或單純的閥控調(diào)速系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但該系統(tǒng)也有缺點(diǎn)。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展和挖掘機(jī)作業(yè)要求的提高，負(fù)流量系統(tǒng)的缺點(diǎn)也日益凸顯，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)響應(yīng)遲緩、液壓泵的壽命和可靠性不高、在有些工況下挖掘機(jī)容易發(fā)生動(dòng)作振蕩。負(fù)流量系統(tǒng)是一種負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大，控制信號(hào)在系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)之間傳遞需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的操控性不高，響應(yīng)速度較低。一般來(lái)講，液壓泵與液壓閥總是不能達(dá)到供需平衡，不是供大于求就是供小于求，所以，液壓泵的排量總是在不斷調(diào)節(jié)之中，如此加大了液壓泵排量機(jī)構(gòu)的磨損，降低了使用壽命和可靠性。由于負(fù)反饋系統(tǒng)的物理延時(shí)，在周期操作信號(hào)的輸入下，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率與系統(tǒng)的固有頻率基本重合時(shí)，操作信號(hào)與油缸的動(dòng)作信號(hào)的相位差接近180°，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩失穩(wěn)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，甚至?xí)l(fā)生故障。

3 正流量液壓系統(tǒng)的控制性能分析

針對(duì)負(fù)流量系統(tǒng)的諸多缺陷，國(guó)外主要挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)制造商如川崎、力士樂等公司又開發(fā)了正流量液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理示意圖如圖2 所示。系統(tǒng)主要元件包括變量液壓泵、比例多路閥、液壓執(zhí)行元件、液壓操縱元件和系統(tǒng)等。

圖2 正流量控制系統(tǒng)液壓原理示意圖

正流量系統(tǒng)的技術(shù)路線擯棄了負(fù)流量系統(tǒng)的反饋控制方式，而是采用更加簡(jiǎn)單可靠的開環(huán)控制，把液壓泵的控制與液壓閥的控制分開，即操作手柄的控制信號(hào)分別直接控制液壓泵的排量和液壓閥的流量，可通過計(jì)算和試驗(yàn)的方式，實(shí)現(xiàn)兩條開環(huán)上的流量特性匹配和延時(shí)特性匹配。

正流量系統(tǒng)克服了原有負(fù)流量系統(tǒng)的3個(gè)主要缺點(diǎn)，這也是正流量系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)。但其主要缺陷是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度受負(fù)載的影響較大，當(dāng)外界負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，該特性會(huì)影響操作人員的手感。

所謂負(fù)載對(duì)挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度的影響，其實(shí)是在發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)功率基本穩(wěn)定的條件下，液壓系統(tǒng)壓力隨著外負(fù)載的變化而變化的同時(shí)，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的流量也隨之變化，流量的變化體現(xiàn)為挖掘機(jī)速度的變化。此時(shí)，操作人員會(huì)感覺到挖掘機(jī)不夠“硬”，但是也要看到這種特性的好處，即這種特性可以讓操作人員感知到外界負(fù)載的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

負(fù)流量系統(tǒng)大大提高了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，而正流量系統(tǒng)改善了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操控性，負(fù)流量系統(tǒng)仍然有其存在的技術(shù)價(jià)值，在大部分工況下，仍然能夠高效穩(wěn)定地工作，正流量系統(tǒng)是在負(fù)流量系統(tǒng)上的改進(jìn)。后續(xù)繼續(xù)改進(jìn)的方向是提高液壓執(zhí)行元件的速度對(duì)負(fù)載變化的敏感程度，提高系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性。

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