工程機(jī)械液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)淺析

【摘 要】本文介紹了工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的動(dòng)力匹配問(wèn)題及控制技術(shù)的分析，分別從單泵恒功率控制技術(shù)和雙泵恒功率控制技術(shù)出發(fā)，主要介紹了雙泵恒功率控制技術(shù)的分功率技術(shù)、交叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)、負(fù)反饋交叉?zhèn)鞲泄β始夹g(shù)。然后著重介紹了計(jì)算機(jī)控制功率優(yōu)化控制技術(shù)。并提出了當(dāng)前工程機(jī)械液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配控制技術(shù)存在的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】恒功率；控制技術(shù)；計(jì)算機(jī)

工程液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)在國(guó)外起步較早，發(fā)展較快，新成果、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，很多技術(shù)在國(guó)外使用后，很快進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)由引進(jìn)和模仿?tīng)顟B(tài)，對(duì)相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)。

一、單泵恒功率控制技術(shù)

在單泵控制系統(tǒng)中，通過(guò)變量控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技術(shù)中，通過(guò)對(duì)變量機(jī)構(gòu)二根彈簧彈力的不同設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵輸出流量的控制，其工作曲線為折線，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到第一根彈簧設(shè)定力后，變量泵排量開(kāi)始減小。當(dāng)系統(tǒng)壓力克服第二根彈簧設(shè)定力后，變量泵變量曲線斜度變化。通過(guò)以上控制，使其變量曲線上乘積的離散值趨近于常數(shù)。通過(guò)以上控制大大提高發(fā)了動(dòng)機(jī)功率的利用系數(shù)，又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而產(chǎn)生熄火。在力士樂(lè)公司開(kāi)發(fā)的恒功率控制技術(shù)中，通過(guò)杠桿原理對(duì)變量控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改良，使其功率曲線近似為反比例曲線，功率利用系數(shù)更高。

二、雙泵恒功率控制技術(shù)

在雙泵或多泵系統(tǒng)中，由于存在多泵之間功率分配的技術(shù)難題，如何使發(fā)動(dòng)機(jī)功率合理地分配到各泵之中，使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，都能盡可能發(fā)揮其最大效能，最大程度發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)功率。目前，在這方面控制技術(shù)中，有不同組合形式。

（一）分功率技術(shù)。分功率控制是根據(jù)各泵所負(fù)責(zé)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際需用功率將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率按一定比例分配給各泵，在分功率控制中，每個(gè)泵均有其獨(dú)立的變量控制機(jī)構(gòu)，使其負(fù)責(zé)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在其預(yù)先設(shè)定的工作曲線上工作。但分功率控制存在最大的缺點(diǎn)是不能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，當(dāng)某一個(gè)泵因某種情況不需要其工作時(shí)，其功率不能給另一個(gè)泵使用而白白浪費(fèi)掉，因此極易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，無(wú)法滿足大型工程機(jī)械的使用要求。

（二）交叉?zhèn)鞲屑夹g(shù)。交叉?zhèn)鞲锌刂葡到y(tǒng)是日本公司于80年代中期在總功率控制和分功率控制的基礎(chǔ)上研制出的一種新型功率控制技術(shù)。它是在分功率控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)將兩個(gè)泵工作壓力互相交叉控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)泵具有各自的變量機(jī)構(gòu)，因此其流量可以不同，但同時(shí)當(dāng)其中一個(gè)泵的功率利用系數(shù)少于總功率的50%時(shí)，其多余功率將被另一個(gè)泵利用，當(dāng)兩個(gè)泵的功率利用系數(shù)都達(dá)到50%時(shí)，兩個(gè)泵每個(gè)都利用50%，交叉?zhèn)鞲锌刂萍夹g(shù)集中了總功率控制和分功率控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又摒棄他們的缺點(diǎn)，是一個(gè)較為理想的功率控制系統(tǒng)。但其缺點(diǎn)是仍不能全部利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而且功率分配在多執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同工作且工作速度不同時(shí)仍顯不合理，尤其是當(dāng)某一個(gè)泵所負(fù)責(zé)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作速度調(diào)至很低，而因工作負(fù)載較大時(shí)，由于交叉?zhèn)鞲幸褜毫Ψ答佉粋€(gè)泵，這時(shí)另一個(gè)泵只能利用最多50%功率，而第一個(gè)泵卻也沒(méi)用完50%，顯然在這種工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用系數(shù)仍然偏低。

（三）負(fù)反饋交叉?zhèn)鞲泄β始夹g(shù)。交叉?zhèn)鞲锌刂萍夹g(shù)雖然在某種程度最大限度地利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，但其只限于兩個(gè)主泵之間。而對(duì)于多泵控制系統(tǒng)，由于每個(gè)泵并不同時(shí)處于工作狀態(tài)，或者雖然每個(gè)泵都處于工作狀態(tài)，但并不同時(shí)以最大排量或最大壓力點(diǎn)工作，這樣還是無(wú)法準(zhǔn)確確定變量泵的實(shí)際應(yīng)輸出功率，易造成功率設(shè)定超載或過(guò)于保守。

三、計(jì)算機(jī)控制功率優(yōu)化控制技術(shù)

傳統(tǒng)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)采用了很多方法，雖然取得了不少效果，但都未能從根本上解決問(wèn)題。但隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，90 年代以來(lái)，國(guó)外很多公司將計(jì)算機(jī)技術(shù)成功地應(yīng)用到動(dòng)力匹配及控制技術(shù)中，取得了良好的效果。傳統(tǒng)的恒功率控制中，控制系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配非常保守，油泵的輸出扭矩要遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩，且當(dāng)柴油機(jī)性能下降時(shí)，易使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致熄火。

浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新建的節(jié)能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用的是計(jì)算機(jī)功率優(yōu)化控制系統(tǒng)。它設(shè)有多種工作選擇模式和怠速模式，用戶可按負(fù)載大小和實(shí)際工作需要進(jìn)行選擇，每一個(gè)工作模式對(duì)應(yīng)于一定的油門位置。當(dāng)設(shè)定好一定的工作模式后，電腦向步時(shí)電機(jī)發(fā)出輸出指令，給定一個(gè)油門開(kāi)度，同時(shí)控制系統(tǒng)可根據(jù)工作模式，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中查出該油門開(kāi)度下的柴油機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。同時(shí)該系統(tǒng)還有一個(gè)輸出模式選擇，即最大功率模式和最節(jié)省燃油模式。在設(shè)定了功率模式和輸出模式后，通過(guò)檢測(cè)柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速的變化對(duì)油門和主泵排量進(jìn)行電比例無(wú)級(jí)控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于柴油機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。

在混凝土泵車行業(yè)，目前三一重工開(kāi)發(fā)出的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制裝置，該裝置利用PLC中的PID控制指令對(duì)柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，該控制系統(tǒng)有效地減小了發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速在液壓系統(tǒng)輸出功率加大后造成的波動(dòng)，使控制系統(tǒng)在不同負(fù)荷下，都能維持同一工作轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的使用提高了整機(jī)的輸出功率和工作效率，使柴油機(jī)在較低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而產(chǎn)生掉速或熄火現(xiàn)象，因此使液壓系統(tǒng)和柴油機(jī)之間的匹配得以優(yōu)化。但該控制系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，在系統(tǒng)超載而產(chǎn)生柴油機(jī)失速后，只是通過(guò)加大油門開(kāi)度而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的恒定，而系統(tǒng)中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油泵排量的控制，因此該控制系統(tǒng)并沒(méi)有真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)液壓系統(tǒng)和柴油機(jī)之間的最佳匹配和控制，而且當(dāng)系統(tǒng)在較高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，控制效果并不理想。計(jì)算機(jī)功率優(yōu)化控制技術(shù)的出現(xiàn)，不但使柴油機(jī)和匹配實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，還使液壓系統(tǒng)更趨于簡(jiǎn)單化。

四、當(dāng)前存在的主要問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)的研究還不夠，很多技術(shù)的核心還集中在國(guó)外專業(yè)公司手中，缺乏自主創(chuàng)新能力，無(wú)法對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行必要的改進(jìn)和提高。液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立較為復(fù)雜，很多研究還集中在定性方面，缺乏理論計(jì)算基礎(chǔ)。液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)的研究需要研究者在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，液壓系統(tǒng)控制技術(shù)，電氣控制（主要涉及PLC控制領(lǐng)域）方面都有全面的理解，對(duì)三者進(jìn)行有效接口，拿出系統(tǒng)控制方案，因此研究難度較大。缺乏必要的測(cè)試手段，液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配及控制技術(shù)的研究在系統(tǒng)編程及調(diào)試過(guò)程中，需要采集很多輸入輸出實(shí)踐數(shù)據(jù)，和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，但目前在測(cè)試手段還很缺乏。很多研究成果還是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的，只是一種理論成果，并未經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室往往無(wú)法完全模仿出實(shí)際工作狀況。

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[2]路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2002。

作者簡(jiǎn)介：

黎茂佳（1983，10，04--），男，貴州遵義人，助理工程師，從事機(jī)械液壓相關(guān)工作研究。