一種高效液壓功率匹配回路的設計分析

史文龍

摘 要：文章針對發(fā)動機極限載荷保護問題，在分析其實現機理的基礎上，利用以單神經元PID自適應控制為基礎的功率匹配方法，建立了基于轉差率的控制模型，當外負載變化時，控制器根據轉速感應信號較好地調整液壓泵的排量，使發(fā)動機與液壓泵基本實現功率匹配，從幾方面分析了發(fā)動機無須功率儲備即可穩(wěn)定可靠運行。

關鍵詞：極限載荷保護；單神經元；極限載荷控制；功率匹配

在高效液壓功率匹配回路的研究中，可以發(fā)現大中型工程機械液壓系統(tǒng)多采用不同形式、不同型號的變量泵代替定量泵進行循環(huán)工作，變量泵的好處是可變性和靈活性高，根據機械液壓系統(tǒng)的任何微小的改變進行自身的改變，無論是系數的大小和循環(huán)的快慢，以輔助提高大中型工程機械液壓系統(tǒng)效率和改善系統(tǒng)內部的運作性能為主要內容。另外，因為機械液壓系統(tǒng)需要更穩(wěn)定和更安全的內部環(huán)境進行功率匹配的電路回流，所以需要電壓更穩(wěn)定，功率更穩(wěn)定和匹配更穩(wěn)定的系數指數和循環(huán)效果。

隨著液壓功率匹配控制技術的不斷發(fā)展，液壓內部系統(tǒng)的電路高質量和功率高效率已經得到業(yè)界的認可和肯定。目前高效液壓功率匹配回路適應控制技術，一般是由功率系統(tǒng)和匹配系統(tǒng)進行同步運作，主要是由負載功率匹配傳感控制與流量適應控制兩部分組成。負載功率匹配傳感控制因為由于液壓泵輸出的壓力、流量與負荷所需要的壓力、流量不匹配（至少不能總是匹配），從而在系統(tǒng)的非執(zhí)行元件上造成較大的壓力、流量損失。因此，設法實現液壓泵與負載的功率匹配控制，以提高系統(tǒng)效率，是液壓系統(tǒng)節(jié)能的一種有效方法。流量適應控制是由于用液壓比例方向節(jié)流閥、減壓閥、直流直線測速傳感器等元件設計了液壓比例閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，對發(fā)動機縱向進給裝置的速度進行控制。高效液壓功率匹配回路適應控制技術融合了發(fā)動機的高性能和高效率的節(jié)能優(yōu)點，不但可以提高機械液壓動力驅動系統(tǒng)效率，還可以降低機械系統(tǒng)能耗損失，促使發(fā)動機加快技術的進一步研究開發(fā)，不斷提高自身的系數指數和循環(huán)作用。

驅動系統(tǒng)發(fā)動機在液壓系統(tǒng)節(jié)能中的一個有效應用是將高效液壓功率匹配回路的動能和位能，以壓力能和動力能的形式進行有效的回收和利用，根據系統(tǒng)的系數變化而形成連續(xù)不斷的循環(huán)效果，從而減少液壓系統(tǒng)能量損失和發(fā)熱作用。因為進行有效的回收和利用，可以幫助液壓系統(tǒng)在日后的節(jié)能工作中更好地節(jié)約成本和資源，不但可以減少浪費，還可以增加能量的轉換。而在高效液壓功率匹配回路工作時，由于各類液壓元件（變量泵、安全閥及執(zhí)行元件等）和電壓管路中存在壓力損失、容積損失和機械損失等，這些損失不但構成了高效液壓功率匹配回路的能量損失，還會導致高效液壓功率匹配回路工作效率的降低。高效液壓功率匹配回路工作效率的好壞，循環(huán)的快慢，對液壓設備的性能發(fā)揮產生著重要的影響。

在發(fā)動機整個功率工作過程中，系統(tǒng)所負載所需的壓力大小、流量多少是變化的。而系統(tǒng)的系數改變則直接影響著發(fā)動機的功率改變，要提高系統(tǒng)的工作效率就要提高發(fā)動機的功率匹配效率，必須盡可能使每個元件部分在正常的工況下進行變量泵的輸出壓力、流量輸出、負載壓力和流量輸入相匹配，較好的辦法就是采用壓力補償控制、負載傳感控制及兩者綜合作用的壓力負載傳感控制和能量轉換補償控制。顯然，消除高效液壓功率匹配回路中專用節(jié)流傳感元件的能量損失，會使液壓系統(tǒng)效率進一步提高。數控變量泵功率匹配節(jié)能系統(tǒng)，著眼于消除液壓系統(tǒng)中的溢流閥和節(jié)流閥的能量損失。

通過高效液壓功率匹配回路的研究、分析，提出發(fā)動機-變量泵-負載三者之間功率相互協調匹配的節(jié)能控制方案。將發(fā)動機、變量泵和負載作為一個動態(tài)系統(tǒng)全面研究，利用機械液壓系統(tǒng)壓力和發(fā)動機動力兩個方面來有效實現發(fā)動機與液壓泵之間的功率匹配控制和發(fā)動機的油門定位控制。另外，還可以利用改變發(fā)動機的變量數量和液壓系統(tǒng)的排量數量來進行調節(jié)系統(tǒng)內部元件運動速度的回路，稱為機械液壓系統(tǒng)容積調速回路。這種液壓系統(tǒng)容積調速回路因為具備效率高、發(fā)熱少和循環(huán)快的特點，一般適用于電壓大、功率大和匹配大設備的液壓系統(tǒng)。

大中型工程機械液壓系統(tǒng)在采用高效液壓功率匹配回路進行聯合調速中，必須對于初進速度要求的快慢進行后進速度進程的快慢，再采用限壓式變量泵節(jié)流調速回路進行分隔；針對在后進速度進程的快慢變化的情況下，配合調節(jié)初進速度要求的快慢，再采用穩(wěn)流式變量泵節(jié)流調速高效液壓功率匹配回路進行節(jié)流；對于初進速度要求的快慢和后進速度進程的快慢同步進行的情況下，機械液壓系統(tǒng)的供油壓力要求恒定情況下，一般采用恒壓變量泵節(jié)流調速高效液壓功率匹配回路進行循環(huán)。

為了有效解決大中型工程機械液壓系統(tǒng)存在的動力不足、功率不夠的不足，可以依據操作人員進行手柄位置信號的定位，而高效液壓功率匹配回路中必須有序控制變量泵輸出流量按一定的比例分配到各個負載區(qū)域，實現發(fā)動機-變量泵-負載的功率匹配。而液壓系統(tǒng)內部的運作與發(fā)動機功率匹配系統(tǒng)性能不僅受發(fā)動機、液壓元件自身性能的影響，外界的條件因素也起著影響作用，還取決于各部分元件參數之間是否達到合理的匹配程度。在閥控液壓發(fā)動機的發(fā)展過程中，液壓系統(tǒng)地經歷了節(jié)流閥控系統(tǒng)、負荷傳感（閥控）控制系統(tǒng)到泵控系統(tǒng)的過程。負荷傳感的優(yōu)點是按需要向系統(tǒng)提供流量，基本無溢流損失，降低能源消耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱，達到節(jié)能環(huán)保作用。閥控液壓發(fā)動機系統(tǒng)與閥控液壓系統(tǒng)相比較耗能更低，尤其是電子泵控系統(tǒng)與電控發(fā)動機的匹配，加入各種的參數設定，從而達到低耗能的目的。

閥控液壓發(fā)動機工作部分液壓系統(tǒng)是靠幾組差動液壓缸來驅動的，由于差動液壓缸兩腔面積不相等，在動作時，差動缸有桿腔與無桿腔所需要的油液流量也不相等，因此，要想實現用一臺液壓泵閉式直接控制差動缸回路，必須滿足液壓泵的兩個工作油口的輸出油液不相等，從而對差動缸兩腔的流量進行補償。將發(fā)動機、變量泵、多路閥和負載作為一個整體，采用協調控制策略，準確地對發(fā)動機-泵和泵-負載環(huán)節(jié)的功率進行協調，提高了系統(tǒng)功率利用率，減少了系統(tǒng)能量損失；設計了閥控液壓發(fā)動機直線行走同步控制回路。閥控液壓發(fā)動機功率匹配控制系統(tǒng)，是以變量泵的工作壓力為依據，通過微機的計算可實現自動。但是由于閥控液壓系統(tǒng)本身存在的不可避免的節(jié)流損失問題，在增大系統(tǒng)裝機功率的同時，導致閥控液壓發(fā)動機出現燃油使用量大、耗油高、排放差、液壓系統(tǒng)發(fā)熱量大、效率低等問題。

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