電控正流量挖掘機(jī)分工況功率匹配研究

樊一寧，杜常清，鄒斌，徐玉兵

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

0 前言

挖掘設(shè)備是工程施工的主要機(jī)械裝備之一，廣泛應(yīng)用于礦山挖掘、交通運(yùn)輸、道路建設(shè)等機(jī)械化施工中[1]。但在能量傳遞的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與挖掘機(jī)輸出的有效功率并不相等，大部分功率被消耗，包括節(jié)流損失、溢流損失、沿程損失、勢能損失以及功率不匹配導(dǎo)致的能量損耗，其中大部分功率消耗在了液壓系統(tǒng)的各元件中[2]。

挖掘機(jī)的流量控制方式有負(fù)流量控制、正流量控制以及負(fù)載敏感控制。負(fù)流量系統(tǒng)仍然無法從根本上解決挖掘機(jī)外負(fù)載劇烈變動(dòng)的問題，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)頻繁波動(dòng)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率[3]，因此文中選用正流量控制方式。

國內(nèi)挖掘機(jī)廠商由于技術(shù)相對(duì)滯后，大多采用成本較低、結(jié)構(gòu)較簡單的負(fù)流量控制液壓挖掘機(jī)，然而近些年，國內(nèi)廠商逐漸研究性能更好的正流量控制方式，但技術(shù)相對(duì)不是很成熟[4]。針對(duì)于國內(nèi)挖掘機(jī)的發(fā)展方向，許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。青島大學(xué)丁波[5]建立了正流量恒功率泵模型，分析了恒功率特性，驗(yàn)證了模型的可行性；燕山大學(xué)王維福[6]以正流量挖掘機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)挖掘機(jī)正流量液壓系統(tǒng)壓力損失進(jìn)行了分析，改進(jìn)多路閥合流方式，降低了能量損耗。但是關(guān)于正流量控制系統(tǒng)的研究仍然存在許多問題，如針對(duì)雙泵的功率匹配研究較少、恒功率控制特性差、系統(tǒng)震動(dòng)問題嚴(yán)重等。

針對(duì)目前電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)研究較少、空載時(shí)能量損失較大、發(fā)動(dòng)機(jī)與主泵功率不匹配以及節(jié)能控制效果不佳的問題，本文作者以某公司大型挖掘機(jī)為研究對(duì)象，搭建基于AMESim和Simulink的挖掘機(jī)電液系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺(tái)，通過分工況功率匹配仿真實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證所搭建的電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)的有效性。

1 正流量挖掘機(jī)分工況功率匹配研究

1.1 電控正流量系統(tǒng)原理分析

正流量挖掘機(jī)在反饋速度及節(jié)能效果上表現(xiàn)突出。電控正流量變量泵增加了2個(gè)電磁比例閥，可以在控制器中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行控制算法處理，以改變變量泵排量，實(shí)現(xiàn)對(duì)主泵的恒功率控制[7]。表1對(duì)比了3種挖掘機(jī)流量控制方式，從節(jié)能等7個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 正負(fù)流量特性對(duì)比

由表1可知，正流量系統(tǒng)性能優(yōu)越，文中所研究的挖掘機(jī)控制系統(tǒng)采用的電液伺服系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

圖1 電液比例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 分工況控制分析

挖掘機(jī)的實(shí)時(shí)工況十分復(fù)雜，為了保證在應(yīng)對(duì)不同工況時(shí)挖掘機(jī)可以采用不同的功率模式以降低能耗，采用分工況功率匹配的方式來適應(yīng)不同的作業(yè)要求。

文中研究的挖掘機(jī)按照所需功率不同可以分為重負(fù)荷作業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式以及普通作業(yè)模式。重負(fù)荷作業(yè)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于全油門工況，發(fā)動(dòng)機(jī)工作于外特性曲線上，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出該轉(zhuǎn)速下的最大功率。標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式適用于挖掘機(jī)正常工況，該模式發(fā)動(dòng)機(jī)處于全油門的90%，在提供較大功率的同時(shí)，可以節(jié)省燃油。普通作業(yè)模式，該模式發(fā)動(dòng)機(jī)處于全油門的80%，更加注重經(jīng)濟(jì)性，對(duì)需求功率和燃油消耗率的要求不高，挖機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。文中研究挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩曲線和轉(zhuǎn)速功率曲線如圖2、3所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-扭矩 圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-功率

實(shí)車試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)擋位通過旋鈕調(diào)節(jié)，共10個(gè)擋位，通過對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)油門的噴油量與目標(biāo)轉(zhuǎn)速噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)可以在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下工作。不同工況模式可以在儀表盤上進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間無動(dòng)作時(shí)將進(jìn)入怠速模式，也可人工調(diào)節(jié)，由圖4中“烏龜”及“兔子”顯示。

圖4 挖掘機(jī)控制界面

2 基于AMESim的正流量系統(tǒng)建模

文中選用AMESim作為仿真分析的軟件。AMESim的建模仿真過程基本可以分為4步：建立草圖、子模型選擇、參數(shù)設(shè)置和求解[8]。

模型主要包括液壓泵組、多路閥組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模。根據(jù)研究車型的液壓原理，運(yùn)用AMESim進(jìn)行建模，如圖5所示。

圖5 全電控正流量液壓泵組

2.1 三位六通換向閥

三位六通換向閥的原理如圖6所示。A、B口連接油缸的大腔和小腔，P、D口負(fù)責(zé)連接主泵，T口直接連接接回油路，C口負(fù)責(zé)連接下一主閥的P口。當(dāng)換向閥的閥芯位于中位時(shí)，液壓油直接從D口流入，通過C口流回油箱。當(dāng)先導(dǎo)壓力存在時(shí)，換向閥接收到先導(dǎo)信號(hào)后切換至左位或右位，進(jìn)一步分配流量。

圖6 三位六通換向閥原理

2.2 電控正流量泵

電控正流量液壓泵主要由2個(gè)變量液壓泵、1個(gè)先導(dǎo)泵、1個(gè)電磁比例閥以及變量機(jī)構(gòu)組成[5]。在AMESim軟件中建立圖7所示的電控正流量泵元件級(jí)模型。

圖7 電控正流量液壓泵AMESim模型

2.3 模型組成

通過對(duì)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗液壓缸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表2所示，在AMESim中建立圖8所示的液壓模型。

圖8 AMESim被控對(duì)象模型

表2 液壓元件參數(shù)設(shè)置單位：mm

3 基于Simulink的控制策略建模

基于MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，在Simulink下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境，在各個(gè)工程領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用[9]。

在Simulink中基于Stateflow搭建電控正流量挖掘機(jī)系統(tǒng)模型，主要分為輸入信號(hào)處理、轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制、控制對(duì)象狀態(tài)判斷、電磁閥流量分配以及雙泵排量信號(hào)處理5個(gè)模塊。通過聯(lián)合仿真，驗(yàn)證控制策略的有效性?？刂撇呗匀鐖D9—11所示?？刂屏鞒倘鐖D12所示。

圖9 輸入信號(hào)處理及轉(zhuǎn)速感應(yīng)模塊

圖10 控制對(duì)象狀態(tài)判斷及電磁閥流量分配模塊

圖11 雙泵排量信號(hào)處理模塊

圖12 控制流程

3.1 輸入信號(hào)處理模塊

輸入信號(hào)處理模塊中，手柄信號(hào)即輸入信號(hào)。通過采集手柄先導(dǎo)信號(hào)，為防止輸出信號(hào)在2種信號(hào)之間變化過于頻繁，對(duì)手柄信號(hào)設(shè)置±0.5的死區(qū)，設(shè)計(jì)一階低通濾波器處理濾波，去除信號(hào)中的噪聲。接收x、y方向上在內(nèi)的共6個(gè)手柄先導(dǎo)信號(hào)、液壓泵出口壓力信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和挖掘機(jī)啟停開關(guān)信號(hào)。通過CAN解析后，結(jié)合查表模塊得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求流量[10]。

文中采用最通用的一階低通濾波器，其數(shù)學(xué)模式如式(1)所示：

Yn=qXn+(1-q)Yn-1

(1)

式中：q為濾波器的時(shí)間常數(shù)，取q=0.15；Xn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸入；Yn為第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。

3.2 轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制模塊

轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制模塊通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，將差值發(fā)送到工作區(qū)間，為后續(xù)電磁閥流量分配和開度信號(hào)提供目標(biāo)值。同時(shí)在分工況控制模式中，需要提供目標(biāo)轉(zhuǎn)速及其噴油量，以便通過噴油量的變化使發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下工作。

3.3 控制對(duì)象狀態(tài)判斷模塊

控制對(duì)象狀態(tài)判斷模塊的總體目標(biāo)是根據(jù)工作裝置的需求量信號(hào)，采集各執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及鑰匙的控制狀態(tài)，從而判斷液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，給出狀態(tài)信號(hào)。圖13、14分別為狀態(tài)判斷模塊控制流程以及判斷鏟斗狀態(tài)的Stateflow模塊。

圖13 狀態(tài)判斷模塊控制流程

圖14 鏟斗狀態(tài)判斷模塊

3.4 電磁閥流量分配模塊

電磁閥流量分配模塊總體目標(biāo)是根據(jù)上2個(gè)模塊輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信號(hào)和需求流量，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及變量泵出口壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程，輸出各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向閥開度、合流信號(hào)以及p1、p2側(cè)油路需求總流量。該模塊流程如圖15所示。

圖15 流量分配模塊控制流程

控制策略模塊整體結(jié)構(gòu)如圖16所示。在該子模塊中，首先是根據(jù)泵控制曲線的I-Q曲線，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的動(dòng)臂/斗桿合流的流量閾值，然后對(duì)動(dòng)臂、斗桿進(jìn)行主副閥流量分配，并將工作裝置的輸入信號(hào)進(jìn)行整合，結(jié)合狀態(tài)信號(hào)，通過Stateflow邏輯模塊輸出相關(guān)的控制閥開度、合流信號(hào)以及流量信號(hào)。

圖16 電磁閥流量分配控制策略模型

由于模型是雙變量泵工作，因此，為了提高工作效率，在挖掘機(jī)單動(dòng)作時(shí)有一套獨(dú)立的供油規(guī)則，如表3所示。邏輯模塊內(nèi)部如圖17所示。

圖17 流量分配函數(shù)模塊

圖18 動(dòng)臂動(dòng)作主副閥流量分配

表3 單動(dòng)作供油策略

液壓油先經(jīng)過多路閥，之后進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸，閥口開度與經(jīng)過多路閥的液壓油流量有關(guān)，流量特性如式(2)所示：

(2)

式中：C為流量系數(shù)；ρ為液壓油密度；A為多路閥閥口開度；Q為流經(jīng)閥口的流量，即相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求流量；Δp為流過控制閥的液壓油前后壓力差，可由主閥參數(shù)表中的壓降數(shù)據(jù)計(jì)算得到。即可根據(jù)式(2)得到多路閥開度信號(hào)。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配的目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩充分被液壓泵吸收。恒功率泵通過調(diào)節(jié)排量對(duì)泵的功率進(jìn)行控制，使穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩為一個(gè)定值。 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率應(yīng)被泵完全吸收，即發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率應(yīng)與泵的吸收功率相等，如式(3)所示：

Ne=Np

(3)

式中：p1、p2、q1、q2分別為主泵1和主泵2的液壓油出口壓力和液壓油排量。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵處于同一軸，因此滿足式中ne=np，在此前提下，如果要使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率損失最小，理論上則應(yīng)該滿足變量泵的吸收扭矩Mp實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩Me。主泵的出口壓力只由受到的外負(fù)載決定，因此在實(shí)際工況中，要求控制器可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)變量泵的排量。

3.6 泵恒功率控制

在發(fā)動(dòng)機(jī)-泵的功率匹配中，大多采用恒功率控制的方式提高功率利用率。恒功率控制是一種變量泵控制方法，可以保證泵的輸出壓力與輸出流量的乘積為一定值，根據(jù)系統(tǒng)中壓力的變化，調(diào)節(jié)變量泵排量[11]。恒功率控制的難點(diǎn)在于精確恒功率控制的輸出特性，充分利用柴油機(jī)功率。傳統(tǒng)挖掘機(jī)采用分功率控制的控制方式，即雙泵都擁有一個(gè)恒功率調(diào)節(jié)器，雙泵的流量受各自所在回路壓力的影響，每個(gè)泵最多只能吸收柴油機(jī)50%的功率。當(dāng)一個(gè)泵的壓力過低時(shí)，另一個(gè)泵無法吸收多余功率，柴油機(jī)功率無法充分利用，造成極大的功率浪費(fèi)；同時(shí)因?yàn)榉止β士刂剖菍㈦p變量泵直接組合在一起，且只有在泵壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)才能充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，嚴(yán)重限制了挖掘機(jī)的工作能力，因此不采用分功率控制。文中提出的基于雙變量泵的發(fā)動(dòng)機(jī)-泵功率匹配方法采用恒功率控制，解決了分功率控制中每個(gè)泵只能吸收發(fā)動(dòng)機(jī)50%功率的問題，極大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率，使電控正流量系統(tǒng)挖掘機(jī)可以在不同工況下實(shí)現(xiàn)恒功率控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率控制，其控制框圖如圖19所示。通過比較雙泵總的需求功率與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，可以進(jìn)一步達(dá)到提高功率利用率的目的。當(dāng)雙泵總的需求功率小于發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)，泵1與泵2的輸出功率按采集到的泵出口壓力與需求流量的乘積，即雙泵的需求功率進(jìn)行輸出。當(dāng)雙泵總的需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率或者二者相同時(shí)，泵1與泵2的輸出功率全部按照發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行按比例分配，同時(shí)滿足泵1與泵2的功率需求。

圖19 恒功率控制流程

4 電控正流量挖掘機(jī)仿真分析

4.1 聯(lián)合仿真

文中采用AMESim與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真。流程如下：

在AMESim中建立SimuCosim接口，連接模型，設(shè)置模型參數(shù)；AMESim在所屬文件路徑生成可在Simulink中加載的.mex64文件；在Simulink中建立AME2SLCoSim接口，連接模型，加載.mex64文件，進(jìn)行仿真。圖20和圖21分別為在Simulink和AMESim中建立接口模塊。

圖20 Simulink聯(lián)合仿真模塊

圖21 AMESim聯(lián)合仿真模塊

進(jìn)行單動(dòng)作仿真時(shí)，控制手柄信號(hào)觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的響應(yīng)情況[12]。表2中列舉了液壓元件的參數(shù)設(shè)置，除此之外的液壓元件均采用默認(rèn)參數(shù)。圖22—24為各動(dòng)作仿真曲線。

圖22 動(dòng)臂油缸仿真曲線

4.2 單動(dòng)作仿真

挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)可拆分成7個(gè)基礎(chǔ)動(dòng)作：動(dòng)臂提升下降、斗桿內(nèi)收外擺、鏟斗挖掘卸載、回轉(zhuǎn)左右回轉(zhuǎn)。增加負(fù)載后開始仿真。文中以動(dòng)臂提升下降仿真曲線為例，研究所建模型系統(tǒng)的輸出特性。

如圖22所示，動(dòng)臂油缸在仿真開始階段處于位移為0位置，活塞桿全部縮回。t=1 s時(shí)，給出先導(dǎo)壓力，閥芯位移，活塞桿移動(dòng)。動(dòng)臂油缸大腔和小腔壓力急速上升，在短暫的系統(tǒng)震蕩后，在t=1.4 s處壓力趨于穩(wěn)定。在t=3.2 s時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置，動(dòng)臂油缸大腔壓力快速上升到最大壓力，小腔壓力快速下降，由于中間沒有給出先導(dǎo)壓力，大小腔壓力基本不變。當(dāng)t=5.5 s時(shí)，先導(dǎo)壓力使換向閥打開，活塞桿下降，動(dòng)臂靠自身重力快速下降，因此下降時(shí)的缸內(nèi)壓力低于提升時(shí)的缸內(nèi)壓力。到t=7.5 s時(shí)，動(dòng)臂油缸活塞移動(dòng)完畢，關(guān)閉換向閥，動(dòng)臂油缸大腔壓力迅速降低，基本趨向于0。

斗桿油缸、鏟斗油缸仿真曲線分別如圖23—24所示。經(jīng)過分析，動(dòng)臂、斗桿和鏟斗機(jī)構(gòu)的仿真特性符合預(yù)期。

圖23 斗桿油缸仿真曲線

圖24 鏟斗油缸仿真曲線

4.3 泵恒功率控制算法對(duì)比

通過仿真分析對(duì)比2種泵恒功率控制算法：(1)傳統(tǒng)的分功率控制；(2)文中改進(jìn)的恒功率控制。按動(dòng)臂提升單動(dòng)作為例，工作區(qū)間1～3 s，設(shè)置最大功率為128 kW，仿真曲線如圖25所示。

圖25 改進(jìn)泵控制曲線

由圖25得出：在分功率控制下，雙泵功率平均分配，泵1功率為64 kW，泵2吸收30 kW，超過30 kW的功率無法被有效利用，造成嚴(yán)重的功率浪費(fèi)；在改進(jìn)恒功率控制下，可以滿足泵1的功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到充分利用，符合性能要求。

5 電控正流量挖掘機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通過以上仿真測試驗(yàn)證了搭建的電控正流量系統(tǒng)的有效性，之后進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)驗(yàn)證分工況功率匹配特性。圖26是測試用機(jī)型。

圖26 實(shí)驗(yàn)機(jī)型

5.2 分工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中，改變工況模式的同時(shí)采用復(fù)合動(dòng)作測試，測試開始時(shí)，鏟斗尖接觸地面。如圖27所示，給手柄先導(dǎo)信號(hào)，動(dòng)臂開始提升，雙泵壓力在提升的過程中存在系統(tǒng)震蕩，開始時(shí)存在一定的壓力波動(dòng)。在動(dòng)臂到達(dá)一定高度之后，8～10 s存在短暫的懸停時(shí)間，10 s時(shí)，開始操作斗桿外擺和鏟斗卸載，14 s左右操作動(dòng)臂下降一定高度，18 s左右開始操作斗桿內(nèi)收和鏟斗挖掘，一共4個(gè)階段。

圖27 主泵出口壓力曲線

如圖28、29所示，由雙泵的出口流量曲線可以得出：選擇不同模式，增加油門開度時(shí)，泵的出口流量加大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增大，泵的吸收功率同時(shí)增大。主泵的輸出功率曲線在不同的工況模式下整體走勢較為平緩，達(dá)到了泵的恒功率控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率控制。

圖28 主泵1實(shí)驗(yàn)曲線

圖29 主泵2實(shí)驗(yàn)曲線

6 結(jié)論

文中以某大型挖掘機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于AMESim和Simulink建立了聯(lián)合仿真平臺(tái)，搭建了電控挖掘機(jī)系統(tǒng)，提出了一種雙變量泵的發(fā)動(dòng)機(jī)-泵恒功率控制方法，通過對(duì)挖掘機(jī)單動(dòng)作的仿真驗(yàn)證了模型的有效性。在實(shí)車實(shí)驗(yàn)中，采集了不同工況模式下挖機(jī)復(fù)合動(dòng)作的雙泵出口壓力、出口流量以及輸出功率，得到實(shí)驗(yàn)曲線。結(jié)果表明：文中所設(shè)計(jì)的仿真模型以及功率匹配策略表現(xiàn)良好，仿真和實(shí)驗(yàn)中，在不同的工況模式均可以保證泵的恒功率特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率控制。