陳欠根， 吳偉勝， 劉文國， 張新海

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100）

挖掘機(jī)正流量系統(tǒng)泵控信號的研究

陳欠根1，2， 吳偉勝1， 劉文國1， 張新海2

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100）

文章針對挖掘機(jī)液控正流量控制系統(tǒng)泵排量調(diào)節(jié)控制存在的不精確性及無法實現(xiàn)系統(tǒng)油液實時準(zhǔn)確供給問題，設(shè)計了一種新型正流量系統(tǒng)泵控信號生成系統(tǒng)；以液控正流量挖掘機(jī)（HPC）泵控系統(tǒng)為研究對象，在AMESim環(huán)境中建立原有梭閥組泵控系統(tǒng)及新型泵控信號生成系統(tǒng)模型，基于實驗數(shù)據(jù)，通過AMES－im仿真分析，得到新型泵控信號生成系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能。結(jié)果表明，新型泵控信號生成系統(tǒng)能使泵排量的調(diào)節(jié)綜合考慮所有動作先導(dǎo)信號，實現(xiàn)泵排量實時精確調(diào)節(jié)控制，具有動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。

液壓挖掘機(jī)；正流量控制；梭閥組；泵控信號；AMESim仿真

液壓系統(tǒng)是挖掘機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計與改進(jìn)對挖掘機(jī)性能的提升及充分發(fā)揮具有極其重要的意義。在當(dāng)前主流液壓系統(tǒng)中，正流量系統(tǒng)在響應(yīng)性、節(jié)能性及操作敏感性等方面都比負(fù)流量控制系統(tǒng)更為優(yōu)越［1］。但液控正流量控制系統(tǒng)中采用梭閥組提供系統(tǒng)主泵排量調(diào)節(jié)控制信號，這一結(jié)構(gòu)雖較好的解決了主泵響應(yīng)及系統(tǒng)響應(yīng)速度問題，但由于梭閥組本身工作方式存在的主泵排量調(diào)節(jié)控制不精確性及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)等問題，一直影響著正流量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用［2－3］。

20世紀(jì)80年代，自德國力士樂公司開發(fā)正流量控制系統(tǒng)以來，國內(nèi)外已有多家研制出正流量挖掘機(jī)，其中日立建機(jī)的EX400正流量挖掘機(jī)是最早投放市場的產(chǎn)品［4－6］。目前，針對正流量系統(tǒng)泵控問題，研究人員提出了多種解決或替代梭閥組結(jié)構(gòu)的方案。文獻(xiàn)［7］提出通過多活塞力學(xué)機(jī)構(gòu)替代梭閥組方案；文獻(xiàn)［8］提出通過多種傳感器結(jié)合微機(jī)處理技術(shù)實現(xiàn)主泵電控的方案。

本文以液控正流量系統(tǒng)泵控結(jié)構(gòu)為研究對象，設(shè)計了一種新型泵控信號生成系統(tǒng)替代梭閥組結(jié)構(gòu)，研究表明該系統(tǒng)能達(dá)到較好的效果。

1 泵控系統(tǒng)分析

1.1 主泵流量控制特性分析

正流量控制系統(tǒng)由流量正控制與恒功率控制組成，本文主要研究正流量挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的流量控制。由文獻(xiàn)［9］中主泵排量與先導(dǎo)控制信號之間的樣本曲線，可得到主泵排量與先導(dǎo)壓力信號的數(shù)學(xué)方程，即

其中，pst為主泵先導(dǎo)控制壓力信號；Vg為主泵排量比例；V1為主泵實時排量；Vmax為主泵最大排量。

如圖1所示，A8VO主泵流量與先導(dǎo)壓力信號關(guān)系成正相關(guān)，同時其特性曲線由一條雙折線構(gòu)成，根據(jù)此特性，可得到主泵流量控制的p－Q模型曲線方程，即

圖1 主泵先導(dǎo)壓力與流量特性曲線

1.2 梭閥組泵控系統(tǒng)原理分析

梭閥基本原理是選擇出多個進(jìn)入梭閥組的先導(dǎo)壓力信號中的最大壓力信號，并將此信號輸出作為最終控制信號，控制泵排量的實時調(diào)節(jié)［9］。

通過梭閥基本原理可知，在使用梭閥組實現(xiàn)主泵排量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，主泵調(diào)節(jié)信號僅取決于影響某一泵的先導(dǎo)信號中的最大壓力信號，這種控制方式在單動作狀態(tài)時，能很好地滿足系統(tǒng)對油液的需求，挖掘機(jī)也能實現(xiàn)操作者期望的動作，但一旦出現(xiàn)挖掘機(jī)復(fù)合動作工作狀態(tài)時，則會出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）Si≥Smax（i＝1，2，…，8）時，即多個液壓執(zhí)行元件同時動作，且先導(dǎo)壓力都達(dá)到最大值時，S＝Smax，Vp＝Vpmax，這時能較好地滿足系統(tǒng)實際流量需求。

（2）Si≥Smax，Sj＜Smax（j＝1，2，…，8；j≠i）時，即多個液壓執(zhí)行元件同時動作，其中一個或幾個動作先導(dǎo)壓力值都達(dá)到最大時，S＝Smax，Vp＝Vpmax，這時能較好地滿足系統(tǒng)實際流量需求。

（3）Si＜Smax時，即多個液壓執(zhí)行元件同時動作，所有先導(dǎo)壓力值都小于最大值時，S＝max（Si），Vp＝αS，主泵排量調(diào)節(jié)僅考慮最大先導(dǎo)壓力值所相應(yīng)的執(zhí)行元件，這時就會出現(xiàn)系統(tǒng)供油不足、動作不精確及操作性不佳的問題。

設(shè)Si（i＝1，2，…，8）為工作裝置及回轉(zhuǎn)先導(dǎo)信號；Smax為最大先導(dǎo)信號；S為泵排量調(diào)節(jié)信號，α（0～1）為主泵排量Vp與S的關(guān)系比例。

本文主要研究第3種情況。

2 主泵排量控制系統(tǒng)建模仿真分析

2.1 梭閥組泵控系統(tǒng)AMESim建模仿真分析

根據(jù)梭閥組結(jié)構(gòu)，通過液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim搭建梭閥組仿真模型［10］。

如圖2所示，在水平地面、空載狀態(tài)下，通過模擬挖掘機(jī)挖掘過程中出現(xiàn)的動臂、斗桿及鏟斗復(fù)合動作，采集動臂、斗桿、鏟斗復(fù)合動作時的操作手柄先導(dǎo)控制信號。

在此過程中，各工作裝置分別處于動臂提升、斗桿內(nèi)收及鏟斗內(nèi)收狀態(tài)。

圖2 輸入梭閥組的先導(dǎo)控制信號

梭閥組輸出的泵1排量控制信號，如圖3所示。

圖3 梭閥組輸出的泵1排量控制信號

由圖2、圖3分析可知，當(dāng)動臂、斗桿、鏟斗出現(xiàn)復(fù)合動作時，主泵排量調(diào)節(jié)信號為3個先導(dǎo)壓力信號中的最高先導(dǎo)壓力信號，并將此信號輸出作為主泵的排量調(diào)節(jié)信號，而忽略其他先導(dǎo)控制信號。

這種情況下，泵1的流量輸出就導(dǎo)致主泵流量僅按照最高先導(dǎo)壓力信號所在的驅(qū)動裝置油路所需流量向系統(tǒng)提供液壓油，這就使主泵向系統(tǒng)提供的液壓油不能滿足復(fù)合動作時所有供油路的流量需求。

在挖掘動作過程中，梭閥組輸出的泵排量調(diào)節(jié)信號都是僅選擇某一時刻多個先導(dǎo)壓力信號中壓力值最大的一個壓力信號，作為主泵先導(dǎo)控制信號，而忽略其余先導(dǎo)壓力信號。

如t＝2.1s時，pxko＝12.226bar，pxam＝14.11bar。

其中，pxko為鏟斗動作先導(dǎo)控制壓力信號；pxam為斗桿動作先導(dǎo)控制壓力信號。

由（1）式可得，Vgam＝0.476，Vgko＝0.23。其中，Vgam為斗桿動作時提供先導(dǎo)控制壓力時對應(yīng)主泵排量比例；Vgko為鏟斗動作時提供先導(dǎo)控制壓力時對應(yīng)主泵排量比例。

本系統(tǒng)采用力士樂A8VO120斜盤式柱塞泵作為系統(tǒng)主泵，單泵最大排量Vmax為120cm3，額定轉(zhuǎn)速Ne為2 000r／min。

由Qmax＝VmaxNe，可得Qmax為235.6L／min；由Qko＝VgkoQmax，可 得Qko為 54.89L／min；由Qam＝VgamQmax，可得Qam＝112.15L／min。

由計算可知，如果主泵僅按斗桿動作先導(dǎo)控制信號控制向系統(tǒng)供油，則僅有112.15L／min流量，而此時系統(tǒng)需要Qko＋Qam流量，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)供油不足，從而影響了挖掘機(jī)的工作性能。

2.2 泵控先導(dǎo)信號系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.2.1 改進(jìn)方案及其原理分析

依據(jù)以上問題，本文提出一種能綜合考慮所有工作裝置流量需求的泵控先導(dǎo)信號生成方案，其方案原理如圖4所示。

圖4 方案原理圖

由圖4可知，定量先導(dǎo)泵提供先導(dǎo)壓力油液，先導(dǎo)壓力油由減壓閥1、2減壓到一定壓力，此時先導(dǎo)油路分別連接主泵排量調(diào)節(jié)裝置和先導(dǎo)油液壓力控制油路。當(dāng)工作裝置以及回轉(zhuǎn)無動作時，調(diào)節(jié)閥1～6為全開狀態(tài)，先導(dǎo)壓力油由先導(dǎo)油液壓力控制油路回油箱，主泵處于最小排量狀態(tài)。

當(dāng)動臂、斗桿、鏟斗以及回轉(zhuǎn)動作時，手柄處先導(dǎo)壓力在傳遞至多路閥閥芯壓力控制端時，同時傳到壓力調(diào)節(jié)閥1～6的壓力接收端，此時，調(diào)節(jié)閥動作使該閥芯過流面積減小，進(jìn)行節(jié)流，從而在該閥上游積累壓力，最終在調(diào)節(jié)閥1、調(diào)節(jié)閥6進(jìn)油口處得到經(jīng)過壓力累積后的主泵排量先導(dǎo)控制信號，以此控制調(diào)節(jié)主泵排量。

由于每一個調(diào)節(jié)閥都由相應(yīng)的工作裝置先導(dǎo)操作信號控制，因此，經(jīng)過節(jié)流壓力累積的主泵排量調(diào)節(jié)先導(dǎo)控制信號就綜合考慮了所有工作裝置及回轉(zhuǎn)對流量的需求。

2.2.2 兩位兩通調(diào)節(jié)閥AMESim建模仿真分析

（1）兩位兩通閥閥芯動力學(xué)方程［11］為：

其中，mx為閥芯質(zhì)量；x為閥芯位移；Bx為閥芯黏性阻尼系數(shù)；Kx為閥芯復(fù)位彈簧的剛度系數(shù)；pv為作用在閥芯端面的先導(dǎo)壓力；Ax為閥芯端面先導(dǎo)壓力作用面積；F0為復(fù)位彈簧預(yù)緊力。

（2）通過兩位兩通閥的流量方程為：

其中，Qx為閥口流量；Cd為閥口流量系數(shù)；wx為閥口開口面積梯度；p′1、p1分別為閥進(jìn)口、出口壓力。

在AMESim中，首先利用HCD庫對兩位兩通閥建立通閥模型。如圖5所示，設(shè)置模型參數(shù)，并在泵控制信號輸入端口輸入曲線1，由實驗測得斗桿單動作先導(dǎo)壓力信號。通過仿真，得到圖5中曲線2所示的閥口過流面積變化曲線和圖6所示的泵排量控制先導(dǎo)壓力曲線。

圖5 先導(dǎo)壓力－閥口過流面積曲線圖

圖6 泵排量控制先導(dǎo)壓力曲線

由圖5、圖6可知，整個過程主要分為3個階段。

（1）第1階段。從1.4～3s，1.4s時模型開始輸入先導(dǎo)信號，此時，閥芯開口面積也隨之減小，到3s左右時，先導(dǎo)壓力信號基本達(dá)到并保持最大值18bar，此時閥芯開口面積減小到0，閥口完全關(guān)閉。

（2）第2階段。從3～16s，在此過程中，斗桿保持不變，先導(dǎo)壓力信號也基本保持在最大值附近，而閥芯過流面積也保持全閉狀態(tài)。

（3）第2階段。從16～16.2s，在此過程中，先導(dǎo)壓力迅速由最大減小到0，相應(yīng)的閥芯開口能立刻作出相應(yīng)反應(yīng)，使閥口過流面積從全閉開至全開。

實驗證明，圖6中通過兩位兩通閥節(jié)流控制后產(chǎn)生的先導(dǎo)泵控壓力曲線，與圖5中輸入的先導(dǎo)壓力曲線時間節(jié)點及走勢基本吻合，由此可知，本方案中采用兩位兩通調(diào)節(jié)閥能實現(xiàn)壓力累積效果與作用。

2.2.3 雙泵系統(tǒng)AMESim建模仿真分析

在驗證兩位兩通調(diào)節(jié)閥后，進(jìn)行主泵泵控系統(tǒng)整體模型搭建仿真，系統(tǒng)AMESim模型如圖7所示。

由圖7可知，按照實際先導(dǎo)油路分布情況，在6個兩位兩通閥先導(dǎo)壓力控制端，分別輸入由實驗測得的斗桿內(nèi)收、鏟斗內(nèi)收、動臂提升以及回轉(zhuǎn)動作的先導(dǎo)壓力控制信號，并進(jìn)行仿真，其仿真曲線如圖8所示。

如圖9所示，系統(tǒng)在1.4s時開始輸入先導(dǎo)信號，此時泵控先導(dǎo)回路能迅速反應(yīng)，產(chǎn)生泵控先導(dǎo)信號，開始階段，鏟斗及斗桿先導(dǎo)信號基本同時輸入，此時，先導(dǎo)信號曲線壓力值迅速上升并基本達(dá)到穩(wěn)定值。

圖7 主泵調(diào)節(jié)控制信號系統(tǒng)AMESim模型

圖8 輸入模型中的先導(dǎo)壓力曲線

圖9 主泵排量調(diào)節(jié)先導(dǎo)控制信號

當(dāng)達(dá)到2.8s時，動臂先導(dǎo)信號輸入，此時泵控先導(dǎo)信號控制油路通過壓力累積，先導(dǎo)壓力在短暫平緩升高后迅速升高，并達(dá)到一個基本穩(wěn)定的最大值。之后一段時間內(nèi)挖掘機(jī)保持狀態(tài)不變，當(dāng)達(dá)到14.3s時，鏟斗先導(dǎo)壓力降低，隨之泵控先導(dǎo)壓力降低，并達(dá)到穩(wěn)定，同樣，到15.9、17.2s時，斗桿與動臂先導(dǎo)壓力降低，泵控先導(dǎo)壓力油路都能迅速響應(yīng)，使泵控先導(dǎo)壓力降低，最后挖掘機(jī)停止動作時，泵控先導(dǎo)信號也降為最低值。

結(jié)果表明，系統(tǒng)對手柄動作先導(dǎo)信號具有很好的跟蹤能力和快速響應(yīng)性能。

3 結(jié) 論

（1）梭閥組在生成系統(tǒng)主泵排量調(diào)節(jié)控制信號過程中，僅考慮所有動作先導(dǎo)信號中最大壓力信號，造成泵排量調(diào)節(jié)控制不精確，泵向系統(tǒng)供油無法滿足復(fù)合動作時系統(tǒng)的油液需求。

（2）改進(jìn)方案對挖掘機(jī)手柄動作信號具有良好的跟蹤能力，并且對手柄動作具有快速響應(yīng)性能，能準(zhǔn)確地實現(xiàn)對系統(tǒng)主泵排量的調(diào)節(jié)。

（3）改進(jìn)方案在挖掘機(jī)復(fù)合動作時，能綜合考慮所有工作裝置對液壓油液的需求，實現(xiàn)對系統(tǒng)主泵排量的實時準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

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Research on pump control signal of excavator positive control system

CHEN Qian－gen1，2， WU Wei－sheng1， LIU Wen－guo1， ZHANG Xin－h(huán)ai2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2.Sunward Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

Aiming at the problems of the low accuracy of the pump flow control and the mismatch between main pump and hydraulic system in the current excavator hydraulic positive control system，a new generation system of pump flow control signal of positive control system is designed.Based on the excavator hydraulic positive control system，the original pump flow control system of shuttle valve unit and the simulation model of the new pump flow control signal generation system are established in AMESim simulation environment.The dynamic response performance of the new pump flow control signal generation system is obtained by AMESim simulation analysis based on the experimental data.The results show that the new system，which comprehensively considers all the pilot signals in the pump flow control，can achieve the accurate control of the pump flow in real time and has good dynamic response performance.

hydraulic excavator；positive flow control；shuttle valve unit；pump control signal；AMESim simulation

TH128

A

1003－5060（2014）06－0645－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2014.06.002

2013－09－13；

2014－04－15

湖南省科技廳重大專項資助項目（2012KJ0201）

陳欠根（1956－），男，江西新干人，中南大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）