挖掘机液压系统控制性能分析❋

2014-07-20李丛山

机械工程与自动化 2014年4期

李丛山

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙 410151）

0 引言

从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。目前挖掘机基本采用了液压传动的方式驱动工作装置和行走装置进行工作。在整个挖掘机液压系统中，不但工作系统和行走系统的动力传动是液压传动，甚至大部分液压系统的控制也是由液压实现的，如液压泵的控制系统、液压阀的控制系统和液压执行机构的安全控制系统等。

液压系统所传递的功率表现为液压系统的工作压力和有效流量，液压系统的控制实际上可划分为压力和流量两种控制方式。当液压挖掘机工作时，发动机将燃油的化学能转化为机械能，其输出功率通过液压泵转化为液压能，液压能传递和转换为机械能后，通过动臂、斗杆、铲斗等装置对外界负载进行工作，挖掘机液压和控制系统运行时的系统压力决定于挖掘机所遇到的负载，从经典控制理论的角度来分析，液压系统的压力是系统对外输入的响应，是不取决于系统本身的参数。而液压系统的流量不是外界施加的参数，只能间接受外负载的影响。由此可知，不能通过控制系统压力来控制系统的功率，而只能通过控制系统的流量来控制系统的功率。

1 挖掘机液压系统流量控制机理分析

液压系统的流量由液压泵产生，由液压阀传递和控制，由此可见，液压系统可分为泵控液压系统和阀控液压系统。液压泵的理论流量计算公式为：

其中：Qb为液压泵流量，L／min；Ne为液压泵输入转速，r／min；Vb为液压泵排量，L／r。

由式（1）可见，改变液压泵的转速和排量都可以改变其流量，进而改变执行元件的速度。挖掘机在工作过程中，一般要求柴油机转速和功率稳定在某个设定值附近，所以，在对液压泵的流量进行控制时，可以忽略挖掘机转速的小范围波动，而假定液压泵输入转速是固定不变的。因此，控制液压泵输出流量的方式是控制其排量的大小。

液压阀主要对液压泵输出的流量进行分配和调整。液压阀的流量计算公式为：

其中：Qf为液压阀的流量，L／min；Cq为流量系数；A为液压阀的开度；Δp为液压阀上的压降，MPa；ρ液压油的密度。

由式（2）可见，液压阀的流量主要由液压阀的开度A和阀上的压降Δp两个变量决定。由于液压系统的压力大小是由外负载决定的，而外负载往往是不可预知的，因此，对液压阀的流量控制主要通过控制其开口A来实现。即通过PWM电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生一个位移，阀芯位移对应一个阀的开口A，从而得到液压阀的输出流量。

由前述分析可知，液压系统的流量控制分为泵控和阀控两种方式，二者各有其优点和缺点。泵控方式能量损失小，节能性好，对于大功率工程机械的节能降耗有很大意义，但其调节时间相对较长，系统的响应速度较慢，因为改变液压泵的排量需要一定的时间，一般是几百毫秒；而阀控系统响应速度快，一般只需几十毫秒即可，因为液压阀对流量的调节是通过改变阀芯的同流面积实现的，其运动质量较小，动作很快，但其经济性不好，因为阀控方式的本质不是改变总流量的大小，而是从总流量中获取一部分来工作，其余的部分全部回到油箱，这部分流量所承载的功率全部浪费了。

液压系统的两种流量控制方式各有其优点和缺点，又优势互补，因此，目前主流的挖掘机液压系统的技术路线都是通过集成这两种流量控制方式的优点，同时消除这两种控制方式的缺点，形成一种混合的流量控制方式，比如目前在中吨位挖掘机上广泛使用的负流量控制方式和正流量控制方式、在小吨位挖掘机上大量使用的负载敏感控制方式、在大吨位挖掘机上使用的节流调速控制方式等。

2 负流量液压系统控制性能分析

日本川崎公司开发的负流量控制系统液压原理示意图如图1 所示。系统主要元件包括变量液压泵、比例多路阀、液压执行元件、液压控制回路、液压操纵元件和系统等。其中，液压泵是流量提供元件，其输出的流量经过液压比例阀的分配和调整后，进入液压油缸进行工作。其技术的关键是，液压阀上具有一套流量检测和转换装置，能够实时检测液压泵与液压阀之间的流量供需匹配关系，当液压泵与液压阀的流量关系为供大于求时，该系统会自动把液压泵的排量关小；当液压泵与液压阀的流量关系为供小于求时，该系统又会自动把液压泵的排量开大。从经典控制理论的角度来看，这套流量控制系统实质上是一个反馈控制系统，系统的流量是控制量，而外负载是对流量的干扰。

图1 负流量控制系统液压原理示意图

由上述的原理分析可以发现，操作人员并不能直接控制液压系统的流量发生元件——液压泵，而是控制液压系统的调节和分配元件——液压阀，再通过液压阀来间接控制液压泵，由于液压阀对液压泵的排量控制信号是负反馈信号，因此这套系统命名为负流量控制系统。

负流量控制系统目前得到了广泛的应用，是因为该系统相对原来的单纯泵控调速系统或单纯的阀控调速系统具有一定的优势，但该系统也有缺点。随着液压技术的发展和挖掘机作业要求的提高，负流量系统的缺点也日益凸显，主要体现在系统响应迟缓、液压泵的寿命和可靠性不高、在有些工况下挖掘机容易发生动作振荡。负流量系统是一种负反馈的闭环控制系统，一般系统的时间常数较大，控制信号在系统的多个环节之间传递需要较长的时间，因此导致系统的操控性不高，响应速度较低。一般来讲，液压泵与液压阀总是不能达到供需平衡，不是供大于求就是供小于求，所以，液压泵的排量总是在不断调节之中，如此加大了液压泵排量机构的磨损，降低了使用寿命和可靠性。由于负反馈系统的物理延时，在周期操作信号的输入下，当输入信号的频率与系统的固有频率基本重合时，操作信号与油缸的动作信号的相位差接近180°，此时系统会发生振荡失稳，导致系统不能正常工作，甚至会发生故障。

3 正流量液压系统的控制性能分析

针对负流量系统的诸多缺陷，国外主要挖掘机液压系统制造商如川崎、力士乐等公司又开发了正流量液压系统，其液压系统原理示意图如图2 所示。系统主要元件包括变量液压泵、比例多路阀、液压执行元件、液压操纵元件和系统等。

图2 正流量控制系统液压原理示意图

正流量系统的技术路线摈弃了负流量系统的反馈控制方式，而是采用更加简单可靠的开环控制，把液压泵的控制与液压阀的控制分开，即操作手柄的控制信号分别直接控制液压泵的排量和液压阀的流量，可通过计算和试验的方式，实现两条开环上的流量特性匹配和延时特性匹配。

正流量系统克服了原有负流量系统的3个主要缺点，这也是正流量系统的主要优势。但其主要缺陷是执行机构的动作速度受负载的影响较大，当外界负载发生变化时，该特性会影响操作人员的手感。

所谓负载对挖掘机执行机构速度的影响，其实是在发动机和液压系统功率基本稳定的条件下，液压系统压力随着外负载的变化而变化的同时，导致液压系统的流量也随之变化，流量的变化体现为挖掘机速度的变化。此时，操作人员会感觉到挖掘机不够“硬”，但是也要看到这种特性的好处，即这种特性可以让操作人员感知到外界负载的强度。