液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及節(jié)能控制研究.pdf

1、隨著工程機(jī)械品種和數(shù)量的不斷增多，國(guó)內(nèi)外對(duì)工程機(jī)械尾氣排放、噪聲等限制愈加嚴(yán)格；隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，使環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品的研制開發(fā)成為工程機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)。在能源危機(jī)及綠色環(huán)保的今天，對(duì)液壓挖掘機(jī)的節(jié)能研究已成為一個(gè)非常具有發(fā)展前景的課題。本文正是在此背景下并借助國(guó)家863課題，以提高液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為研究目的，開展了對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配及節(jié)能控制的研究，論文的主要工作如下： 論述了液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配與控制的

2、研究現(xiàn)狀，分析了液壓挖掘機(jī)的特點(diǎn)及施工工況，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵-負(fù)載-操作手之間的相互關(guān)系和信息傳遞方式以及五種動(dòng)力系統(tǒng)匹配不當(dāng)造成能量損失的形式及原因。結(jié)合現(xiàn)有液壓挖掘機(jī)的特性及節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)構(gòu)建了基于車載PLC和PC104總線系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和VxWorks嵌入式軟件平臺(tái)的液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)控制方案。 建立了發(fā)動(dòng)機(jī)有效扭矩、轉(zhuǎn)速與每循環(huán)供油量之間的傳遞函數(shù)。提出了液壓泵最大排量的1/4以上是其經(jīng)濟(jì)工作區(qū)，并作為功率控

3、制的依據(jù)。分析了LUDV(是德文的縮寫對(duì)應(yīng)的英文為L(zhǎng)oad IndependentFlow Distribution Control System)系統(tǒng)的特性和效率，建立了電液比例系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對(duì)其簡(jiǎn)化，提出了工作裝置等效質(zhì)量和液壓缸承受反向負(fù)載力的估算公式，并對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)Kq進(jìn)行了辨識(shí)。 建立了鏟斗末端的位姿表達(dá)式和工作裝置轉(zhuǎn)角與驅(qū)動(dòng)液壓缸長(zhǎng)度的關(guān)系式，成功判斷出挖掘機(jī)的四個(gè)工作循環(huán)以及液壓缸的溢流工況。建立了負(fù)載阻力與系

4、統(tǒng)壓力之間的關(guān)系式，并對(duì)鏟斗作空載水平直線運(yùn)行時(shí)液壓缸的受力進(jìn)行了仿真分析。對(duì)液壓挖掘機(jī)在空載、固定載荷和實(shí)際挖掘三種工況下的壓力進(jìn)行了分析，采用加權(quán)平均濾波法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，利用泵出口壓力的概率分布并結(jié)合工作裝置的位姿對(duì)負(fù)載工況進(jìn)行辨識(shí)。 分析了影響發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的負(fù)載特性。用分段函數(shù)對(duì)理想位移控制曲線進(jìn)行擬合，采用斜坡函數(shù)控制方法對(duì)執(zhí)行器的速度進(jìn)行控制，提出自動(dòng)怠速控制應(yīng)滿足的三個(gè)指標(biāo)，采用自適應(yīng)控制方法對(duì)PWM信號(hào)占空比的控制

5、范圍、最短斜坡時(shí)間和自動(dòng)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最常使用的三個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油量控制，液壓泵的功率控制，負(fù)載傳感閥的壓差控制以及比例減壓閥的出口壓力控制四種控制方式的協(xié)調(diào)匹配，提出了變p-Q曲線的功率協(xié)調(diào)匹配控制方法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)-泵-負(fù)載的經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)匹配控制。提出了恒功率與變功率協(xié)調(diào)匹配控制的方法，夾逼發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力性協(xié)調(diào)匹配控制。 分析了在不同安裝方式和不同環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，以液壓泵

6、的壓力，轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)速差的變化率作為輸入，泵功率控制電流和負(fù)載壓差控制電流作為輸出，采用模糊控制對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的匹配與節(jié)能控制方法進(jìn)行了優(yōu)化。 搭建了液壓挖掘機(jī)測(cè)試平臺(tái)，用液壓泵的輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量的比值作為評(píng)價(jià)液壓挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。對(duì)原裝系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)和采用節(jié)能控制系統(tǒng)的挖掘機(jī)在輕載、490kg固定載荷和實(shí)際挖掘三種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量和液壓泵的出口壓力和流量進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是穩(wěn)定負(fù)載，還是波動(dòng)負(fù)載，采用論文所提出

7、的匹配和控制方法，在不同轉(zhuǎn)速和不同工況下都可以提高系統(tǒng)效率，特別是在實(shí)際挖掘工況，能節(jié)約至少8％的能量，證明了所采用的控制策略的正確性和有效性。而且論文將所研究的算法運(yùn)用到其它噸位的機(jī)型中，也收到良好效果，為研究方法的進(jìn)一步推廣奠定了基礎(chǔ)。 總之，論文以實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目的，將發(fā)動(dòng)機(jī)一液壓泵-負(fù)載-操作手作為整體考慮，提出自動(dòng)怠速控制、變p-Q曲線控制、恒功率與變功率協(xié)調(diào)匹配控制以及模糊控制等方法，解決了由系統(tǒng)匹配不當(dāng)