液壓挖掘機動力系統(tǒng)匹配及節(jié)能控制研究.pdf

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

2、研究現(xiàn)狀，分析了液壓挖掘機的特點及施工工況，給出了發(fā)動機-液壓泵-負載-操作手之間的相互關(guān)系和信息傳遞方式以及五種動力系統(tǒng)匹配不當造成能量損失的形式及原因。結(jié)合現(xiàn)有液壓挖掘機的特性及節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展趨勢構(gòu)建了基于車載PLC和PC104總線系統(tǒng)的硬件平臺和VxWorks嵌入式軟件平臺的液壓挖掘機動力系統(tǒng)控制方案。 建立了發(fā)動機有效扭矩、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(是德文的縮寫對應的英文為Load 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)學模型并對其簡化，提出了工作裝置等效質(zhì)量和液壓缸承受反向負載力的估算公式，并對液壓系統(tǒng)參數(shù)Kq進行了辨識。 建立了鏟斗末端的位姿表達式和工作裝置轉(zhuǎn)角與驅(qū)動液壓缸長度的關(guān)系式，成功判斷出挖掘機的四個工作循環(huán)以及液壓缸的溢流工況。建立了負載阻力與系

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

5、范圍、最短斜坡時間和自動怠速轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化。 根據(jù)發(fā)動機最常使用的三個轉(zhuǎn)速區(qū)間，通過對發(fā)動機供油量控制，液壓泵的功率控制，負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)匹配控制方法實現(xiàn)發(fā)動機-泵-負載的經(jīng)濟性協(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)動機的工作區(qū)域，實現(xiàn)系統(tǒng)動力性協(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)動機的工作特性，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載壓差控制電流作為輸出，采用模糊控制對動力系統(tǒng)的匹配與節(jié)能控制方法進行了優(yōu)化。 搭建了液壓挖掘機測試平臺，用液壓泵的輸出功率與發(fā)動機耗油量的比值作為評價液壓挖掘機經(jīng)濟性的指標。對原裝系統(tǒng)液壓挖掘機和采用節(jié)能控制系統(tǒng)的挖掘機在輕載、490kg固定載荷和實際挖掘三種工況下發(fā)動機的耗油量和液壓泵的出口壓力和流量進行測試，試驗結(jié)果表明，無論是穩(wěn)定負載，還是波動負載，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用到其它噸位的機型中，也收到良好效果，為研究方法的進一步推廣奠定了基礎。 總之，論文以實現(xiàn)挖掘機動力性和經(jīng)濟性為目的，將發(fā)動機一液壓泵-負載-操作手作為整體考慮，提出自動怠速控制、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