电控变量泵对液压挖掘机节能的实现分析

汤振周

(福建船政交通职业学院 福建 福州 350007)

电控变量泵对液压挖掘机节能的实现分析

汤振周

(福建船政交通职业学院 福建 福州 350007)

基于恒功率变量泵排量调节结构和电控泵的控制原理分析,挖掘机出口压力Pd、电控泵功率切换压力Pf与负流量压力Pi的大小决定了液压泵排量的大小.并建立了电控泵的恒功率控制模型和负流量控制模型,并进行了实验研究.

电控; 变量泵; 挖掘机; 节能;实现分析

1 挖掘机电控泵的回路

大中型挖掘机液压系统一般采用双泵双回路,柴油机带动两个完全相同的液压交叉控制的全功率控制系统,两个柱塞泵分别供给一回路控制斗杆、回转和左行走,另一回路控制动臂、铲斗、右行走、斗杆合流和附件.这两条回路中除单独供油外还有合流、流量重新分配等交互作用.电控泵控制原理见图1,柱塞泵的结构为两台斜盘式柱塞泵串联,并装有先导齿轮泵.挖掘机电控泵为实现与发动机功率匹配,采用恒功率控制的变量泵.恒功率控制泵是依靠其排量调节装置,实现变量泵输出流量和工作压力的乘积接近或者等于某个恒定值.

2 恒功率变量泵排量调节结构分析

对于变量泵的恒功率调节有很多种方式,传统的恒功率变量是根据折线拟合,依靠多根弹簧的不同刚度来实现的.日本川崎公司K3V泵是一个闭式机械连接负反馈液压伺服控制系统,阀杆上与液压力平衡的是两根弹簧,在控制曲线图上构成两条直线段,形成近似的恒功率曲线.第一段直线的斜率由弹簧1的刚度K1决定,如图2所示的bc段;第二段直线的斜率由弹簧1刚度为K1和弹簧2刚度为K2共同决定,如图2所示的cd段,两段直线的交点c为弹簧2开始起作用的点.调节弹簧的预紧力可以调节泵的起调压力p0,从而可以调节泵的功率.压力升高,流量减小;压力降低,流量增大,从而维持两者的乘积——功率恒定.

图1 电控泵控制原理图Fig.1 control principle diagram of electric control pump

图2 变量泵的近似恒功率曲线Fig 2 approximate constant power curve of variable pump

这种变量泵的结构由三个主要环节组成,即力-位移转换结构、伺服变量结构及液压泵主体结构.

3 电控泵的控制原理

3.1 全功率控制

随着泵P1和配对泵P2的输出压力的升高,输出流量将自动降低,以便输入扭矩将被调节至某一数值.调节器为全功率调节式,由双联泵系统中的两个泵的负载压力总和来调节.因此无论两个泵的负载情况如何变化,可以自动防止发动机超载(图3).

3.2 电控变量功率特性

如图1所示的恒功率变量泵上安装一个电液比例减压阀,改变安装在调节器上的比例电磁阀的电流将改变全功率设置,电液比例减压阀的输入油压PSV来自先导油路,将电液比例减压阀输出的二次压力引至排量调节油缸一端.车载控制单元VECU可根据负载大小实时地改变比例阀的电流Is的大小,从而可改变它输出的二次压力,二次压力与弹簧力的共同作用,决定了液压泵的起调压力点,因而也决定了液压泵的输出功率大小.进而控制液压泵的斜盘倾角,液压泵的排量就发生变化,形成不同的功率特性曲线,液压泵就变为电控变量泵,如图4所示,液压泵与柴油机共同工作的工作点不再单一地沿某条特性曲线变化,而是扩展为面工况.

3.3 负流量控制

改变负反馈压力Pi可以控制泵的输送流量.此调节器为负流量控制方式,随着负反馈压力Pi的增加而降低输送流量Q.当负反馈压力与指定工作所需的流量相应时,泵将仅输送所需的油,以便防止不必要的功率消耗.负流量控制改变了恒功率变量泵总是工作在最大流量、最大功率、最大压力下的极端工况,减少了系统的空流损失和节流损失.电液比例减压阀的二次压力成为液压泵输出功率的切换压力,称为功率切换压力Pf,其值是控制电流Is的函数,即Pf=f(Is)Pf与Pd共同作用在液压泵的排量调节器上,调节液压泵的输出功率.当Pf、Pd与Pi同时作用到排量调节器上时,液压泵的流量为Qp=min{Qpd(Pd,Is),Qpi(Pi)}

图3 主泵控制系统图Fig.3 main pump control system diagram

图4 电控变量泵的功率特性Fig.4 the power characteristics of the electric control variable pump

4 电控变量数学模型

本文研究采用川崎 K3V180DT-170R-9N5P-V电控变量泵其主要的控制方式为负流量控制、恒功率控制、转速传感控制和功率切换控制,其中K3V变量泵负流量控制和恒功率控制P、H、G、F、I 模式恒功模型如下所述.

(1) 负流量控制模型:

(2) 恒功率控制模型:

5 实验结果分析

本实验在型号EC380D挖掘机进行试验,在挖掘机在发动机转速和功率模式控制时,电控变量泵的切换电流、功率切换压力、泵的最大输入转矩及泵的消耗功率的关系见表1.

通过实验结果分析:(1)在发动机转速在1 900 rpm,功率切换电流200 Ma;(2)随着功率切换电流IS的增大,电控变量泵的功率切换压力Pf降低,将液压泵的排量变小,使泵的输出功率降低.(3)可以根据发动机的转速,通过改变功率切换阀的输出电流来平衡发动机的功率和电控泵的功率,在发动机转速一定的情况下保持泵的扭矩低于发动机的扭矩.

6 电控变量控制特性曲线分析

液压泵的流量是由转速和排量决定的,基于转速感应控制的电控泵,其转速的变化被控制在一个较小的设定值,如果不考虑转速变化对流量的影响,则排量的变化决定了液压泵流量的大小.对电控变量泵出口压力Pd、功率切换压力 Pf与负流量压力 Pi的大小则决定了液压泵排量的大小.Pf和Pd共同作用在同一阀芯上,对液压泵的排量进行调节,当Is变化时形成不同的功率曲线,如图所示.而 Pi则作用在另一个阀芯上,按下图5所示的曲线调节液压泵的排量.通过曲线拟合,可得出以下P-Q模型曲线.

表1 发动机转速和工作模式控制Tab.1 Engine speed and working mode control

图5 电控液压泵的功率曲线Fig.5 the power curve of the electric control hydraulic pump

7 结 语

通过对挖掘机电控泵的回路、恒功率变量泵排量调节结构分析,对挖掘机电控泵的控制系统进行深入分析,建立了电控泵的恒功率控制模型和负流量控制模型,并进行了实验和特性曲线的分析,只有对电控变量泵的控制原理和特性进入深入了解,才能为挖掘机电控泵与柴油机的合理匹配研究及挖掘机电控泵的维修具有一定的指导作用.

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Energy-saving analysis on electric variable pumpfor hydraulic excavator

TANG Zhen-zhou

(Fujian Communications Technology College,Fuzhou 350007,China)

By analyzing the adjustment structure of constant power variable displacement pump and control principle of electric pump, the size of displacement hydraulic pump is determined by such factors as the size of the excavator, pressures Pd and Pf at the outlet of electronic power switch pressure pump, and negative flow pressure Pi. Accordingly, the constant power control model, together with negative flow control model, is established via the experimental research.

electric control; variable pump; excavator; energy saving; implementation analysis

福建省教育厅(JB14143)资助,项目名称:《基于整机功率匹配液压挖掘机节能控制研究》.

汤振周(1970—),男,硕士研究生,高级技师,副教授,机械工程系副主任.E-mail:Tangzz1991@163.com

TD 422.2

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1672-5581(2016)06-0515-05