履帶起重機發(fā)動機與液壓泵的匹配

1、作者簡介 :王 欣 (1972- , 女 , 副教授 . E 2mail :wangxbd21163. com.履帶起重機發(fā)動機與液壓泵的匹配王 欣 1, 劉 宇 1, 蔡福海 1, 薛 林 2(1. 大連理工大學 機械工程學院 , 遼寧 大連 116024; 2. 大連市特種設備監(jiān)督所 , 遼寧 大連 116021摘要 :針對履帶起重機存在的功率匹配問題 , 分析其產生的原因 . 基于發(fā)動機不同的控制方式 , 給出相應的液壓泵的控制策略 . 提出了一些解決履帶起重機發(fā)動機 -泵功率匹配問題的新方法 .關鍵詞 :履帶起重機 ; 發(fā)動機 ; 液壓泵 ; 匹配中圖分類號 :TH 213 文獻標識碼

2、 :A 文章編號 :1672-5581(2007 02-0182-04Matching between engines and hydraulic cranesW A N G Xi n 1, L IU 11X E L i n 2(1. School of Mechanical of of Technology , Dalian 116024,China ;2. and Institute ,Dalian 116021,China Abstract :In this power matching problem is proposed and analyzed for crawler crane

3、s. Based on diverse control modes of engines , corresponding control strategies of hydraulic pumps are presented. To re 2solve the non 2matching problem between engines and hydraulic pumps , some novel methods are postulated in this paper.Key words :crawler crane ; engine ; hydraulic pump ; matching

4、 隨著生產規(guī)模的擴大 , 自動化程度的提高 , 履帶起重機作為重要的搬運設備 , 在現(xiàn)代化生產過程中廣 泛應用于石油化工 、 橋梁建設 、 建筑安裝 、 港口物流 、 市政工程等各個領域 , 發(fā)揮著巨大的作用 .然而 , 履帶起重機在實際使用過程中 , 常常出現(xiàn)柴油發(fā)動機與液壓系統(tǒng)功率不匹配現(xiàn)象 , 具體表現(xiàn)在 : 行走與起升速度達不到預期值 ; 發(fā)動機在有些工況下功率利用率較低 , 燃油消耗較快 . 本文針對上述 實際問題 , 在履帶起重機設計階段提出相應方案 , 最大程度地實現(xiàn)發(fā)動機與液壓泵的功率匹配 , 達到提高 作業(yè)效率及節(jié)能的目的 .1 問題產生的原因在發(fā)動機外特性曲線上 , 可以找

5、到一些點 , 在這些點上 , 發(fā)動機的各項性能綜合指標要優(yōu)于其他點 , 這 些點叫做最佳工作點 , 與之對應的發(fā)動機轉速叫做最佳工作點轉速 . 通常的發(fā)動機控制策略就是力爭使發(fā) 動機工作在最佳工作點上 1.履帶起重機的動力傳動系統(tǒng)是一個發(fā)動機 -液壓系統(tǒng) -載荷的負載驅動系統(tǒng) , 其中發(fā)動機 -泵的功 率匹配是對整個系統(tǒng)功率匹配影響最大的因素 .理想的能量轉換不計能量損失 , 則泵的功率 P P 等于發(fā)動機的輸出功率 P E 為 P E =P P第 5卷第 2期2007年 4月 中 國 工 程 機 械 學 報 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY

6、Vol. 5No. 2 Apr. 2007 而泵的功率 P P 等于負荷需要的功率 P L 為P L =P P 所以 , 當負載發(fā)生變化時 , 泵的功率變化 , 則發(fā)動機的輸出功率也隨之變化 , 這使得發(fā)動機不能穩(wěn)定工 作在特性曲線上最佳工作點的位置 , 從而出現(xiàn)功率的不合理匹配 .2 發(fā)動機與液壓泵匹配的實現(xiàn) 發(fā)動機與液壓傳動裝置的匹配的實質是提出最為合理的控制方法 , 從而使發(fā)動機的轉速 、 輸出扭矩能 適應外部負荷的變化 , 保持發(fā)動機在最佳工作點附近工作 , 有較高的功率利用和較低的燃油消耗率 .目前柴油發(fā)動機適合于液壓傳動的控制形式有 : 發(fā)動機恒功率控制 , 發(fā)動機變功率控制 .

7、工程機械中為了更好地適應外負荷的變化 , 保證作業(yè)的高效性和經濟性 , 一般將兩種控制方式結合使 用 .2. 1 發(fā)動機恒功率控制與泵功率匹配的實現(xiàn)2. 1. 1 實現(xiàn)的原理由功率 P =9549, n 為轉速 , 得發(fā)動機輸出扭矩 T E P :T E 9 因此 , 在發(fā)動機轉速 n , P T E 的決定性因素 . 若通過設 定泵的輸出功率恒定 , , 即當負載變化時 , 通過調節(jié)泵的 , , 實現(xiàn)泵與發(fā)動機之間的功率 匹配 . 從而得出結論 :, 欲實現(xiàn)泵與發(fā)動機匹配 , 則要求泵具有恒功率 特性 2.2. 1. 2 泵的恒功率控制所謂泵的恒功率控制就是通過機電液等控制機構之間的相互配合

8、實現(xiàn)泵的流量 Q 和出口壓力 p 存 在反比例變化關系 :Q p =const 如圖 1所示為一條雙曲線 , 由 P p =600t 得P P =const圖 1 恒功率控制曲線 Fig. 1 Constant pow er control curve 圖 2所示為一典型的泵恒功率控制原理圖 3. 其中 ,M 為工作油口測壓口 ,A 為工作油口 , G 為定位壓力口 ,S 為吸油口 ,M1為斜盤控制油缸測壓口 ,R 為放氣口 , T1, T2為殼體泄油口 . 泵輸出的壓力經過節(jié)流口進入斜盤控制油缸 2, 同時進入計量活塞中推動計量活塞帶動擺桿 4轉動 , 壓縮功率設定彈簧 5, 進而調節(jié)伺服閥

9、 6的開口 , 使得液壓油液進入斜盤控制缸的壓力變化 . 兩斜盤控制缸的合力作用于泵的斜盤上 , 從而調節(jié)泵的斜盤擺角控制泵的輸出流量 . 計量活塞一端與斜盤控制缸 2的活塞桿連接 , 另一端通過滑輪與擺桿 4接觸 , 當壓力變化時 , 計量活塞對擺桿的作用力和力臂都會相應改變 , 進而保證泵的流量與輸出壓力成雙曲線關系變化 , 這就實現(xiàn)了泵的恒功率控制 .2. 2 發(fā)動機變功率控制與泵功率匹配的實現(xiàn)2. 2. 1 實現(xiàn)原理 381 第 2期 王 欣 , 等 :履帶起重機發(fā)動機與液壓泵的匹配 1,2. 斜盤控制油缸 ; 3. 計量活塞 4. ; 5. 功率設定彈簧 ; 6. 伺服閥 圖 2co

10、nstant pow er control 在有些工況下 , 發(fā)動機的恒功率控制不能滿足作業(yè)高效性和經濟性 , 具體有兩個方面 :一方面 , 為了追求作業(yè)速度 , 提高工作效率 , 必須人為地提高發(fā)動機轉速 (如靠提高發(fā)動機轉速來提高起升 、 變幅 、 回轉 、 行走的速度 . 此時泵的輸出功率也相應提高 . 恒功率控制無法跟隨發(fā)動機輸出功率變化 .另一方面 , 在低功率作業(yè)的情況下 , 泵的輸出功率遠低于發(fā)動機在該轉速下輸出的最大功率 , 發(fā)動機的功率利用率很低 (如在執(zhí)行穿繩 、 穿銷等小功率動作時 , 此時操作的經濟性很差 .可采用聯(lián)合控制方式實現(xiàn)發(fā)動機 -泵的功率匹配控制 . 其框圖如

11、圖 3所示 .針對第一種情況聯(lián)合控制方式將檢測到的發(fā)動機的輸出功率 (檢測發(fā)動機的轉速 、 扭矩 以及信號的形式輸入計算機并計算出與泵的輸出功率的偏差 , 根據(jù)偏差 , 調整泵的功率設定值 , 使泵的吸收功率始終追蹤發(fā)動機的輸出功率 , 實現(xiàn)功率匹配 .圖 3 發(fā)動機的變功率控制與泵功率匹配的實現(xiàn)框圖 Fig. 3 E ngine variable control and pump pow er m atching frame 針對第二種情況聯(lián)合控制方式 , 通過檢測泵的輸出功率 (檢測泵的壓力 、 , 功率的偏差 , 轉速 , 整 , 并調整泵的功率設定值 , 實現(xiàn)發(fā)動機和泵的功率匹配 .這

12、里需要指出 :由負載部分傳遞的泵的功率調節(jié)信號往往是由負載變化 , 進而導致液壓系統(tǒng)工作壓力變化引起的 ; 由發(fā)動機部 分傳遞的功率調節(jié)信號往往是由發(fā)動機轉速變化 , 進而導致液壓系統(tǒng)流量變化引起的 .以上兩種情況 , 實現(xiàn)功率匹配控制都要求泵的恒功率控制的設定功率可變 , 即要求恒功率控制存在一 個優(yōu)先級更高的功率調節(jié)控制 . 2. 2. 2 帶功率調節(jié)控制的泵的恒功率控制圖 4 功率調節(jié)控制 Fig. 4 Pow er regulating control 在一般的恒功率控制過程中變量泵的恒功率調節(jié)只能設定一個或幾個固定的值 , 通過功率設定彈簧 來實現(xiàn) , 精度不高 . 而在使用功率調節(jié)

13、電磁閥之后 , 其功率值就可以通過改變電磁閥控制信號的電流大小 來實現(xiàn)在功率可調范圍內波動 , 如圖 4所示 . 其中 ,Z 為恒功率設定油口 .功率調節(jié)控制的原理就是在原恒功率控制 (圖 2 的基礎上加上了功率調節(jié)油缸 (如圖 5所示 3, 由功率調節(jié)油缸 、擺桿 、 功率設定彈簧及伺服閥的復位彈簧共同作用 , 決定伺服閥的開口大小 , 調節(jié)泵的斜盤擺角 , 進而改變泵的輸出流量 . 功率調節(jié)油缸的作用力可由控制 Z 口壓力的比例電磁閥的電流控制信號來調整 . 這就組成了變量泵的功率設定調節(jié)器 .工作過程中 , 可通過調節(jié)變量泵上功率設定調節(jié)器對泵進行功率調節(jié) . 如圖 4, 在輕載工況下

14、, 泵的功率曲線設定在曲線 1位置 , 如果負載所需功率增大 , 則需提高泵的輸出功 481 中 國 工 程 機 械 學 報 第 5卷 of pow er regulating control 率 , 通過泵控調節(jié)器 , 調整泵的排量增大 , 則其功率曲線升高到曲線 2位置 . 但恒功率控制是以犧牲執(zhí)行機構的動作速度為代價的 , 這可以由提高發(fā)動機的轉速來加以補償 .當負載減小時 , 控制器又調節(jié)功率曲線向曲線 1方向移動 , 這樣就避免了因系統(tǒng)需要流量小于泵的輸出流量而產生功率損失 .工程機械中發(fā)動機與液壓系統(tǒng)的功率匹配主要是發(fā)動機 、 液壓泵 、 載荷三者之間的功率匹配 , 采用帶功率調節(jié)

15、控制的變量泵恒功率控制系統(tǒng) , 實現(xiàn)三者之間在通常工況下的功率匹配 . 在特殊工況下 , 當需要增加發(fā)動機轉速來提高機構運行速度時 , 通過檢測發(fā)動機輸出功率來調節(jié)泵的輸出功率 , 可由簡單的 PID 控制實現(xiàn) . 在輕負載作業(yè)時 ,泵的輸出功率遠低于發(fā)動機在該轉速下輸出的最大功率 ,即系統(tǒng)需要流量遠小于泵的輸出流量 , 通過檢測泵的輸出功率來調節(jié)發(fā)動機的轉速和泵的恒功率調定值 , 也可由簡單的 PID 控制實現(xiàn) . 在特殊工況下的這兩個方面 , 也可以作為兩種單獨的模式分別進行控制 . 3 結語, 針對工程機械中常用的發(fā)動機控制方式 , 提出了與 :(1 發(fā)動機處于恒功率控制時 , 控制液壓

16、泵的恒功率來保證發(fā)動機與液壓泵的功率匹配 .(2 發(fā)動機處于變功率控制時 , 分兩種情況檢測發(fā)動機和液壓泵的功率匹配情況 , 由計算機處理后控 制發(fā)動機轉速及液壓泵的功率調節(jié)系統(tǒng) , 使泵的輸出功率追隨發(fā)動機的輸出功率 , 實現(xiàn)功率的合理利用 . 參考文獻 :1 沃爾沃公司 . 沃爾沃公司發(fā)動機樣本 R.上海 :沃爾沃公司 ,2003. Volvo Corporation. Engine samples of volvo corporationR.Shanghai :Volvo Corporation , 2003. 2 歐陽聯(lián)格 . 全液壓推土機傳動系統(tǒng)與發(fā)動機匹配 J.工程機械 ,2004(11 :44-47. OU YAN G Liange. Match between drive line and engine on fully hydraulic bulldozers