第二章-挖掘機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

第二章：挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)基礎(chǔ)機(jī)電液一體是液壓挖掘機(jī)的主要發(fā)展方向，其目的是實現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的全自動化。使挖掘機(jī)由傳統(tǒng)的杠桿操縱逐步發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、電氣操縱、液壓伺服操縱、無線電操縱、電液比例操縱和計算機(jī)直接操縱。液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)可分為：發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、液壓泵控制系統(tǒng)、多路換向閥控制系統(tǒng)、執(zhí)行元件控制系統(tǒng)和整機(jī)控制系統(tǒng)。目前，液壓挖掘機(jī)控制系統(tǒng)已發(fā)展到復(fù)合控制系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)控制旋鈕壓力傳感器行走備用MC實際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩控制電磁閥泵2最大流量限制控制電磁閥泵1最大流量限制控制電磁閥泵1、2、3輸油壓力傳感器ECM123CAN總線ICF，監(jiān)控裝置由Dr.ZX設(shè)定（通過ICF）泵控制MC：主控制器ECM：發(fā)動機(jī)控制模塊ICF：信息控制器，監(jiān)控器裝置計算機(jī)控制器監(jiān)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等一系列參數(shù)。隨著外載荷↑，泵的功率↑，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷也↑。當(dāng)外載荷增大致使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，電控系統(tǒng)對泵電流自動調(diào)整以自動調(diào)小泵的起調(diào)壓力，減小泵的功率，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率與液壓功率合理匹配、實現(xiàn)高效、省油及更好的操控性。計算機(jī)控制器先導(dǎo)泵主泵1主泵2柴油機(jī)速度傳感器油門執(zhí)行器反饋傳感器監(jiān)視器柴油機(jī)速度旋鈕電比例減壓閥泵壓力傳感器泵壓力傳感器第一節(jié)液壓伺服控制的原理

（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的，利用輸出量與期望值的偏差對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程；負(fù)反饋：反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小；主反饋：與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號相同；偏差：給定信號與主反饋信號之差的信號；控制單元：接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；擾動：對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；反饋環(huán)節(jié)：檢測輸出信號并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號相同量綱的信號。閉環(huán)控制：是指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過程。輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；即具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。（2）液壓伺服系統(tǒng)原理液壓泵是系統(tǒng)以恒定的壓力向系統(tǒng)供油（溢流閥調(diào)定）。液壓拖動裝置由伺服滑閥和油缸組成。伺服滑閥是個轉(zhuǎn)換放大元件，將輸入的機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成液壓信號（流量、壓力）輸出并加以功率放大。液壓缸是執(zhí)行元件，輸入是壓力油的流量，輸出是速度（或位移）。當(dāng)滑閥處于中間位置（零位）時，閥口均關(guān)閉，閥沒有流量輸出，液壓缸不動，系統(tǒng)處于靜止。當(dāng)給滑閥輸入一個位移，如閥芯向右移動一個距離xi，則口a、b便有一個相應(yīng)的開口量xv＝xi，壓力油經(jīng)a進(jìn)入液壓缸右腔推動缸體右移，液壓缸左腔油液經(jīng)口b排出。因閥體與缸體固連在一起，故閥體也隨缸體一起右移，使閥的開口量減小。缸體當(dāng)缸體位移xp＝滑閥輸入位移xi，閥的開口量xv＝0，閥的輸出流量等于零，液壓缸將停止運動，處在一個新的平衡位置上，從而完成液壓缸輸出位移對滑閥輸入位移的跟隨運動。如滑閥反向運動，則液壓缸也反向跟隨運動。上述系統(tǒng)中，滑閥不動，液壓缸也不動；滑閥移動多少距離，液壓缸也運動多少距離；滑閥移動速度多快，液壓缸移動速度也就多快；滑閥向哪個方向移動，液壓缸也就向哪個方向移動?？梢妶?zhí)行元件的動作（系統(tǒng)的輸出）能夠自動地、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)滑閥的動作（系統(tǒng)輸入），所以是個自動跟隨系統(tǒng)。系統(tǒng)中，移動滑閥所需要的信號功率很小的，而系統(tǒng)輸出的功率（液壓缸輸出的速度和輸出的力）卻可達(dá)到很大，因此是個功率放大裝置。功率放大所需的能量由液壓能源供給，供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差的大小自動地進(jìn)行的。因此，液壓伺服系統(tǒng)是一個控制能源輸出的裝置，在其中輸入量與輸出量之間自動而連續(xù)地保持一定的符合一致的關(guān)系，并用這兩個量之差來控制能源的輸出。系統(tǒng)的工作原理如下：控制閥液壓缸輸入位移輸出位移Q(P)反饋液壓泵xixp－（3）液壓伺服控制系統(tǒng)工作特點該系統(tǒng)是一個位置跟蹤裝置，液壓缸缸體位置始終跟隨閥桿。所以伺服控制系統(tǒng)又叫隨動系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)。是一個力的放大裝置。移動閥桿的力很小，液壓缸的推力卻可以很大。必須有外部能源（液壓泵）。系統(tǒng)工作時閥桿必須先有一定的開口度，即缸體的移動必須落后于閥桿，或者說輸出始終落后于輸入，這個稱為系統(tǒng)的誤差。沒有誤差就沒有動作，而動作又力圖消除誤差。伺服控制系統(tǒng)就是這樣由不平衡（有誤差）到平衡（消除誤差），再由平衡到不平衡地連續(xù)工作。閥桿不僅起到控制液壓缸的流量、壓力和方向的作用，而且還起到將系統(tǒng)的輸出和輸入信號加以比較以定出它們之間誤差的測量元件的作用，這種作用成為反饋。使輸入與輸出的誤差增大是正反饋；使輸入與輸出的誤差減小以致消除是負(fù)反饋。反饋是伺服控制系統(tǒng)的根本特征。這個例子的反饋是機(jī)械連接、閉式負(fù)反饋系統(tǒng)。反饋可以是機(jī)械、電氣、液壓、氣動或它們的組合。伺服閥液壓伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用示例閥桿控制方式：手控、液控、電控或者它們的組合。第二節(jié)液壓泵控制技術(shù)液壓泵的控制是通過調(diào)節(jié)其變量擺角來實現(xiàn)的。液壓泵的控制方式是指變量泵的變量機(jī)構(gòu)根據(jù)什么信號、按什么規(guī)律變化?？刂菩盘柨煞郑簷C(jī)械式（手動、腳踏、凸輪及杠桿等）、系統(tǒng)壓力（包括控制壓力）、系統(tǒng)流量等。根據(jù)控制形式的不同，可分為功率控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)等三大類。其中的功率控制系統(tǒng)有：恒功率控制、總功率控制、壓力切斷控制和變功率控制等；流量控制系統(tǒng)有：手動流量控制、正流量控制、負(fù)流量控制、最大流量二段控制、負(fù)荷傳感控制和電氣（電子）流量控制等；組合控制系統(tǒng)是功率控制和流量控制的組合控制，在液壓控制機(jī)上應(yīng)用最多。挖掘機(jī)液壓泵的控制型式功率控制液壓恒功率控制（單泵液控）液壓全功率控制（雙泵液控）電控功率調(diào)節(jié)器壓力切斷控制流量控制負(fù)流量控制正流量控制負(fù)荷傳感控制最大流量二段控制電子調(diào)節(jié)流量控制挖掘機(jī)液壓泵的控制組合液壓恒功率控制（小型機(jī)）液壓全功率控制（中大型機(jī)）以中大型機(jī)為例，一般的控制方式組合為：液壓全功率控制+負(fù)流量液壓全功率控制+負(fù)流量+最大流量二段控制液壓全功率控制+負(fù)流量+最大流量二段控制+壓力切斷液壓全功率控制+壓力切斷+正流量液壓全功率控制+壓力切斷+負(fù)荷傳感全電子化調(diào)節(jié)（一）功率控制技術(shù)功率控制的主要目的是節(jié)能、提高功率利用率、增強(qiáng)作業(yè)效率。早期的液壓挖掘機(jī)采用定量泵供油系統(tǒng)，功率利用率低，且無法施展較強(qiáng)的控制功能，性能不佳，在大、中型挖掘機(jī)上早已被恒功率變量泵系統(tǒng)所取代。但定量泵系統(tǒng)因其制造成本低廉，在部分小型、微型挖掘機(jī)上還有所應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，在恒功率變量泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了負(fù)流量控制、負(fù)荷傳感控制等新型液壓系統(tǒng)，其節(jié)能效果明顯提高，進(jìn)而引入電腦實現(xiàn)了電子控制功能，使得在節(jié)能、功率利用率、工作效率及便于監(jiān)控、操作、維護(hù)等方面有了很大提高?？梢哉f，當(dāng)今的液壓挖掘機(jī)有無電腦控制功能，已成為區(qū)分新舊機(jī)型的分界線。（1）恒功率控制挖掘機(jī)在實際工作中，操作人員不可能根據(jù)工作需要隨時調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的調(diào)速拉桿，只能根據(jù)對當(dāng)前工作的經(jīng)驗判斷，選擇某一檔調(diào)速拉桿的位置，來完成一批工作任務(wù)。而在此狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)只有一個最大功率點。為能夠在保持發(fā)動機(jī)高效的前提下充分利用發(fā)動機(jī)的輸出功率，則液壓泵需要相應(yīng)地采用恒功率控制。恒功率就是使泵的輸出壓力和流量的乘積等于常數(shù)，即PQ=C，從而使發(fā)動機(jī)的輸出功率近似為常數(shù)；當(dāng)負(fù)載壓力增大時，降低泵的輸出流量使發(fā)動機(jī)能夠克服峰值扭矩。不僅提高了發(fā)動機(jī)的抗過載能力，而且降低了發(fā)動機(jī)的功率貯備，提高了系統(tǒng)效率液壓恒功率控制（單臺泵）泵調(diào)節(jié)器系統(tǒng)壓力與彈簧力成正比，與系統(tǒng)流量成反比。起調(diào)壓力P0＝彈簧預(yù)緊力÷油壓作用面積液壓恒功率控制（單臺泵）在這里，可以任意增加閥桿的控制：液控、電控或者它們之間的組合，拓展恒功率變量泵的控制功能。負(fù)反饋當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，泵的恒功率曲線也發(fā)生變化。恒功率控制的主要目標(biāo)是保證發(fā)動機(jī)處于最大功率點的情況下液壓泵能充分吸收發(fā)動機(jī)的輸出功率。由于發(fā)動機(jī)工作在當(dāng)前調(diào)速拉桿位置下的高效區(qū)，故其工作效率較高。但由于泵吸收的功率并沒有考慮到實際工作的需要，仍然會存在總功率的損失。即恒功率控制目的在于保證發(fā)動機(jī)一液壓泵之間的功率匹配，卻忽視了液壓泵一執(zhí)行元件之間的功率匹配。（2）全功率控制為提高液壓挖掘機(jī)多執(zhí)行元件復(fù)合動作的控制性能，當(dāng)代液壓挖掘機(jī)多采用雙泵雙回路系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中全功率控制和分功率控制最容易實現(xiàn)，因此功率控制首先出現(xiàn)在這類液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)中。單調(diào)節(jié)器同步調(diào)節(jié)雙調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)全功率控制在全功率控制系統(tǒng)中，兩液壓泵的排量是統(tǒng)一調(diào)節(jié)，發(fā)動機(jī)的調(diào)速拉桿位置設(shè)定之后，控制系統(tǒng)根據(jù)拉桿的位置，得到最大功率點的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)速傳感或壓力傳感等控制方法，對液壓泵的排量進(jìn)行控制，從而保證發(fā)動機(jī)工作在最大功率點上，并且液壓泵能夠充分吸收發(fā)動機(jī)的輸出功率；全功率控制能充分利用發(fā)動機(jī)的功率，但由于兩液壓泵排量統(tǒng)一調(diào)節(jié)，降低了液壓系統(tǒng)的流量利用率，使系統(tǒng)存在較大的功率損失。全功率控制對發(fā)動機(jī)功率利用充分，但當(dāng)一臺泵無負(fù)載時，另一臺將傳遞全部功率，會降低泵的壽命。分功率控制為了減少液壓泵的流量損失，提高液壓系統(tǒng)對液壓泵所提供流量的利用率，在全功率控制的基礎(chǔ)上提出了分功率控制方案。分功率控制系統(tǒng)中兩液壓泵的排量單獨控制，使每臺液壓泵都能吸收發(fā)動機(jī)50%的功率。采用分功率控制可以提高液壓系統(tǒng)對液壓泵輸出流量的利用率，但由于每臺液壓泵都不能完全吸收發(fā)動機(jī)的輸出功率，因此影響了發(fā)動機(jī)的功率利用率，降低了發(fā)動機(jī)的工作效率。當(dāng)一個回路無負(fù)載，另一個回路滿載工作時，只能利用發(fā)動機(jī)功率的一半。交叉功率傳感控制功率交叉控制系統(tǒng)既能充分利用柴油機(jī)功率，又可以根據(jù)兩個泵各自驅(qū)動液壓回路的負(fù)載情況，向每一回路提供不同的液壓油流量，同時加大了工作裝置的功率范圍。兩個泵各自的排量不僅與自身輸出壓力有關(guān)，同時還與另外一個泵的輸出壓力有關(guān)。它是通過兩個變量泵工作壓力相互交叉控制實現(xiàn)的，相當(dāng)于一個液壓連桿將兩個變量泵的功率連到一起，平衡杠桿上受三個力的作用。交叉功率傳感控制將全功率控制和分功率控制二者優(yōu)點結(jié)合起來，既可以充分利用發(fā)動機(jī)功率，又可以根據(jù)工作需要提供流量。功率交叉控制系統(tǒng)優(yōu)于恒功率控制系統(tǒng)。提高了低負(fù)載回路對實際負(fù)載功率的適應(yīng)性；柴油機(jī)功率的利用率進(jìn)一步提高；在雙泵之間動態(tài)的功率分配更適用于中大型液壓挖掘機(jī)，避免了兩泵流量相等所帶來的缺點，充分利用了柴油機(jī)的功率，提高了中大型挖掘機(jī)作業(yè)效率的要求。液壓全功率控制（兩臺泵液壓交叉控制）ΣP=P1＋P2液壓交叉控制兩個小活塞的面積相等Pi1Pi2：兩多路換向閥中位回油通道的背壓中位流量控制活塞組合控制活變量活塞電控比例減壓閥伺服閥液壓全功率控制要點具有單泵恒功率調(diào)節(jié)的特點。兩臺泵相同，泵調(diào)節(jié)器也完全一樣，兩臺泵輸出的流量相等，即Q1=Q2；但是壓力可以不同，即P1≠P2，那么兩臺泵的輸出功率也就不同。有時一臺泵功率很大，而另一臺泵功率很小。兩臺泵的功率總和始終保持恒定，不超過發(fā)動機(jī)的額定功率。全功率變量不是根據(jù)P1和P2的單數(shù)值，而是根據(jù)兩臺泵的工作壓力之和ΣP=P1＋P2來進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，只有當(dāng)ΣP=P1＋P2≥2×P0時進(jìn)入全功率調(diào)節(jié)區(qū)域，才能充分利用發(fā)動機(jī)的功率。（3）泵的電控全功率控制數(shù)字開關(guān)閥（高速電磁閥）泵的電控全功率控制泵調(diào)節(jié)器電子化：泵調(diào)節(jié)器與主控閥共用一臺控制器（微機(jī)），兩個數(shù)字開關(guān)閥（高速電磁閥A、B）對主泵變量缸的進(jìn)回油進(jìn)行高速通、斷控制，主泵的變量缸再控制泵的斜盤。如果配合采用負(fù)荷傳感流量控制，這樣的系統(tǒng)具有提高作業(yè)性能、簡化操作、節(jié)能等優(yōu)點。由于預(yù)先編制的軟件可以對泵的排量作任意設(shè)定，因此不論機(jī)器在高原工作或者長期使用使發(fā)動機(jī)功率下降，都可以通過軟件來解決。（4）泵的壓力切斷控制泵輸出壓力在設(shè)定值以上時，使泵的流量自動減小，進(jìn)行壓力切斷控制（恒壓控制）；主要目的是進(jìn)一步減小高壓溢流損失。PQ無壓力切斷控制壓力切斷控制Q大Q小順序閥（二）泵的流量控制技術(shù)

（1）泵的負(fù)流量控制換向閥中位回油道上有節(jié)流孔，油通過這個節(jié)流孔產(chǎn)生壓差。將節(jié)流孔前的壓力引到泵變量機(jī)構(gòu)來控制泵的排量。節(jié)流溢流閥負(fù)流量控制系統(tǒng)在挖掘機(jī)上，各執(zhí)行元件的速度隨操作手柄的行程的變化而變化，液壓系統(tǒng)根據(jù)這種變化對其排量進(jìn)行控制。手柄行程越大，對應(yīng)的二次先導(dǎo)壓力也會越大，由二次先導(dǎo)壓力控制的主閥芯的開啟度也會越大；與之對應(yīng)，主閥芯的開啟度越大，主油路分向執(zhí)行元件的油越多，執(zhí)行元件的速度就會越快，通過中位流經(jīng)負(fù)壓信號發(fā)生裝置的油越少，負(fù)壓信號的壓力值就會越??；如果手柄行程越小，對應(yīng)的二次先導(dǎo)壓力也會越小，由二次先導(dǎo)壓力控制的主閥芯的開啟度也會越小，與之對應(yīng)，主閥芯的開啟度越小，主油路分向執(zhí)行元件的油越少，執(zhí)行元件的速度就會越慢，通過中位流經(jīng)負(fù)壓信號發(fā)生裝置的油就越多，負(fù)壓信號的壓力值就會越大。液壓泵根據(jù)負(fù)壓信號的壓力值的大小來對其排量進(jìn)行控制，這就是負(fù)流量控制。其信號采集點是主油路中主控制閥的出口處。（2）泵的正流量控制泵的排量隨先導(dǎo)閥的壓力升高而增大，多個先導(dǎo)閥操縱時用梭閥檢測其最高壓力。先導(dǎo)閥泵的正流量控制正流量控制系統(tǒng)（力士樂上世紀(jì)80年代的技術(shù)）主要特點是：操縱手柄的先導(dǎo)壓力不僅控制換向閥，還用來調(diào)節(jié)油泵的排量。執(zhí)行元件不工作的時候，油泵上沒有先導(dǎo)壓力，斜盤擺角最小，油泵只輸出少量的備用流量。操縱先導(dǎo)手柄，則液壓先導(dǎo)回路中建立起與手柄偏轉(zhuǎn)量成比例的壓力來控制換向閥閥芯的位移和泵的排量。油泵的流量和由此產(chǎn)生的執(zhí)行元件的工作速度與先導(dǎo)壓力-控制壓力成正比例。在正流量的主控制閥上沒有負(fù)壓信號發(fā)生裝置，其信號采集于二次先導(dǎo)，其它部分與負(fù)流量沒有什么區(qū)別。附：正負(fù)流量控制比較（1）與負(fù)流量相比正流量為什么操作敏感性好？負(fù)壓控制的信號采集點在主挖掘閥的出口處，只有主控制閥有動作時此負(fù)壓信號才會發(fā)生變化，從而使泵的排量發(fā)生變化，這使得液壓泵的控制永遠(yuǎn)滯后于主控制閥的控制。正流量中，泵的控制信號采集于二次先導(dǎo)壓力，此壓力信號同時發(fā)送液壓泵和主控制閥，這就是使的兩者的動作可以同步進(jìn)行。這就是“與負(fù)流量相比正流量操作敏感性好”的主要原因。（2）與負(fù)流量相比正流量為什么節(jié)油？在負(fù)流量控制的液壓系統(tǒng)中，負(fù)壓信號的壓力大約是5MPa，此壓力只用于產(chǎn)生負(fù)壓信號；而正流量控制的液壓系統(tǒng)中，由于沒有此裝置，其回油壓力僅僅是背壓(一般在0.5MPa左右)，這就減少了一個不必要的功率損失，從而使的正流量的挖掘機(jī)在完成同樣工作量的情況下一定比負(fù)流量控制的挖掘機(jī)省油。綜上簡單的來說：正負(fù)流量控制是指變量泵通過壓力控制得到所需流量；負(fù)流量控制就是隨著液控壓力提高，泵擺向較小的排量；正流量控制就是隨著液控壓力提高，泵擺向較大的排量。泵的負(fù)流量

＋最大流量二段控制負(fù)流量控制全功率控制最大流量二段控制最大流量二段控制全功率控制泵的電子流量控制Psv泵的負(fù)荷傳感控制P1P2PK1PK2PLsP1=PLs+PK1P2=PLs+PK2△P=P1-P2=PK1-PK2=常數(shù)因此通過各節(jié)流口流向執(zhí)行元件的流量只與各節(jié)流口大小有關(guān)（相當(dāng)于主閥芯開口量），與執(zhí)行元件的工作壓力無關(guān)。它是通過穩(wěn)定不變的壓差來控制泵的排量。主閥芯開口量液壓挖掘機(jī)各動作機(jī)構(gòu)均由壓力油通過油缸或油馬達(dá)驅(qū)動，因此液壓系統(tǒng)是挖掘機(jī)最重要的組成部分。挖掘機(jī)的液壓油路一般分：主油路(也稱工作油路)和先導(dǎo)油路兩部分。主油路也稱工作油路，主油路由連接主油泵和油缸、油馬達(dá)