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《吉林大学》 2004年
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液压挖掘机节能模糊控制系统研究

国香恩  
【摘要】:世界性的能源危机使节能成为工业发展的一个主题。液压挖掘机是大功率的工程机械,工作时负荷变化频繁、幅度大、能耗大,要求系统提高能量转换和利用率。随着电子技术越来越多地引入液压挖掘机系统技术领域,电子节能控制已成为液压挖掘机重点发展方向之一。 目前,国外先进液压挖掘机已成功地运用各种节能控制系统,尤其是不同程度地配备了电子节能控制系统,取得了良好的节能效果。国外主要的先进电子节能控制系统有:德国的OK公司的PMS系统、Link-Belt的CAPS系统;美国卡特皮勒的EPC系统;、小松的OLSS系统;韩国大宇的EPOS系统等,这些控制系统都不同程度地改善了挖掘机的节能性能。 我国在《国家“九五”科技发展重点任务规划要点与关键技术纲要》中,已将工程机械高效节能液压系统的研究列为“九五”期间主要开发内容及关键技术之一。液压挖掘机作为一种重要的工程机械,其节能性日益受到人们的重视。在我国工程机械行业中,微机控制技术的应用仅处于探索和起步阶段。浙江大学研制的液压挖掘机机器人将负流量控制、正流量控制、交叉功率控制和压力切断等节能策略组合起来,取得了良好的控制效果。广西玉柴股份有限公司试制了WY20-YC液压挖掘机,具有电子功率调节、三挡功率预选等功能,但成本较高,推广有一定的难度。为了增强国产液压挖掘机的竞争能力,提高国产液压挖掘机节能控制系统的控制效果,液压挖掘机节能技术的研究具有重要的理论意义和现实意义。 本文结合机械部跨世纪优秀人才专项基金资助项目(96250404)“液压挖掘机电子节能控制系统研究”,分析了国内外挖掘机节能技术研究现状和当今液压挖掘机存在的主要能量损失,结合液压挖掘机的工作特性,将发动机、变量泵和负载作为一个动态系统来全面研究其节能问题。论文借鉴先进的模糊控制理论,提出新的挖掘机节能控制方法,并开发出节能模 WP=128 糊控制器。论文研究的主要内容及创新点如下: 分析了国内外液压挖掘机的研究现状,介绍了几种先进的挖掘机节能控制系统的工作原理,阐述液压挖掘机节能的研究方向和发展趋势,说明进行液压挖掘机节能研究的目的和意义。 液压挖掘机能量损失分析和节能控制理论分析 (1)液压挖掘机能量损失分析 通过分析液压挖掘机的各种控制回路,找到挖掘机在作业工程中存在的各种能量损失,除机械损失、动能势能损失、管道压力损失和泵的效率损失外,主要能量损失出现在发动机与泵的功率匹配时的能量损失以及液压系统与外负载匹配时的压力流量损失。 (2)液压挖掘机的节能控制理论分析 通过对柴油机的万有特性曲线和调速特性曲线的分析,找到每一个油门位置的最大功率点和最佳节能点,二者对应着不同的转速,因此,需要根据外部载荷(不同工况)设定柴油机的转速;由柴油机的“转速-油耗试验曲线”可以看出,柴油机在转速波动时,油耗会急剧上升,所以保持转速稳定对系统节能是非常重要的。挖掘机节能可通过对液压系统和动力系统的控制来实现: 液压系统节能通常采用正流量控制、负流量控制、负荷传感控制等,其核心是工作时根据负载的需要控制液压系统流量。 利用泵的排量调节实现液压系统的流量调节,以减少系统的溢流、节流损失,达到节能目的。 动力系统的节能通常采用挖掘机分工况动力模式选择系统,此系统由操作员根据作业情况对挖掘机的输出动力模式进行选择。弊端是由于模式的选择是分挡、不连续的,而且操作员对作业土质状况判断不一定准确,致使无法在挖掘过程中进行较为精确的节能控制;另一种方式是通过系统压力估计挖掘机的工作状况,负载较轻的时候,挖掘机液压泵的输出压力小;反之,输出压力大。根据滤波后的液压泵输出压力值可以自动估计挖掘机的工作状况,因此可以控制发动机功率自动输出。弊端是由于滤波参数的选择是固定的,而挖掘机在工作过程中负载压力是多变的,滤波参数的适应性差会导致对工况的错误估计。 WP=129 挖掘机节能控制系统设计方案 结合液压挖掘机的工作特性,将发动机、变量泵和负载作为一个动态系统来全面研究其节能问题。 首先,综合系统作业工况压力滤波估计和人工动力模式选择的优点,完成对发动机转速的设定;其次,根据作业时发动机的转速变化调整变量泵的排量,对泵实行恒功率控制,从而稳定发动机的转速。 挖掘机工作时,首先人工初步估计挖掘机的工作状况,据此选择相应的工作模式,确定发动机工作转速的设定范围,然后试工作几个工作循环,将测得的泵出口压力经滤波后输入控制器,根据功率匹配原则由控制器算出发动机的油门位置和具体转速值,由此设定动力系统的输出功率,通过调节泵的排量来保证发动机设定转速的稳定,以达到控制泵的恒功率目的。 此方法避免人工模式选择的分挡不连续性以及利用压力进行工况估计时滤波参数固定造成的适应性差的问题,更为准确地实现发动机、泵和负载的功率匹配,提高系统功率利用率,减少系统的能量损失。 由此开发的挖掘机节能控制器还具有发动机的怠速控制和系统二级溢流压力控制的功能。 模糊控制理论在节能控制器上的应用 挖掘机工作时,外负载的多变、工况复杂,使发动机工作很不稳
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TU621

【引证文献】
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【同被引文献】
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8 宋晓林;;中国小型挖掘机的现状与未来[A];首届中国工程机械出口与发展论坛论文集[C];2007年
9 黄建忠;孙同生;;挖掘机在冻结凿井施工中的应用[A];矿山建设工程新进展——2006全国矿山建设学术会议文集(上册)[C];2006年
10 刘国民;金绍江;孙德春;黄海东;;前景广阔的疏浚机械——自平衡节能挖掘机[A];机械疏浚专业委员会第十六次疏浚与吹填技术经验交流会论文与技术经验总结文集[C];2002年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 林楚;神钢建机发力角逐中国挖掘机市场[N];机电商报;2005年
2 记者 高立鹏;新款植树挖掘机面世[N];中国绿色时报;2002年
3 陆洲;挖掘机行业步入发展高峰期[N];中国证券报;2007年
4 史培华;小型挖掘机市场潜力巨大[N];今日信息报;2006年
5 刘保生;挖掘机产业发展存三大隐忧[N];今日信息报;2006年
6 存云 明伟;我国挖掘机市场需求量将逐年增大[N];中华建筑报;2007年
7 本报记者 司宁博;“最牛挖掘机”频现 野蛮施工须叫停[N];中国工业报;2008年
8 本报记者 崔玉平;节能、创新 挖掘机行业明确发展主旋律[N];中国工业报;2008年
9 项军;国外挖掘机新品大展示[N];中华建筑报;2000年
10 兴业证券 吴华;挖掘机下半年复苏势头更为强劲[N];证券时报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 国香恩;液压挖掘机节能模糊控制系统研究[D];吉林大学;2004年
2 高峰;液压挖掘机节能控制技术的研究[D];浙江大学;2002年
3 廖力达;挖掘机用柴油机噪声声源识别与特性研究[D];中南大学;2012年
4 侯明亮;拖挂式激光平地机液压控制系统的研究[D];中国农业大学;2005年
5 Han Qiang;[D];山东大学;2005年
6 张立伟;电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究[D];中国科学院研究生院(电工研究所);2006年
7 韩文;新型电控液驱车关键技术的研究[D];南京理工大学;2005年
8 孟庆利;基底隔震混合控制和三维隔震系统研究[D];中国地震局工程力学研究所;2005年
9 杨兵;管件液压成形的加载路径理论与试验研究[D];上海交通大学;2006年
10 郝鹏;液压挖掘机动力系统匹配及节能控制研究[D];中南大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 范环宇;燃煤供暖锅炉自动控制系统的设计与研究[D];东北大学;2008年
2 王德超;基于模糊自适应理论的玻璃熔窑控制系统研究[D];东北大学;2009年
3 董乃飞;新型干法水泥分解炉的模糊控制研究[D];昆明理工大学;2009年
4 胡磊;基于粒计算的模糊控制研究及应用[D];武汉理工大学;2010年
5 高丹丹;钢渣检测方法与挡渣控制系统的研究[D];长春工业大学;2010年
6 孙宇;高压注汽燃煤锅炉状态监测与控制系统研究[D];东北大学;2008年
7 孙桂爵;隧道窑监控系统设计及温度模糊控制器仿真研究[D];东北大学;2008年
8 董建庭;采用VOD法不锈钢冶炼过程实用化自动控制方法的研究[D];东北大学;2008年
9 陈宇;大滞后系统智能控制器的研究[D];东北大学;2008年
10 刘剑;挖掘机正流量控制系统的研究[D];浙江大学;2011年
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