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《中南大学》 2008年
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液压挖掘机动力系统匹配及节能控制研究

郝鹏  
【摘要】: 随着工程机械品种和数量的不断增多,国内外对工程机械尾气排放、噪声等限制愈加严格;随着人们环保意识的日益增强,使环保节能型产品的研制开发成为工程机械发展的趋势。在能源危机及绿色环保的今天,对液压挖掘机的节能研究已成为一个非常具有发展前景的课题。本文正是在此背景下并借助国家863课题,以提高液压挖掘机的动力性和经济性为研究目的,开展了对液压挖掘机动力系统匹配及节能控制的研究,论文的主要工作如下: 论述了液压挖掘机动力系统匹配与控制的研究现状,分析了液压挖掘机的特点及施工工况,给出了发动机—液压泵—负载—操作手之间的相互关系和信息传递方式以及五种动力系统匹配不当造成能量损失的形式及原因。结合现有液压挖掘机的特性及节能控制技术的发展趋势构建了基于车载PLC和PC104总线系统的硬件平台和VxWorks嵌入式软件平台的液压挖掘机动力系统控制方案。 建立了发动机有效扭矩、转速与每循环供油量之间的传递函数。提出了液压泵最大排量的1/4以上是其经济工作区,并作为功率控制的依据。分析了LUDV(是德文的缩写对应的英文为Load IndependentFlow Distribution Control System)系统的特性和效率,建立了电液比例系统的数学模型并对其简化,提出了工作装置等效质量和液压缸承受反向负载力的估算公式,并对液压系统参数Kq进行了辨识。 建立了铲斗末端的位姿表达式和工作装置转角与驱动液压缸长度的关系式,成功判断出挖掘机的四个工作循环以及液压缸的溢流工况。建立了负载阻力与系统压力之间的关系式,并对铲斗作空载水平直线运行时液压缸的受力进行了仿真分析。对液压挖掘机在空载、固定载荷和实际挖掘三种工况下的压力进行了分析,采用加权平均滤波法对信号进行处理,利用泵出口压力的概率分布并结合工作装置的位姿对负载工况进行辨识。 分析了影响发动机油耗的负载特性。用分段函数对理想位移控制曲线进行拟合,采用斜坡函数控制方法对执行器的速度进行控制,提出自动怠速控制应满足的三个指标,采用自适应控制方法对PWM信号占空比的控制范围、最短斜坡时间和自动怠速转速进行优化。 根据发动机最常使用的三个转速区间,通过对发动机供油量控制,液压泵的功率控制,负载传感阀的压差控制以及比例减压阀的出口压力控制四种控制方式的协调匹配,提出了变p-Q曲线的功率协调匹配控制方法实现发动机-泵-负载的经济性协调匹配控制。提出了恒功率与变功率协调匹配控制的方法,夹逼发动机的工作区域,实现系统动力性协调匹配控制。 分析了在不同安装方式和不同环境下发动机的工作特性,以液压泵的压力,转速差和转速差的变化率作为输入,泵功率控制电流和负载压差控制电流作为输出,采用模糊控制对动力系统的匹配与节能控制方法进行了优化。 搭建了液压挖掘机测试平台,用液压泵的输出功率与发动机耗油量的比值作为评价液压挖掘机经济性的指标。对原装系统液压挖掘机和采用节能控制系统的挖掘机在轻载、490kg固定载荷和实际挖掘三种工况下发动机的耗油量和液压泵的出口压力和流量进行测试,试验结果表明,无论是稳定负载,还是波动负载,采用论文所提出的匹配和控制方法,在不同转速和不同工况下都可以提高系统效率,特别是在实际挖掘工况,能节约至少8%的能量,证明了所采用的控制策略的正确性和有效性。而且论文将所研究的算法运用到其它吨位的机型中,也收到良好效果,为研究方法的进一步推广奠定了基础。 总之,论文以实现挖掘机动力性和经济性为目的,将发动机—液压泵—负载—操作手作为整体考虑,提出自动怠速控制、变p-Q曲线控制、恒功率与变功率协调匹配控制以及模糊控制等方法,解决了由系统匹配不当造成能量损失的问题,最后将研究的理论结果应用到实际挖掘工况,取得了比较好的节能效果。论文为液压挖掘机动力系统的匹配与节能控制提供了一套完整的理论和方法。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TU621

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