液压挖掘机性能研究泵和阀组合分离仪表和计量电路

雷哥，智心栋, 黄维男, 权龙，燕京，李文用

太原理工大学

太原市先进传感器与智能控制系统重点实验室

摘要 -

传统的液压执行机构由机械连接的孔阀控制。该方法的可控性差，能耗大，特别是在超速运行条件下。因此，提出了一种新颖的液压挖掘机系统结构，以改善上述问题，其中动臂油缸，斗杆油缸和回转马达采用独立的进出口技术控制，铲斗油缸和行走马达由传统阀门控制。首先，本文对分离式抄表技术的发展进行了全面的综述。然后通过两个图来说明应用于挖掘机的载荷传感系统和SMISMO系统的原理，以显示两个系统的差异。然后建立了基于真实物理结构的虚拟样机，包括液压挖掘机机械结构，多体动力学和电液系统。该模型通过静力学和动力学实验进行验证。然后在负荷传感液压系统和使用虚拟样机的系统条件下研究了动臂，臂和摆动执行器的动态，静态性能以及能耗特性。根据详细分析，根据负载条件和运行特性，制定了执行器的控制策略。在那之后，身体建立基于所提出的配置系统的原型并测试其性能。实验结果表明，验证了虚拟样机的准确性;所提出的配置系统可以显着降低通过阀门的压力损失，提高机器的能效;液压致动器内的压力冲击也减小，因此整个机器的平稳性得到改善。

关键词 - 流量匹配;分开计量表和计量表;压力和流量联合控制;泵和阀门混合控制

一．介绍

移动式液压机械通常在高能耗条件下工作，并且操作者通过直接控制3位6通换向阀的阀芯位置来控制致动器的速度。流入和流出执行器的流量同时受到控制，实际上，只能控制气缸的一个参数，例如流量或压力。通常，对于在负载条件下工作的汽缸，例如动臂油缸，为了改善控制性能，应在回油腔中建立足够的背压。该方法的可控性差，能量消耗大，尤其是在动臂下降运动，摆动电机制动运动和机械臂超速运行条件下[1-3]。提出了独立的计量方法来提高效率在使用机械连接孔阀的节流控制系统中，性能较低和较差[4-5]。在[6-7]中提出了一种新的能量回收配置，包括五个或六个独立的比例阀和一个蓄能器，仿真结果表明，所提出的配置遵循给定的速度轨迹，能量消耗低于其他三种阀门配置。

Shenouda A做了一些研究，重点关注一个执行器的节能，该执行器由四个阀门独立的计量配置控制，以移动梁，如移动液压设备的成员，如拖拉机装载机反铲挖土机，挖掘机和伸缩臂叉装机[8]。通过去除方向阀中的进口节流孔和出口节流孔之间的机械耦合来提高灵活性，并且单独的计量系统可以将能耗降低约20％[9]。为了验证应用于挖掘机的独立计量配置对能量减少的影响，在[10]中进行了比较传统主控制阀和独立计量阀的功耗的模拟。提出了一种基于独立计量策略的基于速度观测和高惯性负荷加减速和制动过程在线参数估计的分级控制方法，以满足其对速度精度，快速性和平滑性的要求[11]。提出了一种创新的电液伺服系统，差动缸采用双速变量泵控制闭环，分别控制气缸进出口的控制策略，进一步控制策略。提出了采用泵和阀复合流动匹配技术的多执行器[12-13]。

根据国内外独立计量策略的文献，与传统的方向阀相比，它提高了能效和性能。然而，关于独立计量方法的研究主要集中在典型的液压执行器而不是多执行器系统上，而且关于使用泵和阀复合策略匹配的压力和流量的文献很少。因此，我们的目标是使用泵和阀结合单独的仪表和仪表输出方法来开发整体原型。然后将原型的性能与相同条件下的相同负载感应挖掘机进行比较。

液压系统的结构和参数

带有方向阀的液压系统广泛应用于液压挖掘机，包括负载感应电路，正控制电路和负控制电路。具有流动饱和阻力系统（简称LUDV系统）的6吨液压挖掘机是本研究的目标。

1.LUDV系统

LUDV系统的配置如图1所示。可以看出，液压系统包括负载感应变量泵，夹层板设计的控制块，带压力补偿器，梭阀和执行器，如动臂，臂，铲斗和摆动。 LUDV控制阀通过内置于节流部分下游的阀内的压力补偿器运行。在某些区块中，补偿器也作为梭阀起作用。系统工作如下：梭阀检测到最高负载压力然后将其施加到所有补偿器并通过LS线反馈到LS泵，补偿器始终受到最高负载压力和压力后的压力。节流部分用于在动力过程中将阀芯上的压降调节为相同的水平，泵改变流量以匹配泵控制器中的弹簧设定的压降。即使流量需求高于泵限制，流量分配比仍然是由阀芯的位移限定的设定值。

2.流量匹配分离式仪表输入和仪表输出系统

本文提出的采用传统阀门控制的两个比例阀，铲斗油缸和行走马达的动臂油缸，斗杆油缸和带有独立进出口流量技术的摆动马达（简称SMISMO系统）系统如图所示。0.2。该系统采用压力和流量连续可调的电液轴向活塞变量泵。还有其他仪器，如每个执行器中的位移传感器，泵旁边的压力传感器和执行器，发动机上的流量传感器和转速传感器，用于检测相应的变量，其中一些用于反馈控制。 SMISMO的电路控制概念系统解决方案正由环路计算机控制系统ds1103中的硬件实现。

三．挖掘机多体模型

为了了解应用于挖掘机的新系统的性能，展示了基于SimulationX中建立的真实物理结构的液压挖掘机机械结构与多体动力学和电液系统组成的原型。在图3中。考虑到惯性力矩和机械质量，并且作用在铲斗上的力可以实时传递到其他致动器。因此，液压系统的模型和机构的模型就像真实的物理结构一样相互影响。

图3 SimulationX中挖掘机的多体模型

图3. SimulationX中挖掘机的多体模型

通过静态和动态实验验证了挖掘机的完整原型，如图4-6所示。首先，当挖掘机在设定状态下保持静止时，每个致动器的压力结果如图4所示。选择实验结果以显示动态性能，如图5-6所示。根据该图，很明显模拟与实验结果之间存在良好的关系。

图5动臂的动态结果比较

图4静态结果比较

图6杆的动态结果比较

四．控制系统设计

如图7所示，建立了一个整体实验平台来研究液压挖掘机的SMISMO系统。 dSPACE控制器接收操纵杆的输入和测量的量，例如发动机的压力，位移，流量和速度。然后控制器自动分析需求并根据设定的策略输出直接施加到泵和阀门的电压信号

图7挖掘机的SMISMO系统

1.电源管理控制

挖掘机可以在巨大的动力需求条件下工​​作，该条件可能超过发动机的最大功率输出，这可能导致发动机停止。 PID最大恒定功率控制器旨在限制本文中的控制功率。最大恒定功率属于发动机的速度。

2.繁荣上下控制

众所周知，挖掘机的动臂通常在负载下工作，动臂油缸延伸到工作位置会产生大量的势能，然后为了气缸的缩回，来自大腔室的压力流转变为坦克通过背压阀。用于动臂油缸的新控制回路如下设计。

在动臂油缸延伸部分中操作的系统是操纵杆输出信号属于操作员控制到dSPACE，然后控制器控制泵和阀门作为设定策略。动臂的阀门设置为完全打开，流入大腔室的流量和压力直接由泵控制，属于操纵杆输出的信号，这样可以减少动力损失。然而，当动臂油缸缩回时，应用再生方法。在此过程中，泵在非常低的流量输出条件下工作，并且臂架的阀门连接到油箱，小室的阀门设置为完全打开，并且通过改变阀门的开口比率来控制气缸的速度。大腔阀。

3.棒延伸和缩回控制

杆是四象限操作致动器，为了利用重力势能，当杆在不同象限条件下工作时策略应该改变。当杆与水平方向垂直时有一个切换点，它在点之前和负载模型之后的超运行负载下工作。无论什么型号的棒工作，流入口阀设置完全打开以减少压降。在超负荷运行中工作，泵以低压水平填充入口室中所需的油，并且基于其中的压力和设定的速度控制回油腔。在负载模型中工作，策略就像繁荣扩展的策略一样。选择回油腔的压力作为控制器中的开关原因

4.摇摆控制

作为高惯性系统，回转马达在加速进行时的压力将是溢洪道压力，因此泵的控制压力设定为低于溢洪道压力，两个阀门完全打开。在制动过程中，填充油腔连接到油箱，并且背压腔也通过小的节流孔连接到油箱，以防止后冲冲击。

5.多执行器复合动作

将泵的控制压力设定为满足最大负荷，并计算控制流量信号以匹配操作员设定。最大负载执行器的灌装阀完全打开，最后一个执行器的灌装阀通过压力补偿方法控制。因此，每个执行器都在SMISMO方法下工作，并且节流损失不是这样的。

五．检测结果

在这项研究中，测试基于应用LUDV的6吨液压挖掘机和新的SMISMO系统，如图8所示。测试单个执行器的工作性能，例如吊杆，斗杆和摆动，以分析和比较系统的特征。然后计算泵输出的能量关于动臂测试和杆测试。

图9-14给出了泵的出口压力，致动器室的压力和致动器在最高致动器速度下的位移的实验结果。

通过参考图9-10中的结果，当臂架开始移动时泵的压力脉动从6.9MPa减小到1.7MPa，并且LUDV系统的压力作为欠阻尼波形图而震动，同时SMISMO的压力系统只有波动。 SMISMO下的动臂控制性能良好，活塞杆腔的压力大于0.4MPa

应用再生方法。因此，通过新系统和控制策略来控制动臂是恰当的。

图9.带LUDV系统的动臂结果

图10.使用SMISMO系统的动臂结果

图11棒与LUDV系统的结果

图12坚持使用SMISMO系统的结果

图13.使用LUDV系统摆动的结果

图14.使用SMISMO系统摆动的结果

如果系统在模型之间自动切换，则进行棒测试。图11和12表明杆控制模型的开关策略是有效的，并且开关点周围的气缸速度变化很小。并且基于控制方法最小化了杆系统中的节流损失。

图13和14示出了回转马达和泵的压力。可以看出，在制动过程中，LUDV系统的摆动腔中存在欠阻尼波形图，而SMISMO系统的压力曲线是滑动的。

基于实验结果的泵的能量输。从表中的数据，所提出的配置系统可以显着降低通过阀的压力损失并提高机器的能量效率，就像能量一样与负载传感系统相比，动臂和臂系统的消耗下降了15％和5.6％。

结论

本文研究了采用SMISMO系统的液压挖掘机的控制性能和节能控制策略。通过实验分析了控制系统的特点。通过建模和实验设计了执行器的控制策略。实验结果表明，所提出的控制方案可以显着降低通过阀门的压力损失，提高机器的能源效率，正如动臂和臂系统的能耗比负荷传感系统下降15％和5.6％ ;液压执行器内的压力冲击也会减小，例如当动臂开始移动时泵的压力脉动从6.9MPa减小到1.7MPa，并且当摆动制动时的后摆冲击被消除，因此平稳性整机相应改进。

参考文献

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电液位置伺服系统仿真与优化

林义军，王永亮，李欣，董志超

空军航空大学军事仿真技术研究所

中国长春电子邮件:lyj017@163.com

摘要

针对电液位置伺服系统自身的特点及与之相关的仿真方法，研究了电液位置伺服系统的AMESim和Matlab仿真。在AMESim/Matlab环境下对系统参数进行了优化，给出了仿真和优化结果。通过该方法，利用AMESim软件接口，可以方便地实现大型电液系统的联合仿真和参数优化研究。

关键词;电液位置伺服系统;AMESim / Matlab;模拟;参数优化

一．介绍

电液位置伺服系统[1]具有体积小、重量轻、加速能力强、反应速度快等优点，是目前大多数大型飞行模拟

资料编号：[5027]