挖掘机正流量泵控液压系统的特性分析 - 南京工业大学学报（自然科学版）

第 33 卷 第 6 期
2011 年 11 月
南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)
Vol.33No.6
Nov.2011
doi:10.3969/j.isn.1671-7627.2011.06.020
挖 掘 机 正 流 量 泵 控 液 压 系 统 的 特 性 分 析
贾 文 华 1,2 , 殷 晨 波 1 , 曹 东 辉 3 3
, 陈 克 雷
(1. 南 京 工 业 大 学 车 辆 与 工 程 机 械 研 究 所 , 江 苏 南 京 210009;2. 南 京 工 程 学 院 机 械 工 程 学 院 ,
江 苏 南 京 211167;3. 三 一 重 机 有 限 公 司 , 江 苏 昆 山 215300)
摘 要 : 采 用 泵 控 挖 掘 机 液 压 系 统 特 性 分 析 方 法 , 在 分 析 泵 的 输 出 特 性 的 基 础 上 , 给 出 确 定 先 导 压 力 信 号 和 控 制 泵
排 量 的 方 法 , 并 对 泵 的 输 出 特 性 进 行 了 仿 真 和 实 验 研 究 。 结 果 表 明 : 正 流 量 控 制 下 , 泵 的 排 量 由 执 行 器 流 量 需 求 和
油 泵 的 p Q 曲 线 动 态 实 时 调 节 , 系 统 具 有 良 好 的 负 载 流 量 适 应 性 和 负 载 敏 感 性 , 其 液 压 系 统 中 不 存 在 负 压 , 只 有
约 05MPa 的 背 压 , 回 油 功 率 损 失 几 乎 为 0。
关 键 词 : 挖 掘 机 ; 液 压 系 统 ; 正 流 量
中 图 分 类 号 :TU2747 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1671-7627(2011)06-0098-04
Analysisonpositiveflowpumpcontrolsystem ofhydraulicexcavator
JIAWenhua 1,2 ,YINChenbo 1 ,CAODonghui 3 ,CHENKelei 3
(1.ColegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;
2.ColegeofMechanicalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China;
3.SANYCo.,Ltd.,Kunshan215300,China)
Abstract:Someproblemswerestudiedforthepositiveflowcontrolofpumpsystemofhydraulicexcavator.
Basedontheanalysisofpumpoutputcharacteristics,thecontrolmethodforpilotpresureandthepumpdis
placementwasgiven.Thepumpoutputcharacteristicswereinvestigatedbysimulationandexperiment.Results
showedthatflowwasadjustedbyflowrequiredbyactuatorandthep Qcurveofmainpump.Forthepositive
system,theexcavatorhadgoodloadflowadaptabilityandloadsensitivity.Thepowerlosofreturningoilpath
wasalmostzero.Inthereturningpath,thenegativepresurewasonly05MPaforthepositivesystem.
Keywords:excavator;hydraulicsystem;positiveflow
液 压 挖 掘 机 正 在 被 广 泛 应 用 在 水 利 工 程 , 交 通
运 输 , 电 力 工 程 等 机 械 施 工 中 [1] 。 然 而 , 液 压 系 统
中 的 关 键 部 件 80% 以 上 从 国 外 进 口 [2] , 成 本 高 。 从
[3-5]
以 往 的 研 究 中 也 发 现 : 液 压 系 统 是 制 约 我 国 工
程 机 械 发 展 的 “ 瓶 颈 ”, 研 究 挖 掘 机 液 压 系 统 对 提 高
国 内 工 程 机 械 的 技 术 水 平 具 有 重 要 意 义 。
挖 掘 机 的 作 业 对 象 和 工 作 条 件 复 杂 , 为 了 充 分
利 用 发 动 机 功 率 和 缩 短 作 业 时 间 , 工 作 过 程 中 往 往
需 要 进 行 复 合 动 作 [6] 。 例 如 , 斗 杆 挖 掘 与 动 臂 提 升
工 况 , 完 成 这 一 复 合 动 作 的 液 压 原 理 图 见 图 1。
在 如 图 1 所 示 的 液 压 回 路 中 , 动 臂 提 升 和 斗 杆
挖 掘 都 需 要 由 2 个 油 泵 (B 1 和 B 2 ) 供 油 。 通 过 动 臂
Ⅰ 和 动 臂 Ⅱ 这 2 个 多 路 换 向 阀 阀 外 合 流 对 动 臂 液 压
缸 供 油 ; 通 过 斗 杆 Ⅰ 和 斗 杆 Ⅱ 这 2 个 多 路 换 向 阀 阀
外 合 流 对 斗 杆 液 压 缸 供 油 。 动 臂 手 柄 的 端 口 a 3 、b 3 、
a 4 与 动 臂 1 和 动 臂 2 的 端 口 a 3 、b 3 、a 4 相 连 。 斗 杆 手
柄 的 端 口 a 1 、b 1 、a 2 、b 2 与 斗 杆 1 和 斗 杆 2 的 a 1 、b 1 、
a 2 、b 2 相 连 。
收 稿 日 期 :2011-03-07
基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50875122)
作 者 简 介 : 贾 文 华 (1980—), 女 , 山 东 泰 安 人 , 博 士 , 主 要 研 究 方 向 为 工 程 机 械 中 微 纳 米 流 动 控 制 技 术 等 ; 殷 晨 波 ( 联 系 人 ), 教 授 ,Email:
yinchenbo@njut.edu.cn.

第 6 期
贾 文 华 等 : 挖 掘 机 正 流 量 泵 控 液 压 系 统 的 特 性 分 析
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1— 动 臂 缸 ;2— 斗 杆 缸 ;3— 斗 杆 Ⅱ;4— 斗 杆 Ⅰ;5— 动 臂 Ⅰ;6— 动 臂 Ⅱ;7— 动 臂 手 柄 ;8— 斗 杆 手 柄
p(u)— 主 控 制 器 面 函 数 ;f(u)— 泵 出 口 流 量 的 控 制 原 理 函 数 ;MR— 背 压 阀 ;X— 动 臂 手 柄 的 先 导 压 力 ;Y— 斗 杆 手 柄 的 先 导 压 力
T— 油 箱 ;p 1 、p 2 — 双 联 泵 的 出 口 压 力 ;Pboom— 动 臂 油 缸
图 1 液 压 原 理
Fig.1 Schematicdiagram ofhydraulicpresure
1 油 泵 排 量 控 制 信 号 的 确 定
正 流 量 控 制 液 压 系 统 , 操 作 手 柄 的 操 作 压 力 不
仅 控 制 主 控 换 向 阀 , 还 用 来 调 节 油 泵 的 排 量 。 主 控
制 器 根 据 先 导 压 力 信 号 及 其 变 化 趋 势 判 断 执 行 器 的
流 量 需 求 及 其 变 化 趋 势 , 并 据 此 确 定 油 泵 的 排 量 , 同
时 , 通 过 检 测 主 泵 出 口 表 征 负 载 的 压 力 , 根 据 泵 的
p Q 曲 线 得 到 油 泵 的 另 一 排 量 值 , 根 据 此 两 排 量 值
来 实 施 调 节 油 泵 的 排 量 , 以 使 系 统 的 流 量 供 应 能 够
动 态 跟 随 执 行 元 件 的 流 量 需 求 , 实 现 系 统 流 量 的 实
时 匹 配 , 达 到 “ 所 得 即 所 需 ”。 图 2 为 正 流 量 先 导 信
号 的 控 制 原 理 示 意 图 。
图 2 正 流 量 先 导 信 号 控 制 原 理 示 意
Fig.2 Chartofpilotsignalofpositivecontrolflow
恒 功 率 控 制 是 以 功 率 控 制 为 目 标 。 随 着 负 载 压
力 的 逐 渐 增 大 , 当 p×Q 的 值 大 于 设 定 功 率 时 ,p 和 Q
即 沿 循 恒 功 率 双 曲 线 变 化 , 随 着 压 力 的 增 大 , 流 量 逐
渐 变 小 。 压 力 不 是 由 流 量 或 功 率 决 定 的 , 而 是 由 负 载
决 定 的 。 正 流 量 控 制 的 变 量 泵 的 原 理 图 见 图 3。 在 工
作 过 程 中 , 动 臂 缸 的 两 端 分 别 受 到 泵 的 出 口 压 力 p 、
弹 簧 力 f 和 负 载 压 力 p f , 三 者 处 于 平 衡 状 态 , 关 系 为 :
p +f=p f 。 当 p +fp f 时 , 动
臂 缸 失 去 平 衡 , 阀 芯 向 右 移 动 , 泵 的 出 口 压 力 油 经 动
臂 缸 流 向 斗 杆 缸 的 腔 , 泵 的 摆 角 减 小 , 排 量 减 少 , 直
到 动 臂 缸 再 次 平 衡 位 置 。
11 先 导 压 力 信 号 的 提 供
从 图 1 所 示 的 动 臂 提 升 和 斗 杆 挖 掘 复 合 动 作 的
液 压 回 路 可 以 看 出 : 动 臂 手 柄 和 斗 杆 手 柄 的 先 导 压
力 X 和 Y 对 油 泵 1 和 油 泵 2 的 排 量 都 会 有 影 响 。 图
1 中 W 口 的 压 力 值 由 X 和 Y 两 者 中 较 大 者 确 定 。
主 控 制 器 的 控 制 原 理 , 即 图 1 所 示 的 主 控 制 器 p(u)
函 数 的 运 算 机 制 如 图 4 所 示 。
试 验 测 量 得 到 , 动 臂 和 斗 杆 的 先 导 压 力 曲 线 如
图 5 所 示 ,W 口 的 压 力 曲 线 如 图 6 所 示 ,W 口 的 压

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南 京 工 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 第 33 卷
图 5 动 臂 和 斗 杆 先 导 压 力 曲 线
Fig.5 Pilotpresurecurvesofboom andarm
1— 变 量 伺 服 阀 ;2— 变 量 执 行 液 压 缸
图 3 正 流 量 控 制 变 量 泵 原 理
Fig.3 Schematicdiagram ofpumpforpositiveflow
力 与 动 臂 手 柄 的 先 导 压 力 相 吻 合 , 且 没 有 延 时 。 动
臂 和 斗 杆 复 合 动 作 时 , 动 臂 负 载 的 压 力 大 , 油 泵 的 先
导 控 制 信 号 主 要 采 集 于 动 臂 手 柄 的 先 导 压 力 。
图 6 W 口 压 力 曲 线
Fig.6 PresurecurveofW
据 p Q 曲 线 得 到 油 泵 的 流 量 Q o 。 如 果 p Q i 曲 线 在
p Q o 之 内 , 泵 流 量 确 定 为 Q o ; 如 果 p Q i 曲 线 在 p
Q o 之 外 , 泵 流 量 确 定 为 Q o 。 泵 出 口 流 量 的 控 制 原
理 见 图 7。
图 4 主 控 制 器 p(u) 函 数 的 控 制 原 理
Fig.4 Controldiagram ofmaincontroler
图 5 和 图 6 可 以 验 证 , 正 流 量 控 制 的 液 压 系 统 ,
手 柄 的 先 导 压 力 信 号 同 时 发 送 油 泵 和 主 控 制 阀 , 多
路 换 向 阀 的 动 作 和 油 泵 的 动 作 可 以 同 步 进 行 , 具 有
良 好 的 操 作 敏 感 性 。
12 油 泵 出 口 排 量 的 确 定
该 系 统 中 油 泵 采 用 的 是 一 种 近 似 恒 功 率 泵 。 采
用 的 泵 为 双 联 泵 , 两 泵 在 结 构 上 是 一 体 的 , 两 泵 的 流
量 在 任 意 时 刻 都 是 相 等 的 , 其 流 量 的 值 由 两 泵 出 口
压 力 之 和 决 定 。 在 动 臂 提 升 、 斗 杆 挖 掘 复 合 动 作 时 ,
两 泵 都 对 其 进 行 供 油 。
正 流 量 泵 控 液 压 系 统 的 泵 出 口 流 量 的 控 制 原
理 , 即 f(u) 函 数 的 机 制 为 : 根 据 主 控 制 器 先 导 压 力
p i 得 到 主 泵 的 流 量 Q i , 通 过 检 测 油 泵 出 口 压 力 p 根
图 7 泵 出 口 排 量 f(w) 函 数 的 控 制 原 理
Fig.7 Controldiagram ofexportdisplacementofpump
2 系 统 结 果 分 析 与 研 究
采 用 图 6 所 示 的 先 导 压 力 , 对 SY215C8M 挖 掘
机 进 行 实 验 测 定 , 结 果 见 图 8。 理 论 与 实 验 所 测 得

第 6 期
贾 文 华 等 : 挖 掘 机 正 流 量 泵 控 液 压 系 统 的 特 性 分 析
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的 泵 出 口 的 负 载 压 力 对 比 曲 线 如 图 8(c) 所 示 , 系 统
回 油 路 的 能 量 损 耗 对 比 曲 线 如 图 9 所 示 。
图 9 系 统 回 油 功 率 损 耗 曲 线
Fig.9 Powerloscurvesofreturningoilpath
图 10 动 臂 进 油 腔 压 力 和 泵 出 口 压 力 曲 线
Fig.10 Curvesofinletpresureofboom andexportpresureof
bump
3 结 论
图 8 流 量 曲 线
Fig.8 Curvesofflow
从 图 8 可 以 看 出 : 在 动 臂 提 升 、 斗 杆 挖 掘 复 合 动
作 开 始 , 系 统 压 力 小 , 油 泵 出 口 流 量 由 Q i 来 调 定 , 随
着 动 作 的 进 行 , 系 统 压 力 逐 渐 升 高 ,p Q i 曲 线 在 p
Q o 之 外 , 油 泵 出 口 流 量 也 开 始 由 Q o 调 定 。 这 也 证
明 正 流 量 控 制 下 油 泵 具 有 良 好 的 流 量 负 载 适 应 性 。
正 流 量 控 制 系 统 的 回 油 功 率 损 耗 曲 线 如 图 9 所
示 。 正 流 量 控 制 的 液 压 系 统 , 不 存 在 负 流 量 控 制 中
的 负 压 , 它 的 回 油 压 力 仅 仅 是 背 压 ( 一 般 在 05MPa
左 右 ), 减 少 了 不 必 要 的 功 率 损 失 , 回 油 功 率 损 失 几
乎 为 0, 使 得 正 流 量 控 制 的 挖 掘 机 在 完 成 同 样 工 作
量 的 情 况 下 一 定 比 负 流 量 的 挖 掘 机 省 油 。 图 10 是
动 臂 油 缸 进 油 大 腔 压 力 和 油 泵 出 口 压 力 的 比 较 图 。
从 图 10 可 看 出 : 油 泵 的 出 口 压 力 与 最 高 负 载 压 力 相
适 应 , 正 流 量 控 制 具 有 良 好 的 负 载 敏 感 性 。
1) 正 流 量 泵 控 系 统 中 油 泵 的 排 量 由 执 行 器 的
流 量 需 求 和 油 泵 的 p Q 曲 线 共 同 实 时 调 节 , 操 作
敏 感 性 好 。
2) 正 流 量 泵 控 系 统 不 存 在 负 压 , 回 油 压 力 仅 仅
是 约 05MPa 的 背 压 , 因 此 回 油 功 率 损 失 几 乎 为 0。
参 考 文 献 :
[1] 张 宏 , 杨 裕 丰 , 杨 梅 .Bauma2010 挖 掘 机 观 感 [J]. 建 筑 机 械
化 ,2010(6):20-21.
[2] 孙 世 荣 , 袁 启 昌 , 薄 翠 梅 . 六 面 顶 金 刚 石 压 机 液 压 系 统 压 力 及
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[J]. 机 械 工 程 学 报 ,2001(11):50-53.
[4] 张 德 胜 , 郭 勇 . 液 压 挖 掘 机 典 型 液 压 控 制 系 统 分 析 [J]. 建 筑
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[5] 张 栋 . 基 于 功 率 匹 配 的 挖 掘 机 节 能 控 制 技 术 的 研 究 [D]. 长
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[6] 何 清 华 , 张 大 庆 , 郝 鹏 , 等 . 液 压 挖 掘 机 工 作 装 置 仿 真 研 究
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