一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法技术方案

一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法，属于工程机械挖掘机控制技术领域。本方法以液压泵排量为控制对象，在不同负载需求时，选择不同的控制策略。在轻载与中载的负载要求时，选择高效作业为目标，按照发动机工作点，控制液压泵排量，提高作业效率。在重载的作业要求时，选择经济作业为目标，按照负载流量的需求，反向控制液压泵排量，选择合理工作点，降低作业的燃油消耗。本为挖掘机节能作业提供了新的策略选择方式，可以按照实际作业要求，选取最符合工程实际的节能方法。节能方法。节能方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法


[0001]本专利技术属于工程机械挖掘机控制
，具体是基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法。

技术介绍

[0002]挖掘机等工程机械有着机械匹配性好，可进行高难度作业等优点，但是由于有发动机、液压元件、管路损失、油缸等很多结构件消耗的影响，使实际用于挖掘作业的能源的利用率只有20％左右。然而挖掘机作为机械行业中最重要的产品之一，与国家的经济紧密相。在世界各国大力发展经济的趋势下，挖掘机的需求已然出现了“井喷”的趋势。为顺应全球节能环保的呼吁，对挖掘机的节能技术的研究也是势在必行。
[0003]针对液压挖掘机而言，液压系统与动力系统的能量损失是限制液压挖掘机能效的最重要因素。因此实现挖掘机的节能主要可以通过两个方向来考虑。一个是发动机与液压泵之间的动力系统的功率匹配，目的是提高挖掘机作业效率，进而降低挖掘机燃油消耗率。另一个是液压泵与各液压缸的流量匹配，目的是实现液压泵的输出流量与作业装置需求流量相适应，目的是保证挖掘机正常作业的前体下，降低液压系统由于多余液压油流动造成的各种损失。
[0004]因此本专利技术就挖掘机开展节能技术的需求，提出了一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种液压挖掘机的节能方法。本专利技术主要的节能方式为：
[0006]在挖掘机轻载与中载作业的高效模式区，通过发动机确定的模式与工作点，保持发动机输出功率不变，控制液压泵排量，采用恒功率控制，令液压泵输出功率与发动机输出功率动态匹配，使液压泵充分吸收发动机的输出功率，提高挖掘机作业效率。
[0007]在液压挖掘机重载作业的经济模式区，通过先导信息，估计负载流量需求，调节液压泵流量与负载需求流量匹配，改变液压泵排量完成液压泵流量输出要求。在液压泵排量确定后，计算液压泵输出功率，选择最合理的发动机工作点，改变发动机的转速与液压泵排量，使液压系统的流量匹配与动力系统的功率匹配均达到良好的效果。控制原理如图1所示。
[0008]为了实现上述的目的，本专利技术的技术方案是：
[0009]一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法，步骤如下：
[0010]步骤1、挖掘机工作模式与工作点的选取
[0011]根据实际挖掘机作业需求，将工作模式定义为经济模式与高效模式。其中，高效模
式为挖掘机的挖掘负载为轻载与中载时选择的作业模式；经济模式为掘机的挖掘负载为重载时选择的作业模式。
[0012]通过挖掘机中发动机的转速范围，在各工作模式内部设置n个工作点，每个工作点对应唯一的转速、转矩与功率，如图2所示。
[0013]综上，可以确定挖掘机的两种工作模式及其内部工作点数值。
[0014]步骤2、发动机的传递函数模型的建立
[0015]1)根据发动机的万有特性曲线图，显示的不同的转速、转矩对应下的燃油消耗率。在万有特性曲线图上进行取点并利用取点数据进行插值拟合，利用插值拟合的结果获得发动机关于转速与转矩的燃油消耗率的三维模型，如图3所示。
[0016]2)利用步骤1)得到的燃油消耗率的三维模型，通过步骤1选取的不同工作模式及其工作点对应的唯一转速、转矩，确定每个工作点对应的燃油消耗率。
[0017]3)根据经验公式与燃油消耗率的三维模型，在matlab/Simulink中建立发动机的传递函数模型。发动机的传递函数模型以挖掘机工作模式及其工作点作为模型输入变量，输出该工作模式与工作点的转速、转矩、功率、燃油消耗率。
[0018]步骤3、液压泵传递函数模型的建立
[0019]从液压泵内部结构开始：
[0020]1)建立电磁比例减压阀输出的二次压力对输入电磁阀电流的传递函数；
[0021]2)建立控制活塞位移对电磁比例减压阀输出的二次压力的传递函数；
[0022]3)建立伺服阀位移与控制活塞位移之间比例方程；
[0023]4)建立变量活塞位移对伺服阀位移的传递函数；
[0024]5)将步骤1)至步骤4)所得结果相乘，得到以电流为输入，变量活塞位移为输出的传递函数。
[0025]将变量泵的排量计算公式与步骤5)得到的传递函数联合，在matlab/Simulink中建立液压泵传递函数模型。液压泵传递函数模型的输入为液压泵排量，输出为电磁阀的控制电流。
[0026]步骤4、挖掘机整体控制模型的建立
[0027]利用matlab/Simulink，将步骤3与步骤4得到的发动机的传递函数模型与液压泵传递函数模型通过负载压力或负载流量进行连接，获得到挖掘机控制的总体模型。挖掘机控制的总体模型是以发动机的传递函数模型中的发动机工作模式及工作点、负载压力、负载流量为输入，利用转矩与负载压力比值关系或利用负载流量与转速比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型的电磁阀电流。
[0028]步骤5、选择挖掘机的节能匹配方式
[0029](1)确定工作模式
[0030]1)确定的工作模式为高效模式时，选择步骤1所述的n个工作点中的一个工作点，并利用挖掘机控制的总体模型，以负载压力和转矩为输入，利用该工作点下的转矩与负载压力比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型获得电磁阀电流；该电磁阀电流定为目标电流，去改变实际的液压泵排量，实现挖掘机的高效控制。
[0031]高效模式下动力系统的功率匹配规则为：考虑液压泵的容积效率、机械效率与发动机的机械效率的情况下，进行液压泵的恒功率控制,令液压泵的输出功率与发动机的输
出功率动态相等。其中，恒功率控制方式为，在工作点转速确定的情况下，已知各转速下的恒功率曲线，根据负载压力的变化，改变液压泵排量，使由转速、负载压力、液压泵排量决定的液压泵输出功率约等于确定的工作点对应的唯一的功率值。
[0032]控制流程如图4所示。
[0033]2)确定的工作模式为经济模式时，选择步骤1所述的n个工作点中的一个工作点，并利用挖掘机控制的总体模型，以负载流量和转速为输入，利用该工作点下的转速与负载流量比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型的电磁阀电流获得电磁阀电流；该电磁阀电流定为目标电流，去改变实际的液压泵排量；根据改变后实际的液压泵排量得到液压泵输出功率，匹配该液压泵输出功率下的新的工作点，以新的工作点为输入，利用挖掘机控制的总体模型获得新的目标电磁阀电流，去改变实际的液压泵排量，实现挖掘机的经济控制。
[0034]经济模式下液压系统的流量匹配规则为：考虑液压回路的沿程损失与溢流损失的情况下，令负载流量与液压泵输出流量动态相等。以液压泵输出流量与负载流量相匹配为前提，根据发动机转速改变液压泵排量。
[0035]经济模式下动力系统的功率匹配规则为：根据液压系统的流量匹配规则计算获得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、挖掘机工作模式与工作点的选取根据实际挖掘机作业需求，将工作模式定义为经济模式与高效模式；其中，高效模式为挖掘机的挖掘负载为轻载与中载时选择的作业模式；经济模式为掘机的挖掘负载为重载时选择的作业模式；通过挖掘机中发动机的转速范围，在各工作模式内部设置n个工作点，每个工作点对应唯一的转速、转矩与功率；步骤2、发动机的传递函数模型的建立1)根据发动机的万有特性曲线图，显示的不同的转速、转矩对应下的燃油消耗率；在万有特性曲线图上进行取点并利用取点数据进行插值拟合，利用插值拟合的结果获得发动机关于转速与转矩的燃油消耗率的三维模型；2)利用步骤1)得到的燃油消耗率的三维模型，通过步骤1选取的不同工作模式及其工作点对应的唯一转速、转矩，确定每个工作点对应的燃油消耗率；3)根据经验公式与燃油消耗率的三维模型，在matlab/Simulink中建立发动机的传递函数模型；发动机的传递函数模型以挖掘机工作模式及其工作点作为模型输入变量，输出该工作模式与工作点的转速、转矩、功率、燃油消耗率；步骤3、液压泵传递函数模型的建立从液压泵内部结构开始：1)建立电磁比例减压阀输出的二次压力对输入电磁阀电流的传递函数；2)建立控制活塞位移对电磁比例减压阀输出的二次压力的传递函数；3)建立伺服阀位移与控制活塞位移之间比例方程；4)建立变量活塞位移对伺服阀位移的传递函数；5)将步骤1)至步骤4)所得结果相乘，得到以电流为输入，变量活塞位移为输出的传递函数；将变量泵的排量计算公式与步骤5)得到的传递函数联合，在ma...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟嵬，张靖文，宋学官，桑勇，曹旭阳，李国锋，牛东东，邓剑洋，康杰，罗旋，孙伟奇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：