液壓系統的功率控制研究

王 歡，李康兵

(山河智能股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

工程機械是我國裝備工業的重要組成部分，廣泛使用燃油發動機和液壓傳動技術。根據工程機械的工況，充分利用發動機功率，使發動機工作在高動力、高效率或低燃油消耗率的區域，合理地控制液壓系統中泵的扭矩或功率是一種有效的手段。

液壓系統由動力源、執行器、控制閥和輔件組成，作為動力源的液壓泵根據其排量是否可調分為變量泵和定量泵。液壓系統的功率由壓力和流量決定，而流量取決于液壓泵的排量和泵的輸入轉速，或取決于控制閥進行的針對流量的直接或間接調整。余丙才等[1]介紹了一種改進的柱塞泵杠桿調節恒功率的控制機構。何清華等[2]通過分析發動機-泵-負載匹配原理，提出了變功率與恒功率相結合的協調控制，降低了發動機隨負載的波動，提高了燃油經濟性。唐維定[3]通過調整電機轉速進行功率控制，提出了針對泵輸入轉速進行調速的控制策略。邢彤等[4]介紹了盾構設備液壓系統中的多驅動泵的恒功率控制，主要分析計算了功率限制閥的調節參數及基本特性。根據液壓系統的基本技術原理，功率控制一般都圍繞工作壓力、泵排量、輸入轉速或控制閥參數的調整進行，本文結合這些因素來分析和研究工程機械中常見的功率控制方案原理、規律和特點。

1 功率控制基本原理

隨著控制技術的發展，工程機械液壓系統中的恒功率控制可以結合傳感器、工作壓力、泵或馬達的排量、比例電磁鐵和高速開關閥等進行，且應用越來越廣泛。液壓泵的功率滿足以下規律：

P∝P(p,Q(Vg,n)).

(1)

其中：P為功率；p為工作壓力；Q為泵輸出流量；Vg為泵的排量；n為泵的輸入轉速。

根據靜液壓傳動理論，壓力由負載確定，與工況相關。對于執行器排量可調節的系統，可通過調整執行器排量來調節工作壓力；對于執行器排量不可調節的系統，功率的調節須根據工況來調節泵的排量或輸入轉速，本文主要針對執行器排量不可調節的液壓系統進行分析。

對于應用變量泵的液壓系統，多數工況下液壓泵在較穩定的發動機轉速下運行，且泵的容積效率在較大壓力范圍內效率較高[5]，因此式(1)的功率調節常用恒扭矩T表示，即：

T∝T(p,Vg).

(2)

從式(2)得出液壓泵的恒扭矩滿足由壓力p和排量Vg組成的雙曲線特性。在恒扭矩工況時，液壓泵的排量依賴于工作壓力，負載壓力增大時，液壓泵的伺服變量機構將自動減少泵排量以滿足恒扭矩要求。

對于定量泵液壓系統，由于泵的排量固定，其功率的調整則只能根據負載情況調整液壓泵的輸入轉速或調整參與做功的流量。

對于多泵組合系統，總的功率滿足以下規律：

(3)

其中：m為泵的數量。

根據設備的特點和工況，功率控制方案中可選用控制器，并采集各負載情況、各泵的輸入轉速、各泵的工作壓力，結合式(1)的規律，采用既定的控制策略進行調整。

2 變量泵的功率控制

根據上述分析，當變量泵的輸入轉速一定時，泵恒功率的調整對應的是恒扭矩調整，其調整的常見機械液壓方式是利用雙彈簧變量缸的兩段直線逼近雙曲線；或利用液控減壓閥控制變量液壓缸的壓力從而控制泵的排量，也是雙彈簧的方式；或利用杠桿原理實現。其電控方式則是利用傳感器技術，通過控制器運算后控制泵排量或調整泵的控制壓力。

2.1 機械恒扭矩控制

圖1為利用杠桿原理實現的較吻合雙曲線規律的恒扭矩控制機構。圖1中，直角杠桿左側連接伺服閥，右側的變量機構作用力位置與泵的斜盤角度α相關，即S的大小，S越大，泵的排量越大；FF為恒扭矩的設置參數，FF設置越大，其與力臂a的乘積越大，恒扭矩值設置越高；FH為變量機構中工作壓力對直角杠桿的作用力。

圖1 杠桿原理實現的恒扭矩控制機構

圖1中的直角杠桿滿足以下規律：

FH·S=p·A·S=FF·a.

(4)

(5)

其中：A為直角杠桿上壓力的作用面積。

由式(5)可得出工作壓力和泵排量兩者的乘積滿足恒扭矩的要求，則滿足特定轉速時的恒功率要求。

發動機的轉速由油門大小和負載共同決定，發動機的任一轉速總對應一個最大的輸出扭矩，當油門固定時，負載增加到超過該扭矩則轉速下降；當負載不變時，改變油門大小可以改變發動機轉速。

圖2為某型工程機械的發動機性能曲線。由圖2可以發現:在轉速約為1 200 r/min～1 600 r/min時，發動機可輸出的扭矩最大，在低于和高于該轉速時，扭矩都會下降；隨著轉速的增加，發動機可輸出的功率也隨之增加，在轉速超過1 700 r/min時，功率達到最大；在轉速為1 300 r/min或1 800 r/min～2 000 r/min時，發動機的比油耗最低，燃油經濟性最好。實際應用中，常根據工況要求、設備施工特點、使用方式等來選擇是追求最大輸出功率、最大輸出扭矩還是最低燃油消耗。在需要發揮發動機最高功率時，發動機應工作在高轉速；而追求低的燃油消耗時，則發動機應工作在低轉速或比油耗合適的轉速區。

圖2 某型工程機械發動機性能曲線

液壓泵的機械恒扭矩應用中，常在設計或出廠時已標定好其恒扭矩參數，即當工作壓力達到恒扭矩標定值時自動減少泵排量，該扭矩與泵輸入轉速無關。這就存在一種缺陷，如圖3所示的某發動機扭矩與轉速的關系中，泵的需求扭矩在兩段剖面線區域，當發動機轉速較低或較高時，變量泵的工作壓力沒有達到恒扭矩標定值時不會自動減少泵排量，而發動機在相應的轉速時其扭矩卻可能無法滿足負載需求，存在發動機掉速甚至憋熄火的現象；當液壓泵的恒扭矩標定值低于發動機工作轉速對應的扭矩，則存在油耗浪費。

圖3 機械恒扭矩控制與發動機的匹配

鑒于以上原因，在節能匹配控制時可考慮多工況策略，將負載分為重載、輕載或高效等模式，各模式下在確保功率滿足時應使發動機盡量工作在合適的轉速區域。

2.2 電控恒功率控制

電控恒功率控制中，引入了傳感器技術和閉環電液控制技術，一種典型的電控恒功率原理圖如圖4所示。

圖4 典型的電控恒功率原理圖

在負載敏感泵的基礎上增設了檢測泵斜盤角度的傳感器及電液比例溢流閥，控制器實時地接收發動機轉速及其扭矩，檢測泵的排量，并根據既定的控制策略輸出相應的電流到電液比例溢流閥，即確定了當前狀態時設備的最大功率。當工作壓力升高到超過比例溢流閥的壓力時，溢流閥工作溢流，負載敏感泵閥芯向右移動，壓力油進入變量液壓缸從而使泵的排量減少；此時泵上的斜盤角度傳感器將排量減少的信號反饋到控制器，經控制器運算后輸出電流到電液比例閥增大其溢流壓力，實現式(1)的恒功率調節過程。

其他電控方式還有采用電比例排量控制泵，控制器實時地接收發動機轉速及其扭矩檢測系統的工作壓力，當出現壓力升高導致泵扭矩超出發動機輸出扭矩時，經控制器運算后輸出信號自動減少泵的排量。

采用電控恒功率控制，可實現泵需求扭矩、功率與發動機扭矩、功率的完全匹配，如圖5所示。

圖5 電控恒功率與發動機的匹配

相比機械液壓的控制方式，電控恒功率控制具備以下優點：可以根據發動機的轉速和扭矩及設備的工作模式設定泵參數，使發動機工作在最佳燃油消耗區或充分利用發動機功率；也可以給泵設定多種扭矩值，進行多點扭矩控制；還可設置極限載荷控制方案，當檢測到因負載過大而使發動機出現掉速時，立刻減少變量泵的排量，從而減少液壓泵的輸入功率，可避免發動機熄火，使設備適應復雜施工環境的能力更強。

3 定量泵的功率控制

小功率工況中應用定量泵相對較多，且采用電機驅動的方式較常見，利用變頻驅動技術，改變交流電的頻率從而改變電機轉速，控制液壓泵的輸入轉速和輸出流量，進而進行功率控制。定量泵的功率控制中，式(1)中Vg為常數，故只能根據工況、負載壓力控制泵輸入轉速或負載工作速度。在定量泵的輸入轉速固定時，改變負載工作速度常通過流量控制閥實施。

定量泵的功率控制原理圖如圖6所示。系統中設置了壓力傳感器S1，其檢測的壓力值為工作壓力和定壓差閥的壓差之和，定壓差閥的壓差一般為0.7 MPa～0.9 MPa。圖6中，Y1為電液比例流量控制閥，Q1為流量控制閥輸出的工作流量，p1為工作流量對應的工作壓力，Q2為旁通至液壓油箱、不參與做功的流量。Q1和Q2和的總流量與定量泵輸出的流量相等，溢流閥作為安全閥使用。控制器根據檢測的工作壓力，按既定策略更改電液比例流量閥Y1的控制電流,從而調整進入執行器的工作流量，實現其功率控制。

圖6 定量泵的功率控制原理圖

4 多泵組合系統的功率控制

工程機械的種類繁多，利用液壓系統實現的動作也很多，往往使用多個液壓泵進行組合，其功率的控制應滿足式(3)所示的功率總和不超過發動機允許值，前述的機械液壓方式和電控方式均可滿足要求。多個泵的功率控制可以采用分別控制的方式，即各泵的工作互不相干，又稱分功率控制，其不足之處是負載有較大區別時，各泵的輸出流量不一致，不適合要求直線行走的工況。可以將各泵的工作壓力都采集到一套變量機構中，各泵的排量根據壓力同步變化，也稱總功率控制[6]，該方式如果應用在要求直線行走的工況，則效果會明顯改善。還可以采用帶有液壓耦合的交叉功率控制，各泵的伺服變量調節機構迭加了自身和其他泵的工作壓力，各泵的變量機構同步動作，也可單獨控制。

總功率控制和分功率控制都只能控制液壓系統的總功率，對于發動機驅動而言，同樣存在發動機較低速或較高速時扭矩偏低不能滿足液壓需求扭矩的問題，尤其在液壓行走機構中更明顯。結合發動機轉速及扭矩來控制泵排量的電控恒功率則能更好地匹配設備的功率需求。

5 結論

本文通過分析功率控制基本原理、機械恒扭矩調節機構的原理和發動機的工作特性，發現了機械恒扭矩控制在實際應用中存在的問題，并針對性地提出了多工況策略的解決方案；利用電控恒功率控制方式妥善解決了發動機轉速較高和較低時其扭矩無法滿足泵恒扭矩自動調節的問題，最大限度地利用發動機功率、扭矩，可合理地減少油耗。