電控正流量挖掘機分工況功率匹配研究

樊一寧，杜常清，鄒斌，徐玉兵

(1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070；2.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北武漢 430070)

0 前言

挖掘設備是工程施工的主要機械裝備之一，廣泛應用于礦山挖掘、交通運輸、道路建設等機械化施工中[1]。但在能量傳遞的過程中，發動機的輸出功率與挖掘機輸出的有效功率并不相等，大部分功率被消耗，包括節流損失、溢流損失、沿程損失、勢能損失以及功率不匹配導致的能量損耗，其中大部分功率消耗在了液壓系統的各元件中[2]。

挖掘機的流量控制方式有負流量控制、正流量控制以及負載敏感控制。負流量系統仍然無法從根本上解決挖掘機外負載劇烈變動的問題，導致柴油發動機的工作點頻繁波動，從而降低發動機燃油效率[3]，因此文中選用正流量控制方式。

國內挖掘機廠商由于技術相對滯后，大多采用成本較低、結構較簡單的負流量控制液壓挖掘機，然而近些年，國內廠商逐漸研究性能更好的正流量控制方式，但技術相對不是很成熟[4]。針對于國內挖掘機的發展方向，許多學者進行了深入的研究。青島大學丁波[5]建立了正流量恒功率泵模型，分析了恒功率特性，驗證了模型的可行性；燕山大學王維福[6]以正流量挖掘機為研究對象，對挖掘機正流量液壓系統壓力損失進行了分析，改進多路閥合流方式，降低了能量損耗。但是關于正流量控制系統的研究仍然存在許多問題，如針對雙泵的功率匹配研究較少、恒功率控制特性差、系統震動問題嚴重等。

針對目前電控正流量挖掘機系統研究較少、空載時能量損失較大、發動機與主泵功率不匹配以及節能控制效果不佳的問題，本文作者以某公司大型挖掘機為研究對象，搭建基于AMESim和Simulink的挖掘機電液系統聯合仿真平臺，通過分工況功率匹配仿真實驗研究，驗證所搭建的電控正流量挖掘機系統的有效性。

1 正流量挖掘機分工況功率匹配研究

1.1 電控正流量系統原理分析

正流量挖掘機在反饋速度及節能效果上表現突出。電控正流量變量泵增加了2個電磁比例閥，可以在控制器中對輸入信號進行控制算法處理，以改變變量泵排量，實現對主泵的恒功率控制[7]。表1對比了3種挖掘機流量控制方式，從節能等7個方面進行對比分析。

表1 正負流量特性對比

由表1可知，正流量系統性能優越，文中所研究的挖掘機控制系統采用的電液伺服系統控制原理如圖1所示。

圖1 電液比例系統結構

1.2 分工況控制分析

挖掘機的實時工況十分復雜，為了保證在應對不同工況時挖掘機可以采用不同的功率模式以降低能耗，采用分工況功率匹配的方式來適應不同的作業要求。

文中研究的挖掘機按照所需功率不同可以分為重負荷作業模式、標準作業模式以及普通作業模式。重負荷作業模式下，發動機處于全油門工況，發動機工作于外特性曲線上，發動機輸出該轉速下的最大功率。標準作業模式適用于挖掘機正常工況，該模式發動機處于全油門的90%，在提供較大功率的同時，可以節省燃油。普通作業模式，該模式發動機處于全油門的80%，更加注重經濟性，對需求功率和燃油消耗率的要求不高，挖機運行平穩。文中研究挖掘機發動機轉速扭矩曲線和轉速功率曲線如圖2、3所示。

圖2 發動機轉速-扭矩 圖3 發動機轉速-功率

實車試驗中，發動機擋位通過旋鈕調節，共10個擋位，通過對比發動機油門的噴油量與目標轉速噴油量，使發動機可以在目標轉速下工作。不同工況模式可以在儀表盤上進行調節。當發動機長時間無動作時將進入怠速模式，也可人工調節，由圖4中“烏龜”及“兔子”顯示。

圖4 挖掘機控制界面

2 基于AMESim的正流量系統建模

文中選用AMESim作為仿真分析的軟件。AMESim的建模仿真過程基本可以分為4步：建立草圖、子模型選擇、參數設置和求解[8]。

模型主要包括液壓泵組、多路閥組、執行機構的建模。根據研究車型的液壓原理，運用AMESim進行建模，如圖5所示。

圖5 全電控正流量液壓泵組

2.1 三位六通換向閥

三位六通換向閥的原理如圖6所示。A、B口連接油缸的大腔和小腔，P、D口負責連接主泵，T口直接連接接回油路，C口負責連接下一主閥的P口。當換向閥的閥芯位于中位時，液壓油直接從D口流入，通過C口流回油箱。當先導壓力存在時，換向閥接收到先導信號后切換至左位或右位，進一步分配流量。

圖6 三位六通換向閥原理

2.2 電控正流量泵

電控正流量液壓泵主要由2個變量液壓泵、1個先導泵、1個電磁比例閥以及變量機構組成[5]。在AMESim軟件中建立圖7所示的電控正流量泵元件級模型。

圖7 電控正流量液壓泵AMESim模型

2.3 模型組成

通過對動臂、斗桿和鏟斗液壓缸進行參數設置，如表2所示，在AMESim中建立圖8所示的液壓模型。

圖8 AMESim被控對象模型

表2 液壓元件參數設置單位：mm

3 基于Simulink的控制策略建模

基于MATLAB強大的數值計算能力，在Simulink下建立系統框圖和仿真環境，在各個工程領域發揮巨大的作用[9]。

在Simulink中基于Stateflow搭建電控正流量挖掘機系統模型，主要分為輸入信號處理、轉速感應控制、控制對象狀態判斷、電磁閥流量分配以及雙泵排量信號處理5個模塊。通過聯合仿真，驗證控制策略的有效性。控制策略如圖9—11所示。控制流程如圖12所示。

圖9 輸入信號處理及轉速感應模塊

圖10 控制對象狀態判斷及電磁閥流量分配模塊

圖11 雙泵排量信號處理模塊

圖12 控制流程

3.1 輸入信號處理模塊

輸入信號處理模塊中，手柄信號即輸入信號。通過采集手柄先導信號，為防止輸出信號在2種信號之間變化過于頻繁，對手柄信號設置±0.5的死區，設計一階低通濾波器處理濾波，去除信號中的噪聲。接收x、y方向上在內的共6個手柄先導信號、液壓泵出口壓力信號、發動機轉速信號和挖掘機啟停開關信號。通過CAN解析后，結合查表模塊得出執行機構的需求流量[10]。

文中采用最通用的一階低通濾波器，其數學模式如式(1)所示：

Yn=qXn+(1-q)Yn-1

(1)

式中：q為濾波器的時間常數，取q=0.15；Xn為第n次采樣時的濾波器輸入；Yn為第n次采樣時的濾波器輸出。

3.2 轉速感應控制模塊

轉速感應控制模塊通過采集發動機實時轉速，與目標轉速進行對比，將差值發送到工作區間，為后續電磁閥流量分配和開度信號提供目標值。同時在分工況控制模式中，需要提供目標轉速及其噴油量，以便通過噴油量的變化使發動機在目標轉速下工作。

3.3 控制對象狀態判斷模塊

控制對象狀態判斷模塊的總體目標是根據工作裝置的需求量信號，采集各執行機構以及鑰匙的控制狀態，從而判斷液壓系統的工作狀態，給出狀態信號。圖13、14分別為狀態判斷模塊控制流程以及判斷鏟斗狀態的Stateflow模塊。

圖13 狀態判斷模塊控制流程

圖14 鏟斗狀態判斷模塊

3.4 電磁閥流量分配模塊

電磁閥流量分配模塊總體目標是根據上2個模塊輸出的執行機構狀態信號和需求流量，結合發動機轉速信號以及變量泵出口壓力信號實現各執行機構的控制過程，輸出各執行機構的換向閥開度、合流信號以及p1、p2側油路需求總流量。該模塊流程如圖15所示。

圖15 流量分配模塊控制流程

控制策略模塊整體結構如圖16所示。在該子模塊中，首先是根據泵控制曲線的I-Q曲線，結合發動機轉速得到相應轉速下的動臂/斗桿合流的流量閾值，然后對動臂、斗桿進行主副閥流量分配，并將工作裝置的輸入信號進行整合，結合狀態信號，通過Stateflow邏輯模塊輸出相關的控制閥開度、合流信號以及流量信號。

圖16 電磁閥流量分配控制策略模型

由于模型是雙變量泵工作，因此，為了提高工作效率，在挖掘機單動作時有一套獨立的供油規則，如表3所示。邏輯模塊內部如圖17所示。

圖17 流量分配函數模塊

圖18 動臂動作主副閥流量分配

表3 單動作供油策略

液壓油先經過多路閥，之后進入執行機構油缸，閥口開度與經過多路閥的液壓油流量有關，流量特性如式(2)所示：

(2)

式中：C為流量系數；ρ為液壓油密度；A為多路閥閥口開度；Q為流經閥口的流量，即相應執行機構的需求流量；Δp為流過控制閥的液壓油前后壓力差，可由主閥參數表中的壓降數據計算得到。即可根據式(2)得到多路閥開度信號。

3.5 發動機-泵功率匹配

發動機-泵功率匹配的目的是使發動機的輸出扭矩充分被液壓泵吸收。恒功率泵通過調節排量對泵的功率進行控制，使穩定轉速下運行的發動機輸出的扭矩為一個定值。 發動機的輸出功率應被泵完全吸收，即發動機的輸出功率應與泵的吸收功率相等，如式(3)所示：

Ne=Np

(3)

式中：p1、p2、q1、q2分別為主泵1和主泵2的液壓油出口壓力和液壓油排量。因為發動機和變量泵處于同一軸，因此滿足式中ne=np，在此前提下，如果要使發動機發出的功率損失最小，理論上則應該滿足變量泵的吸收扭矩Mp實時跟蹤發動機的輸出扭矩Me。主泵的出口壓力只由受到的外負載決定，因此在實際工況中，要求控制器可以實時地調節變量泵的排量。

3.6 泵恒功率控制

在發動機-泵的功率匹配中，大多采用恒功率控制的方式提高功率利用率。恒功率控制是一種變量泵控制方法，可以保證泵的輸出壓力與輸出流量的乘積為一定值，根據系統中壓力的變化，調節變量泵排量[11]。恒功率控制的難點在于精確恒功率控制的輸出特性，充分利用柴油機功率。傳統挖掘機采用分功率控制的控制方式，即雙泵都擁有一個恒功率調節器，雙泵的流量受各自所在回路壓力的影響，每個泵最多只能吸收柴油機50%的功率。當一個泵的壓力過低時，另一個泵無法吸收多余功率，柴油機功率無法充分利用，造成極大的功率浪費；同時因為分功率控制是將雙變量泵直接組合在一起，且只有在泵壓力調節范圍內才能充分利用發動機功率，嚴重限制了挖掘機的工作能力，因此不采用分功率控制。文中提出的基于雙變量泵的發動機-泵功率匹配方法采用恒功率控制，解決了分功率控制中每個泵只能吸收發動機50%功率的問題，極大提高了發動機功率的利用率，使電控正流量系統挖掘機可以在不同工況下實現恒功率控制，實現發動機的功率控制，其控制框圖如圖19所示。通過比較雙泵總的需求功率與發動機額定功率，可以進一步達到提高功率利用率的目的。當雙泵總的需求功率小于發動機的額定功率時，泵1與泵2的輸出功率按采集到的泵出口壓力與需求流量的乘積，即雙泵的需求功率進行輸出。當雙泵總的需求功率大于發動機的額定功率或者二者相同時，泵1與泵2的輸出功率全部按照發動機的額定功率進行按比例分配，同時滿足泵1與泵2的功率需求。

圖19 恒功率控制流程

4 電控正流量挖掘機仿真分析

4.1 聯合仿真

文中采用AMESim與Simulink進行聯合仿真。流程如下：

在AMESim中建立SimuCosim接口，連接模型，設置模型參數；AMESim在所屬文件路徑生成可在Simulink中加載的.mex64文件；在Simulink中建立AME2SLCoSim接口，連接模型，加載.mex64文件，進行仿真。圖20和圖21分別為在Simulink和AMESim中建立接口模塊。

圖20 Simulink聯合仿真模塊

圖21 AMESim聯合仿真模塊

進行單動作仿真時，控制手柄信號觀察執行機構液壓缸的響應情況[12]。表2中列舉了液壓元件的參數設置，除此之外的液壓元件均采用默認參數。圖22—24為各動作仿真曲線。

圖22 動臂油缸仿真曲線

4.2 單動作仿真

挖掘機的運動可拆分成7個基礎動作：動臂提升下降、斗桿內收外擺、鏟斗挖掘卸載、回轉左右回轉。增加負載后開始仿真。文中以動臂提升下降仿真曲線為例，研究所建模型系統的輸出特性。

如圖22所示，動臂油缸在仿真開始階段處于位移為0位置，活塞桿全部縮回。t=1 s時，給出先導壓力，閥芯位移，活塞桿移動。動臂油缸大腔和小腔壓力急速上升，在短暫的系統震蕩后，在t=1.4 s處壓力趨于穩定。在t=3.2 s時，活塞運動到極限位置，動臂油缸大腔壓力快速上升到最大壓力，小腔壓力快速下降，由于中間沒有給出先導壓力，大小腔壓力基本不變。當t=5.5 s時，先導壓力使換向閥打開，活塞桿下降，動臂靠自身重力快速下降，因此下降時的缸內壓力低于提升時的缸內壓力。到t=7.5 s時，動臂油缸活塞移動完畢，關閉換向閥，動臂油缸大腔壓力迅速降低，基本趨向于0。

斗桿油缸、鏟斗油缸仿真曲線分別如圖23—24所示。經過分析，動臂、斗桿和鏟斗機構的仿真特性符合預期。

圖23 斗桿油缸仿真曲線

圖24 鏟斗油缸仿真曲線

4.3 泵恒功率控制算法對比

通過仿真分析對比2種泵恒功率控制算法：(1)傳統的分功率控制；(2)文中改進的恒功率控制。按動臂提升單動作為例，工作區間1～3 s，設置最大功率為128 kW，仿真曲線如圖25所示。

圖25 改進泵控制曲線

由圖25得出：在分功率控制下，雙泵功率平均分配，泵1功率為64 kW，泵2吸收30 kW，超過30 kW的功率無法被有效利用，造成嚴重的功率浪費；在改進恒功率控制下，可以滿足泵1的功率需求，發動機功率得到充分利用，符合性能要求。

5 電控正流量挖掘機實驗研究

5.1 實驗設備

通過以上仿真測試驗證了搭建的電控正流量系統的有效性，之后進一步通過實驗驗證，同時驗證分工況功率匹配特性。圖26是測試用機型。

圖26 實驗機型

5.2 分工況實驗結果分析

在實車實驗中，改變工況模式的同時采用復合動作測試，測試開始時，鏟斗尖接觸地面。如圖27所示，給手柄先導信號，動臂開始提升，雙泵壓力在提升的過程中存在系統震蕩，開始時存在一定的壓力波動。在動臂到達一定高度之后，8～10 s存在短暫的懸停時間，10 s時，開始操作斗桿外擺和鏟斗卸載，14 s左右操作動臂下降一定高度，18 s左右開始操作斗桿內收和鏟斗挖掘，一共4個階段。

圖27 主泵出口壓力曲線

如圖28、29所示，由雙泵的出口流量曲線可以得出：選擇不同模式，增加油門開度時，泵的出口流量加大，發動機輸出功率增大，泵的吸收功率同時增大。主泵的輸出功率曲線在不同的工況模式下整體走勢較為平緩，達到了泵的恒功率控制，實現了對發動機的功率控制。

圖28 主泵1實驗曲線

圖29 主泵2實驗曲線

6 結論

文中以某大型挖掘機系統為研究對象，基于AMESim和Simulink建立了聯合仿真平臺，搭建了電控挖掘機系統，提出了一種雙變量泵的發動機-泵恒功率控制方法，通過對挖掘機單動作的仿真驗證了模型的有效性。在實車實驗中，采集了不同工況模式下挖機復合動作的雙泵出口壓力、出口流量以及輸出功率，得到實驗曲線。結果表明：文中所設計的仿真模型以及功率匹配策略表現良好，仿真和實驗中，在不同的工況模式均可以保證泵的恒功率特性，實現對發動機的功率控制。