液壓挖掘機復合控制泵的建模方法研究

劉金剛，唐文斌，鄭少青，祝建仁，李少云

（湘潭大學機械工程學院，湖南 湘 潭 4 11105）

隨著科技的進步，計算機及一些仿真軟件的出現，模擬仿真已成為設計制造的第一步，仿真結果對設計制造具有重要的指導意義。隨著我國液壓挖掘機迅速發展，很多學者對挖掘機液壓系統進行了仿真研究[1~3]，但是文獻中的仿真模型，都是選用定量泵模型代替變量泵模型。目前定量泵在挖掘機液壓系統中已經被淘汰，對定量泵挖掘機系統的仿真，不能滿足對目前挖掘機系統的研究，其仿真結果也沒有太大的參考價值。

也有很多學者詳細地分析和研究了液壓變量泵，根據變量泵的幾何參數，搭建了復雜的仿真模型[4~5]，這種建模方法復雜，且仿真結果與實際有一定的誤差，因此對挖掘機液壓系統研究時，這種方法也不可取。

考慮上述兩種情況，本文提出了一種新的變量泵建模方法——根據泵的實驗數據和控制方式建模，該建模方法簡單，仿真結果與實驗數據吻合。本文討論的的變量泵模型具有恒功率控制、負流量控制、壓力切斷控制功能[6]，與挖掘機實際控制方式相符，為液壓挖掘機系統仿真分析提供了有效的幫助。

1 建模的思路及依據

本文研究液壓挖掘機的變量泵，具有恒功率控制、負流量控制、壓力切斷控制功能，在挖掘機工作時，3種控制系統是相互獨立、互不影響的，由于各控制系統的目的，是使挖掘機系統在各種工況下節能，故在控制器輸出時，應遵循最小能耗原則[7~8]，即哪一個控制器的輸出能使發動機負載功率最小，則選擇哪一個控制器的輸出。因為控制器輸出的是排量，所以任何時刻都是使泵輸出排量最小的控制系統起作用。

恒功率控制系統泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關系為

壓力切斷控制系統中泵出口流量Qq與泵出口壓力P的關系為

負流量控制系統中泵出口流量Qf與負流量控制壓力Pi的關系為

上述3式中，

W為發動機的額定功率；

Qmax為泵出口最大流量；

P為泵出口壓力；

PS為恒功率控制泵的啟調壓力；

PCO為壓力切斷閥切斷壓力。

恒功率控制泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關系，負流量控制泵出口流量Qf與負流量控制壓力Pi的關系，可以通過實驗得出。將實驗數據在MATLAB中用線性插值法，可以繪制P-Qh曲線、Pi-Qf曲線如圖1、圖2所示，然后將兩曲線分別保存到二維數組 A[P，Q]、B[Pi，Q]中，最后輸出 P-Q.dat和Pi-Q.dat文件。壓力切斷控制時的切斷壓力PCO根據系統要求設定，一般比負載最大壓力大一點。根據最小能耗原則，具有這3種控制方式的變量泵出口流量

圖1 恒功率控制時的實驗數據

圖2 負流量控制時的實驗數據

2 單控制方式液壓泵的建模

2.1 液壓泵恒功率控制模型

在AMEsim中搭建恒功率泵的仿真模型，如圖3所示。

圖3 液壓泵恒功率控制模型

在圖3中，通過可調溢流閥來調節負載壓力從0上升到35MPa，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，信號函數的文本數據設置為P-Q.dat數據文件，運行仿真后，可得到泵出口流量與壓力的曲線，如圖4所示。

圖4 恒功率泵出口流量壓力曲線

對比圖1的P-Q曲線可知，仿真結果與實驗數據吻合，因此該恒功率控制變量泵模型能夠反映實際情況。

2.2 液壓泵負流量控制模型

在AMEsim中搭建負流量控制泵的仿真模型，如圖5所示。

圖5 液壓泵負流量控制模型

在圖5中負流量控制口壓力由壓力源輸入0～4 MPa的壓力，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，信號函數的文本數據設置為Q-Pi.dat數據文件，運行仿真后，可得到泵出口流量與負流量控制口壓力的曲線如圖6所示。

圖6 泵出口流量與負流量控制口壓力曲線

對比圖2的Q-Pi曲線可知，仿真結果與實驗數據吻合，該負流量控制模型是有效的。

2.3 液壓泵壓力切斷控制模型

在AMEsim中搭建液壓泵壓力切斷控制模型，如圖7所示。

圖7 液壓泵壓力切斷控制模型

圖7中可調溢流閥來調節負載壓力從0上升到40 MPa，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，假設液壓系統中壓力切斷閥的切斷壓力PCO=36 MPa，泵出口流量壓力如圖8所示。當泵出口壓力達到36 MPa時，泵出口流量為0，所以該模型具有壓力切斷功能。

圖8 液壓泵出口流量壓力曲線

從上述3種控制方式的變量泵模型可以看出，這種根據實驗數據建立的模型，仿真結果完全取決與實驗數據，不會像根據幾何尺寸建模那樣，模型仿真結果與實驗數據有一定的誤差。

所以在挖掘機液壓系統仿真中，這種變量泵模型要優于根據幾何尺寸所建的模型。下面的工作就是把這3種單獨控制模型組合在一起，建立一個具有這3種功能的變量泵模型，并在液壓系統中仿真分析，證明該變量泵模型能夠實現復合控制。

3 挖掘機回轉油路復合控制系統仿真分析

3.1 挖掘機回轉油路建模

以挖掘機回轉油路為例，結合上述3種控制方法，在AMEsim中搭建回轉換向閥的復合控制仿真模型如圖9所示。

圖9 挖掘機回轉油路復合控制仿真模型

在圖9中，可調溢流閥代替負載裝置，負載壓力通過壓力源設定，多路換向閥模型由HCD庫的元件組合搭建[9~11]。中位旁通油路上有一固定節流口，作為負流量控制檢測裝置，檢測此處的壓力信號，然后控制泵出口流量。變量泵旁邊是一個信號輸出函數f（x，y，z），

其函數意義是輸出x，y，z信號的最小值，其中x表示壓力切斷控制信號，y表示負流量控制信號，z表示恒功率控制信號。

在該挖掘機回轉仿真模型中，所有參數都是根據實物測繪后計算所得，換向閥芯中位節流口通流面積的具體計算方法，已有許多學者進行了探討[12~13]，這里不過多的討論。將計算的結果保存為.dat數據文檔，導入到AMEsim中仿真計算。換向閥閥芯通流面積與換向行程之間的關系如圖10所示。

圖10 回轉換向閥節流口通流面積

Aa表示泵出口油路P口到工作油路A口的面積，Ao表示泵出口油路P口到中位回油口O的面積，Ab表示泵出口油路P口到工作油路B口的面積。

其他一些重要參數如下所示：

油液的密度870 kg/m3；

體積彈性模量1 700 MPa；

溫度40℃；

液壓泵排量112 L/min；

額定轉速1 950 r/min；

彈簧剛度145 N/mm；

預壓縮量1 mm；

換向閥行程10 mm；

負流量檢測孔的直徑3.2 mm。

3.2 仿真結果分析

在壓力源中輸入壓力信號，使負載壓力從0上升到37 MPa，設置各子模型的參數，仿真結果如圖11所示。圖11（a）是控制變量泵的輸入信號 x、y、z與泵出口壓力的曲線，圖11（b）是泵出口流量與出口壓力曲線。

圖11 液壓泵出口流量特性

對比兩幅圖可知，當泵出口壓力在0～22.6 MPa時，泵出口流量由信號y控制，即負流量控制；當泵出口壓力在22.6～35 MPa時，泵出口流量由信號z控制，即恒功率控制，當泵出口壓力超過35 MPa時，壓力切斷控制開始起作用，由于切斷壓力取的是36 MPa，雖然負載最大壓力調到了37 MPa，但泵出口壓力最大仍然是36 MPa，且此時泵出口流量為0。

所以，該變量泵模型能根據不同的工況，采用不同的控制方式，具有復合控制功能，與實際挖掘機液壓系統相符，可以用于挖掘機系統仿真研究。

4 結束語

本文在AMEsim中建立挖掘機復合控制泵模型，仿真結果表明，該模型能夠實現挖掘機液壓泵的復合控制功能。這種建模方法對其他控制方式泵的建模，有一定的借鑒作用，為挖掘機液壓系統仿真分析提供了幫助。

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