一種液壓系統載荷控制的研究

王銳

摘 要：該文介紹了汽車起重機工作裝置上廣泛采用的負載敏感液壓系統控制特性，深入分析了其功率載荷控制方法，得到了影響邊界載荷控制的關鍵因素。以某型汽車起重機為研究對象，從仿真與試驗角度對結論進行了驗證。研究結果表明，針對負載敏感液壓系統，泵控增益的非線性與泵扭矩-轉速的耦合特性是直接影響功率邊界載荷控制策略實現效果的關鍵因素。

關鍵詞：起重機 發動機 仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0106-05

Research on Hydraulic Load Control System for Cranes

Wang Rui

（Unit 91439 Of PLA，Dalian Liaoning，116000，China）

Abstract：This study introduced the control characteristics of hydraulic load-sensing system widely used on mobile cranes，analyzed its control mechanisms，and yielded key factors of the load-sensing system which affect load control. The factors were proved by both simulations and tests on a certain type of mobile crane.The results show that the nonlinearity of I-Q curve and the coupling of torque and rolling speed of pump are the key factors to the performance of load-side control system.

Key Words：Crane；Engine；Simulation

大噸位汽車起重機上車發動機通常在保證工作效率前提下力求選取較小的額定功率來提高經濟性與節能性，這就要求采用適當的控制策略來實現發動機-液壓系統功率匹配。目前廣泛采用的方法是通過CAN總線實時獲取發動機載荷狀態，如發動機實時轉速[1]或負載-扭矩百分比，利用電比例指令信號控制液壓系統的吸收功率，保證發動機-液壓系統的功率匹配[2-5]，尤其是在極限載荷下的功率匹配[6]。

不同類型液壓系統的控制特性存在較大差異，在進行功率邊界載荷控制時，要求控制策略必須能適用相應液壓系統，以實現功率匹配的“穩、準、快”。然而，在實際使用過程中，因液壓系統控制特性的非線性，尤其在功率極限載荷工況下，常出現控制策略與液壓系統匹配不佳的現象，導致發動機在低轉速下容易出現熄火現象，極大影響了主機操控性與可靠性。

文章介紹了在汽車起重機工作裝置上廣泛采用的負載敏感液壓系統控制特性，深入分析了其功率載荷控制方法，分析得出了影響邊界載荷控制的兩個關鍵因素，并以某型汽車起重機為研究對象，從仿真與試驗角度進行了驗證。此文的研究成果可為發動機-液壓系統功率載荷控制策略的設計與實現提供有益參考。

1 功率邊界載荷控制原理

如圖1所示，功率邊界載荷控制涉及關鍵零部件包括：手柄、控制器、發動機、液壓泵與主閥。控制器實時監測發動機轉速與負載扭矩百分比，以判斷發動機所處載荷狀態。當其接收到手柄給予的指令信號時，控制器依據不同的載荷狀態發出電流比例調節液壓泵與主閥，進而調節液壓系統對發動機的功率需求，實現各工況下發動機-液壓系統功率匹配，特別在發動機功率邊界載荷工況下，保障其不發生熄火。

功率邊界載荷控制策略的主要控制對象為液壓泵與主閥。調節液壓泵電流與主閥閥口開度均可以改變液壓系統從發動機處的吸收扭矩，但因液壓泵直接承擔機械能向液壓能的轉換，無論何種途徑，最終均是通過改變泵排量來實現改變吸收扭矩，因此發動機-液壓系統功率邊界載荷控制以泵控為主，而以閥控為輔。

2 液壓系統控制特性分析

如圖2所示，閥前補償負載敏感系統由電比例變量泵和負載敏感閥組成。其中，電比例變量泵由變量泵2、變量缸3、LS閥、比例減壓閥5組成。負載敏感閥由壓力補償器6、主閥桿7和梭閥8等組成。它是現今汽車起重機工作裝置廣泛采用的一種液壓系統。其功率邊界載荷控制主要以調節變量泵減壓閥電流來匹配發動機輸出扭矩，防止發動機熄火。研究發現，控制策略的實現效果與被控液壓系統特性緊密相關，泵控增益的非線性與泵扭矩-發動機轉速的耦合是影響控制策略的關鍵因素，下面分別對此進行論證。

2.1 泵控增益的非線性

調節變量泵減壓閥電流可以改變主泵工作流量，從而改變泵排量，實現扭矩變化。由于閥前補償系統特性，使得這種泵控方式的流量增益具有很大的非線性。下面以單聯工作為例進行說明。

首先，泵減壓閥（見圖2）因比例電磁鐵、復位彈簧及減壓閥閥芯摩擦等因素，導致其輸出特性本身就存在電流死區，即：

I

I≥Id時：Pr=Ki（I-Id） （2）

其中：I為泵減壓閥電流；Id為死區電流；Pr為減壓閥輸出壓力。

其次，閥前補償負載敏感系統因補償閥的存在，也會導致非線性，推導如下。

如圖3所示，變量泵可實現泵壓力P隨負載壓力PLS變化。忽略泵-閥之間的管路沿程損失，有：

P-PLS=Pf1-Kr·Pr （3）

其中：Pf1為泵LS閥彈簧設定壓力；Kr為減壓閥壓力增益。

單聯工作時有：PLS=PL （4）

閥前壓力補償器（見圖4）用于實現主閥節流口兩端壓差Pm-PL恒定，當P-PLS≥Pf2時，有：

Pm-PL=Pf2+Ks·x （5）

（6）

（7）

（6）（7）對應的增量表達式為：

（8）

（9）

其中：Pf2為補償器閥彈簧設定壓力；Ks為補償器彈簧剛度；Cd1為主閥流量系數；Cd2為補償器流量系數；A1為主閥節流面積；A2（x）為補償器節流面積函數；Q為工作流量；ρ為油液密度；Kx為壓力補償器位移-流量增益；KP2為壓力補償器壓力-流量增益；KP1為主節流孔壓力-流量增益。

在負載壓力PL恒定且主閥開口不變情況下，將式（2）～（5）變型為增量表達式，聯立（8）（9）后有：

當P-PLS

（10）

壓力補償器零位移對應的節流面積最大，隨著壓力補償器位移的增加，對應的節流面積會減小，有Kx<0，因此，K2>K1>0。

理想壓力補償器可保證主閥節流口兩端壓差不變，即KS=0，此時有K1=0。換而言之，當P-PLS≥Pf2時，P的減小不影響理想壓力補償器后壓力Pm，調節泵減壓閥不會改變工作流量；實際應用的壓力補償器要求補償器后端壓力Pm盡量不受泵出口壓力P影響，即負載一定時，△P≥△Pm。聯立（5）（8）（9）式有：

當補償閥全開后，一般有KP2≥KP1，從而有KP2≥KP1/（KP2+KP1）≈KP1，這樣K2≥K1。

綜上所述，泵控增益存在非線性，表現為：

I<時：泵減壓閥輸出壓力為零。泵流量不隨泵電流變化，見圖5。

Id

Id+（Pf1-Pf2）/KrKi

實際上，調節泵減壓閥電流只能改變主泵的設定壓差P-LS，并不能直接引起主節流口兩端壓差的變化。理想情況下，僅當泵控電流足夠大，使得補償器全開，泵控電流的變化才會明顯地影響主閥節流口兩端壓差，從而影響工作流量。

泵控增益的非線性要求邊界載荷控制必須在低靈敏區的過渡時間盡量短，保證泵流量能跟隨泵控電流快速變化。試驗表明，將泵預設電流設定在Id+（Pf1-Pf2）/KrKi附近有利于實現極限載荷控制。

2.2 泵扭矩-轉速的耦合

當變量泵未達到滿排量時，負載敏感系統的工作流量僅受主閥開度影響，而基本不受發動機轉速變化影響。即：

Q=nq/1000=C

泵吸收扭矩滿足關系式：T=pq/62.8

其中：n為發動機轉速r/min；q為泵排量ml/r；Q為泵輸出流量L/min；P為泵工作壓力bar；C為常數L/min；

聯立上述關系式有：T=15.9PC/n

可見，泵吸收扭矩會隨著發動機轉速下降而上升，直到泵滿排量時，泵吸收扭矩達到最大。這主要是由于負載敏感系統流量由主閥開口和泵減壓閥電流共同決定，而與發動機轉速無關。當發動機轉速降低時，泵排量會自動增加，以維持工作流量不變，從而引起泵吸收扭矩上升。

泵扭矩-轉速的這種耦合效果要求邊界載荷過程中泵控電流調節形成的流量下降百分比大于失速率，從而保證泵排量的減小，限制泵吸收扭矩。

3 負載敏感系統的功率邊界載荷控制

下面以某型汽車起重機為研究對象，對基于負載敏感液壓系統的發動機-液壓系統功率邊界載荷控制進行仿真和試驗研究。

3.1 仿真研究

文章基于AMESim平臺，搭建邊界載荷控制系統模型。具體建模過程如下。

3.1.1 發動機模型

利用IFP庫搭建發動機模型，如圖6。分別設置文件“torque”“LagEngSpeed”“FMEP”“BMEPAtmomax”和“conshot”來定義發動機外特性、動態響應特性、摩擦扭矩和油耗特性。

3.1.2 工作機構模型

工作機構利用PLM庫搭建，用于模擬起重機卷揚、變幅和伸縮工況，并可實現變倍率。（見圖7）

3.2 試驗研究

對配置閥前補償負載敏感液壓系統的某型汽車起重機進行了試驗研究。

圖8所示的曲線可見，在邊界載荷下，泵電流-工作流量的實測曲線與仿真曲線誤差在10%以內，表明仿真模型具有合理性與準確性；實測曲線與仿真曲線一致，也明顯存在有死區、弱靈敏區與強靈敏區，即說明了泵控具有較強的非線性，驗證了前述結論。

圖9為典型的發動機熄火工況曲線。BC段為閥開口逐漸增大引起泵扭矩上升；CD段為發動機過載熄火過程，此時發動機有明顯失速現象，泵擺角和扭矩因發動機失速而上升。各狀態量的變化基本與仿真曲線所描述的一致。

4 結語

文章介紹了廣泛應用的汽車起重機工作裝置負載敏感液壓系統控制特性，以某型汽車起重機的閥前補償負載敏感系統為例，詳細研究了其液壓系統特性，并得出以下結論。

（1）通過理論、仿真和試驗，指出“泵控增益非線性”和“泵吸收扭矩-轉速的耦合”是影響邊界載荷控制實現效果的關鍵因素。

（2）所建立的模型與測試結果吻合度較高，可用于快速得出邊界載荷控制特性以及控制策略效果的驗證。

（3）針對兩個影響因素，在功率載荷控制策略制定中，建議變量泵預設起調電流盡量接近強敏感區，保證泵流量跟隨泵電流迅速變化。同時，在發動機出現失速時，要求泵流量下降率大于發動機失速率，以避免出現泵排量和扭矩隨轉速下降而上升的情況。

參考文獻

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