王 歡，李康兵

(山河智能股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

工程機(jī)械是我國(guó)裝備工業(yè)的重要組成部分，廣泛使用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓傳動(dòng)技術(shù)。根據(jù)工程機(jī)械的工況，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高動(dòng)力、高效率或低燃油消耗率的區(qū)域，合理地控制液壓系統(tǒng)中泵的扭矩或功率是一種有效的手段。

液壓系統(tǒng)由動(dòng)力源、執(zhí)行器、控制閥和輔件組成，作為動(dòng)力源的液壓泵根據(jù)其排量是否可調(diào)分為變量泵和定量泵。液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)速，或取決于控制閥進(jìn)行的針對(duì)流量的直接或間接調(diào)整。余丙才等[1]介紹了一種改進(jìn)的柱塞泵杠桿調(diào)節(jié)恒功率的控制機(jī)構(gòu)。何清華等[2]通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)-泵-負(fù)載匹配原理，提出了變功率與恒功率相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)隨負(fù)載的波動(dòng)，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。唐維定[3]通過(guò)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行功率控制，提出了針對(duì)泵輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的控制策略。邢彤等[4]介紹了盾構(gòu)設(shè)備液壓系統(tǒng)中的多驅(qū)動(dòng)泵的恒功率控制，主要分析計(jì)算了功率限制閥的調(diào)節(jié)參數(shù)及基本特性。根據(jù)液壓系統(tǒng)的基本技術(shù)原理，功率控制一般都圍繞工作壓力、泵排量、輸入轉(zhuǎn)速或控制閥參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行，本文結(jié)合這些因素來(lái)分析和研究工程機(jī)械中常見(jiàn)的功率控制方案原理、規(guī)律和特點(diǎn)。

1 功率控制基本原理

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中的恒功率控制可以結(jié)合傳感器、工作壓力、泵或馬達(dá)的排量、比例電磁鐵和高速開(kāi)關(guān)閥等進(jìn)行，且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。液壓泵的功率滿足以下規(guī)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(zhuǎn)速。

根據(jù)靜液壓傳動(dòng)理論，壓力由負(fù)載確定，與工況相關(guān)。對(duì)于執(zhí)行器排量可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，可通過(guò)調(diào)整執(zhí)行器排量來(lái)調(diào)節(jié)工作壓力；對(duì)于執(zhí)行器排量不可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，功率的調(diào)節(jié)須根據(jù)工況來(lái)調(diào)節(jié)泵的排量或輸入轉(zhuǎn)速，本文主要針對(duì)執(zhí)行器排量不可調(diào)節(jié)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。

對(duì)于應(yīng)用變量泵的液壓系統(tǒng)，多數(shù)工況下液壓泵在較穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，且泵的容積效率在較大壓力范圍內(nèi)效率較高[5]，因此式(1)的功率調(diào)節(jié)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(shí)，液壓泵的排量依賴于工作壓力，負(fù)載壓力增大時(shí)，液壓泵的伺服變量機(jī)構(gòu)將自動(dòng)減少泵排量以滿足恒扭矩要求。

對(duì)于定量泵液壓系統(tǒng)，由于泵的排量固定，其功率的調(diào)整則只能根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整液壓泵的輸入轉(zhuǎn)速或調(diào)整參與做功的流量。

對(duì)于多泵組合系統(tǒng)，總的功率滿足以下規(guī)律：

(3)

其中：m為泵的數(shù)量。

根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和工況，功率控制方案中可選用控制器，并采集各負(fù)載情況、各泵的輸入轉(zhuǎn)速、各泵的工作壓力，結(jié)合式(1)的規(guī)律，采用既定的控制策略進(jìn)行調(diào)整。

2 變量泵的功率控制

根據(jù)上述分析，當(dāng)變量泵的輸入轉(zhuǎn)速一定時(shí)，泵恒功率的調(diào)整對(duì)應(yīng)的是恒扭矩調(diào)整，其調(diào)整的常見(jiàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)。其電控方式則是利用傳感器技術(shù)，通過(guò)控制器運(yùn)算后控制泵排量或調(diào)整泵的控制壓力。

2.1 機(jī)械恒扭矩控制

圖1為利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)的較吻合雙曲線規(guī)律的恒扭矩控制機(jī)構(gòu)。圖1中，直角杠桿左側(cè)連接伺服閥，右側(cè)的變量機(jī)構(gòu)作用力位置與泵的斜盤(pán)角度α相關(guān)，即S的大小，S越大，泵的排量越大；FF為恒扭矩的設(shè)置參數(shù)，F(xiàn)F設(shè)置越大，其與力臂a的乘積越大，恒扭矩值設(shè)置越高；FH為變量機(jī)構(gòu)中工作壓力對(duì)直角杠桿的作用力。

圖1 杠桿原理實(shí)現(xiàn)的恒扭矩控制機(jī)構(gòu)

圖1中的直角杠桿滿足以下規(guī)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?jī)烧叩某朔e滿足恒扭矩的要求，則滿足特定轉(zhuǎn)速時(shí)的恒功率要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由油門(mén)大小和負(fù)載共同決定，發(fā)動(dòng)機(jī)的任一轉(zhuǎn)速總對(duì)應(yīng)一個(gè)最大的輸出扭矩，當(dāng)油門(mén)固定時(shí)，負(fù)載增加到超過(guò)該扭矩則轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，改變油門(mén)大小可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2為某型工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線。由圖2可以發(fā)現(xiàn):在轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min～1 600 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可輸出的扭矩最大，在低于和高于該轉(zhuǎn)速時(shí)，扭矩都會(huì)下降；隨著轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)可輸出的功率也隨之增加，在轉(zhuǎn)速超過(guò)1 700 r/min時(shí)，功率達(dá)到最大；在轉(zhuǎn)速為1 300 r/min或1 800 r/min～2 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗最低，燃油經(jīng)濟(jì)性最好。實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)工況要求、設(shè)備施工特點(diǎn)、使用方式等來(lái)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(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最高功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)工作在高轉(zhuǎn)速；而追求低的燃油消耗時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)工作在低轉(zhuǎn)速或比油耗合適的轉(zhuǎn)速區(qū)。

圖2 某型工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

液壓泵的機(jī)械恒扭矩應(yīng)用中，常在設(shè)計(jì)或出廠時(shí)已標(biāo)定好其恒扭矩參數(shù)，即當(dāng)工作壓力達(dá)到恒扭矩標(biāo)定值時(shí)自動(dòng)減少泵排量，該扭矩與泵輸入轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。這就存在一種缺陷，如圖3所示的某發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系中，泵的需求扭矩在兩段剖面線區(qū)域，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低或較高時(shí)，變量泵的工作壓力沒(méi)有達(dá)到恒扭矩標(biāo)定值時(shí)不會(huì)自動(dòng)減少泵排量，而發(fā)動(dòng)機(jī)在相應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)其扭矩卻可能無(wú)法滿足負(fù)載需求，存在發(fā)動(dòng)機(jī)掉速甚至憋熄火的現(xiàn)象；當(dāng)液壓泵的恒扭矩標(biāo)定值低于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的扭矩，則存在油耗浪費(fèi)。

圖3 機(jī)械恒扭矩控制與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配

鑒于以上原因，在節(jié)能匹配控制時(shí)可考慮多工況策略，將負(fù)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(shí)應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在合適的轉(zhuǎn)速區(qū)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(shù)和閉環(huán)電液控制技術(shù)，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(fù)載敏感泵的基礎(chǔ)上增設(shè)了檢測(cè)泵斜盤(pán)角度的傳感器及電液比例溢流閥，控制器實(shí)時(shí)地接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及其扭矩，檢測(cè)泵的排量，并根據(jù)既定的控制策略輸出相應(yīng)的電流到電液比例溢流閥，即確定了當(dāng)前狀態(tài)時(shí)設(shè)備的最大功率。當(dāng)工作壓力升高到超過(guò)比例溢流閥的壓力時(shí)，溢流閥工作溢流，負(fù)載敏感泵閥芯向右移動(dòng)，壓力油進(jìn)入變量液壓缸從而使泵的排量減少；此時(shí)泵上的斜盤(pán)角度傳感器將排量減少的信號(hào)反饋到控制器，經(jīng)控制器運(yùn)算后輸出電流到電液比例閥增大其溢流壓力，實(shí)現(xiàn)式(1)的恒功率調(diào)節(jié)過(guò)程。

其他電控方式還有采用電比例排量控制泵，控制器實(shí)時(shí)地接收發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及其扭矩檢測(cè)系統(tǒng)的工作壓力，當(dāng)出現(xiàn)壓力升高導(dǎo)致泵扭矩超出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩時(shí)，經(jīng)控制器運(yùn)算后輸出信號(hào)自動(dòng)減少泵的排量。

采用電控恒功率控制，可實(shí)現(xiàn)泵需求扭矩、功率與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率的完全匹配，如圖5所示。

圖5 電控恒功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配

相比機(jī)械液壓的控制方式，電控恒功率控制具備以下優(yōu)點(diǎn)：可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩及設(shè)備的工作模式設(shè)定泵參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳燃油消耗區(qū)或充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率；也可以給泵設(shè)定多種扭矩值，進(jìn)行多點(diǎn)扭矩控制；還可設(shè)置極限載荷控制方案，當(dāng)檢測(cè)到因負(fù)載過(guò)大而使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)掉速時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)熄火，使設(shè)備適應(yīng)復(fù)雜施工環(huán)境的能力更強(qiáng)。

3 定量泵的功率控制

小功率工況中應(yīng)用定量泵相對(duì)較多，且采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式較常見(jiàn)，利用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，改變交流電的頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制液壓泵的輸入轉(zhuǎn)速和輸出流量，進(jìn)而進(jìn)行功率控制。定量泵的功率控制中，式(1)中Vg為常數(shù)，故只能根據(jù)工況、負(fù)載壓力控制泵輸入轉(zhuǎn)速或負(fù)載工作速度。在定量泵的輸入轉(zhuǎn)速固定時(shí)，改變負(fù)載工作速度常通過(guò)流量控制閥實(shí)施。

定量泵的功率控制原理圖如圖6所示。系統(tǒng)中設(shè)置了壓力傳感器S1，其檢測(cè)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(duì)應(yīng)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(jù)檢測(cè)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(diào)整進(jìn)入執(zhí)行器的工作流量，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的功率控制

工程機(jī)械的種類繁多，利用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作也很多，往往使用多個(gè)液壓泵進(jìn)行組合，其功率的控制應(yīng)滿足式(3)所示的功率總和不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)允許值，前述的機(jī)械液壓方式和電控方式均可滿足要求。多個(gè)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(fù)載有較大區(qū)別時(shí)，各泵的輸出流量不一致，不適合要求直線行走的工況?？梢詫⒏鞅玫墓ぷ鲏毫Χ疾杉揭惶鬃兞繖C(jī)構(gòu)中，各泵的排量根據(jù)壓力同步變化，也稱總功率控制[6]，該方式如果應(yīng)用在要求直線行走的工況，則效果會(huì)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)迭加了自身和其他泵的工作壓力，各泵的變量機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作，也可單獨(dú)控制。

總功率控制和分功率控制都只能控制液壓系統(tǒng)的總功率，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，同樣存在發(fā)動(dòng)機(jī)較低速或較高速時(shí)扭矩偏低不能滿足液壓需求扭矩的問(wèn)題，尤其在液壓行走機(jī)構(gòu)中更明顯。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩來(lái)控制泵排量的電控恒功率則能更好地匹配設(shè)備的功率需求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析功率控制基本原理、機(jī)械恒扭矩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，發(fā)現(xiàn)了機(jī)械恒扭矩控制在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并針對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高和較低時(shí)其扭矩?zé)o法滿足泵恒扭矩自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，最大限度地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩，可合理地減少油耗。