一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法

1.本发明属于工程机械挖掘机控制技术领域，具体是基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法。


背景技术：

2.挖掘机等工程机械有着机械匹配性好，可进行高难度作业等优点，但是由于有发动机、液压元件、管路损失、油缸等很多结构件消耗的影响，使实际用于挖掘作业的能源的利用率只有20％左右。然而挖掘机作为机械行业中最重要的产品之一，与国家的经济紧密相。在世界各国大力发展经济的趋势下，挖掘机的需求已然出现了“井喷”的趋势。为顺应全球节能环保的呼吁，对挖掘机的节能技术的研究也是势在必行。
3.针对液压挖掘机而言，液压系统与动力系统的能量损失是限制液压挖掘机能效的最重要因素。因此实现挖掘机的节能主要可以通过两个方向来考虑。一个是发动机与液压泵之间的动力系统的功率匹配，目的是提高挖掘机作业效率，进而降低挖掘机燃油消耗率。另一个是液压泵与各液压缸的流量匹配，目的是实现液压泵的输出流量与作业装置需求流量相适应，目的是保证挖掘机正常作业的前体下，降低液压系统由于多余液压油流动造成的各种损失。
4.因此本发明就挖掘机开展节能技术的需求，提出了一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种液压挖掘机的节能方法。本发明主要的节能方式为：
6.在挖掘机轻载与中载作业的高效模式区，通过发动机确定的模式与工作点，保持发动机输出功率不变，控制液压泵排量，采用恒功率控制，令液压泵输出功率与发动机输出功率动态匹配，使液压泵充分吸收发动机的输出功率，提高挖掘机作业效率。
7.在液压挖掘机重载作业的经济模式区，通过先导信息，估计负载流量需求，调节液压泵流量与负载需求流量匹配，改变液压泵排量完成液压泵流量输出要求。在液压泵排量确定后，计算液压泵输出功率，选择最合理的发动机工作点，改变发动机的转速与液压泵排量，使液压系统的流量匹配与动力系统的功率匹配均达到良好的效果。控制原理如图1所示。
8.为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：
9.一种基于动力系统功率匹配与液压系统流量匹配的液压挖掘机的节能方法，步骤如下：
10.步骤1、挖掘机工作模式与工作点的选取
11.根据实际挖掘机作业需求，将工作模式定义为经济模式与高效模式。其中，高效模
式为挖掘机的挖掘负载为轻载与中载时选择的作业模式；经济模式为掘机的挖掘负载为重载时选择的作业模式。
12.通过挖掘机中发动机的转速范围，在各工作模式内部设置n个工作点，每个工作点对应唯一的转速、转矩与功率，如图2所示。
13.综上，可以确定挖掘机的两种工作模式及其内部工作点数值。
14.步骤2、发动机的传递函数模型的建立
15.1)根据发动机的万有特性曲线图，显示的不同的转速、转矩对应下的燃油消耗率。在万有特性曲线图上进行取点并利用取点数据进行插值拟合，利用插值拟合的结果获得发动机关于转速与转矩的燃油消耗率的三维模型，如图3所示。
16.2)利用步骤1)得到的燃油消耗率的三维模型，通过步骤1选取的不同工作模式及其工作点对应的唯一转速、转矩，确定每个工作点对应的燃油消耗率。
17.3)根据经验公式与燃油消耗率的三维模型，在matlab/simulink中建立发动机的传递函数模型。发动机的传递函数模型以挖掘机工作模式及其工作点作为模型输入变量，输出该工作模式与工作点的转速、转矩、功率、燃油消耗率。
18.步骤3、液压泵传递函数模型的建立
19.从液压泵内部结构开始：
20.1)建立电磁比例减压阀输出的二次压力对输入电磁阀电流的传递函数；
21.2)建立控制活塞位移对电磁比例减压阀输出的二次压力的传递函数；
22.3)建立伺服阀位移与控制活塞位移之间比例方程；
23.4)建立变量活塞位移对伺服阀位移的传递函数；
24.5)将步骤1)至步骤4)所得结果相乘，得到以电流为输入，变量活塞位移为输出的传递函数。
25.将变量泵的排量计算公式与步骤5)得到的传递函数联合，在matlab/simulink中建立液压泵传递函数模型。液压泵传递函数模型的输入为液压泵排量，输出为电磁阀的控制电流。
26.步骤4、挖掘机整体控制模型的建立
27.利用matlab/simulink，将步骤3与步骤4得到的发动机的传递函数模型与液压泵传递函数模型通过负载压力或负载流量进行连接，获得到挖掘机控制的总体模型。挖掘机控制的总体模型是以发动机的传递函数模型中的发动机工作模式及工作点、负载压力、负载流量为输入，利用转矩与负载压力比值关系或利用负载流量与转速比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型的电磁阀电流。
28.步骤5、选择挖掘机的节能匹配方式
29.(1)确定工作模式
30.1)确定的工作模式为高效模式时，选择步骤1所述的n个工作点中的一个工作点，并利用挖掘机控制的总体模型，以负载压力和转矩为输入，利用该工作点下的转矩与负载压力比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型获得电磁阀电流；该电磁阀电流定为目标电流，去改变实际的液压泵排量，实现挖掘机的高效控制。
31.高效模式下动力系统的功率匹配规则为：考虑液压泵的容积效率、机械效率与发动机的机械效率的情况下，进行液压泵的恒功率控制,令液压泵的输出功率与发动机的输
出功率动态相等。其中，恒功率控制方式为，在工作点转速确定的情况下，已知各转速下的恒功率曲线，根据负载压力的变化，改变液压泵排量，使由转速、负载压力、液压泵排量决定的液压泵输出功率约等于确定的工作点对应的唯一的功率值。
32.控制流程如图4所示。
33.2)确定的工作模式为经济模式时，选择步骤1所述的n个工作点中的一个工作点，并利用挖掘机控制的总体模型，以负载流量和转速为输入，利用该工作点下的转速与负载流量比值关系，得到中间变量液压泵排量，进而通过液压泵传递函数模型的电磁阀电流获得电磁阀电流；该电磁阀电流定为目标电流，去改变实际的液压泵排量；根据改变后实际的液压泵排量得到液压泵输出功率，匹配该液压泵输出功率下的新的工作点，以新的工作点为输入，利用挖掘机控制的总体模型获得新的目标电磁阀电流，去改变实际的液压泵排量，实现挖掘机的经济控制。
34.经济模式下液压系统的流量匹配规则为：考虑液压回路的沿程损失与溢流损失的情况下，令负载流量与液压泵输出流量动态相等。以液压泵输出流量与负载流量相匹配为前提，根据发动机转速改变液压泵排量。
35.经济模式下动力系统的功率匹配规则为：根据液压系统的流量匹配规则计算获得的液压泵排量计算液压泵输出功率，令发动机的输出功率与液压泵的输出功率与动态相等，对应选择合理的工作点。
36.控制流程如图5所示。
37.本发明的有益效果是：
38.1.在轻载与中载的高效模式下，保证发动机工作点不变，按发动机需求改变液压泵排量，提高挖掘机作业速度，间接达到节能效果。
39.2.在重载时的经济模式下，当发动机工作点不符合节能要求时，为驾驶员提供新的工作点选取目标，达到降低燃油消耗目的。
附图说明
40.图1是高效模式与经济模式的控制原理图；
41.图2是高效模式与经济模式的内部工作点图；
42.图3是发动机燃油消耗率的三维模型图；
43.图4是高效模式下的动力系统功率匹配流程图；
44.图5是经济模式下的液压系统流量匹配与动力系统的功率匹配结合控制流程图。
具体实施方式
45.为使本发明实施的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明进行清晰，完整地举例描述。
46.实施例：需要一台挖掘机在平原场地进行沙石挖掘、搬运、卸载的工作，要求降低挖掘机在作业时的燃油消耗率。
47.1.根据该台挖掘机的发动机现有工作模式与工作点信息，按照轻载、中载模式为高效模式，重载模式为经济模式的分类方式，进行工作模式分类，并将各模式下工作点进行去重复处理。利用该台发动机的万有特性曲线建立燃油消耗率模型，计算各模式下工作点
的燃油消耗率。建立以工作模式及其工作点为输入，对应工作模式及其工作点的转速、转矩、功率、燃油消耗率为输出的发动机模型。
48.2.提取液压泵的各项参数，例如：电磁比例阀阀芯端面面积，控制活塞质量、液压油液的阻力系数、伺服阀阀芯开口面积等。将各参数值作为系数带入以液压泵排量为输入，电磁阀的控制电流为输出的液压泵传递函数模型中，完成液压泵模型建立。
49.3.采集该台挖掘机作业时的负载压力与负载流量的数据信息，根据动力系统的功率匹配规则与液压系统的流量匹配规则，利用各工作点下的转矩与负载压力比值关系和转速与负载流量比值关系，将发动机模型与液压泵模型进行连接，建立挖掘机整体控制模型。
50.4.以在完成等同作业量要求下，降低发动机燃油消耗率为最终目标，编写控制算法。将算法程序编译至挖掘机控制器中，进行实施应用。
51.5.驾驶员根据挖掘经验与挖掘对象，判断作业模式。按照本实施例，在作业对象为沙子时，为轻载，选择高效模式；作业对象为沙石混合物时，为中载，选择高效模式；作业对象为石头时，为重载，选择经济模式。再根据经验选择各模式下的工作点。
52.5.根据驾驶员选取的作业模式，挖掘机控制器选取不同控制策略。
53.1)在挖掘沙子与沙石时，驾驶员选取高效作业模式，挖掘机控制器以液压泵出口压力作为负载压力，并根据驾驶人选择的工作点对应的转矩计算液压泵的适宜排量，改变电磁阀控制电流，达到发动机与液压泵的动力系统功率匹配要求。
54.2)在挖掘石头时，驾驶员选取经济作业模式，挖掘机控制器根据先导信息计算的需求流量与驾驶人选取的工作点对应的转速，计算液压泵适宜的排量，进而改变电磁阀控制电流，达到液压泵与负载的流量匹配要求。然后控制器根据液压泵出口压力与液压泵流量计算液压泵输出功率，根据液压泵输出功率重新匹配合理的工作点，并将应选择的合理工作点反馈至挖掘机作业面板屏幕，以供驾驶员选择修改。驾驶员进行工作点的重新选择后，以保证液压泵流量不变为前体，根据新工作点对应的转速重新计算液压泵目标排量，改变电磁阀电流，进而达到液压泵与发动机的功率匹配要求。