液压挖掘机复合控制泵的建模方法研究

刘金刚，唐文斌，郑少青，祝建仁，李少云

（湘潭大学机械工程学院，湖南 湘 潭 4 11105）

随着科技的进步，计算机及一些仿真软件的出现，模拟仿真已成为设计制造的第一步，仿真结果对设计制造具有重要的指导意义。随着我国液压挖掘机迅速发展，很多学者对挖掘机液压系统进行了仿真研究[1~3]，但是文献中的仿真模型，都是选用定量泵模型代替变量泵模型。目前定量泵在挖掘机液压系统中已经被淘汰，对定量泵挖掘机系统的仿真，不能满足对目前挖掘机系统的研究，其仿真结果也没有太大的参考价值。

也有很多学者详细地分析和研究了液压变量泵，根据变量泵的几何参数，搭建了复杂的仿真模型[4~5]，这种建模方法复杂，且仿真结果与实际有一定的误差，因此对挖掘机液压系统研究时，这种方法也不可取。

考虑上述两种情况，本文提出了一种新的变量泵建模方法——根据泵的实验数据和控制方式建模，该建模方法简单，仿真结果与实验数据吻合。本文讨论的的变量泵模型具有恒功率控制、负流量控制、压力切断控制功能[6]，与挖掘机实际控制方式相符，为液压挖掘机系统仿真分析提供了有效的帮助。

1 建模的思路及依据

本文研究液压挖掘机的变量泵，具有恒功率控制、负流量控制、压力切断控制功能，在挖掘机工作时，3种控制系统是相互独立、互不影响的，由于各控制系统的目的，是使挖掘机系统在各种工况下节能，故在控制器输出时，应遵循最小能耗原则[7~8]，即哪一个控制器的输出能使发动机负载功率最小，则选择哪一个控制器的输出。因为控制器输出的是排量，所以任何时刻都是使泵输出排量最小的控制系统起作用。

恒功率控制系统泵出口流量Qh与泵出口压力P之间的关系为

压力切断控制系统中泵出口流量Qq与泵出口压力P的关系为

负流量控制系统中泵出口流量Qf与负流量控制压力Pi的关系为

上述3式中，

W为发动机的额定功率；

Qmax为泵出口最大流量；

P为泵出口压力；

PS为恒功率控制泵的启调压力；

PCO为压力切断阀切断压力。

恒功率控制泵出口流量Qh与泵出口压力P之间的关系，负流量控制泵出口流量Qf与负流量控制压力Pi的关系，可以通过实验得出。将实验数据在MATLAB中用线性插值法，可以绘制P-Qh曲线、Pi-Qf曲线如图1、图2所示，然后将两曲线分别保存到二维数组 A[P，Q]、B[Pi，Q]中，最后输出 P-Q.dat和Pi-Q.dat文件。压力切断控制时的切断压力PCO根据系统要求设定，一般比负载最大压力大一点。根据最小能耗原则，具有这3种控制方式的变量泵出口流量

图1 恒功率控制时的实验数据

图2 负流量控制时的实验数据

2 单控制方式液压泵的建模

2.1 液压泵恒功率控制模型

在AMEsim中搭建恒功率泵的仿真模型，如图3所示。

图3 液压泵恒功率控制模型

在图3中，通过可调溢流阀来调节负载压力从0上升到35MPa，溢流阀的溢流压力为39 MPa，信号函数的文本数据设置为P-Q.dat数据文件，运行仿真后，可得到泵出口流量与压力的曲线，如图4所示。

图4 恒功率泵出口流量压力曲线

对比图1的P-Q曲线可知，仿真结果与实验数据吻合，因此该恒功率控制变量泵模型能够反映实际情况。

2.2 液压泵负流量控制模型

在AMEsim中搭建负流量控制泵的仿真模型，如图5所示。

图5 液压泵负流量控制模型

在图5中负流量控制口压力由压力源输入0～4 MPa的压力，溢流阀的溢流压力为39 MPa，信号函数的文本数据设置为Q-Pi.dat数据文件，运行仿真后，可得到泵出口流量与负流量控制口压力的曲线如图6所示。

图6 泵出口流量与负流量控制口压力曲线

对比图2的Q-Pi曲线可知，仿真结果与实验数据吻合，该负流量控制模型是有效的。

2.3 液压泵压力切断控制模型

在AMEsim中搭建液压泵压力切断控制模型，如图7所示。

图7 液压泵压力切断控制模型

图7中可调溢流阀来调节负载压力从0上升到40 MPa，溢流阀的溢流压力为39 MPa，假设液压系统中压力切断阀的切断压力PCO=36 MPa，泵出口流量压力如图8所示。当泵出口压力达到36 MPa时，泵出口流量为0，所以该模型具有压力切断功能。

图8 液压泵出口流量压力曲线

从上述3种控制方式的变量泵模型可以看出，这种根据实验数据建立的模型，仿真结果完全取决与实验数据，不会像根据几何尺寸建模那样，模型仿真结果与实验数据有一定的误差。

所以在挖掘机液压系统仿真中，这种变量泵模型要优于根据几何尺寸所建的模型。下面的工作就是把这3种单独控制模型组合在一起，建立一个具有这3种功能的变量泵模型，并在液压系统中仿真分析，证明该变量泵模型能够实现复合控制。

3 挖掘机回转油路复合控制系统仿真分析

3.1 挖掘机回转油路建模

以挖掘机回转油路为例，结合上述3种控制方法，在AMEsim中搭建回转换向阀的复合控制仿真模型如图9所示。

图9 挖掘机回转油路复合控制仿真模型

在图9中，可调溢流阀代替负载装置，负载压力通过压力源设定，多路换向阀模型由HCD库的元件组合搭建[9~11]。中位旁通油路上有一固定节流口，作为负流量控制检测装置，检测此处的压力信号，然后控制泵出口流量。变量泵旁边是一个信号输出函数f（x，y，z），

其函数意义是输出x，y，z信号的最小值，其中x表示压力切断控制信号，y表示负流量控制信号，z表示恒功率控制信号。

在该挖掘机回转仿真模型中，所有参数都是根据实物测绘后计算所得，换向阀芯中位节流口通流面积的具体计算方法，已有许多学者进行了探讨[12~13]，这里不过多的讨论。将计算的结果保存为.dat数据文档，导入到AMEsim中仿真计算。换向阀阀芯通流面积与换向行程之间的关系如图10所示。

图10 回转换向阀节流口通流面积

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

其他一些重要参数如下所示：

油液的密度870 kg/m3；

体积弹性模量1 700 MPa；

温度40℃；

液压泵排量112 L/min；

额定转速1 950 r/min；

弹簧刚度145 N/mm；

预压缩量1 mm；

换向阀行程10 mm；

负流量检测孔的直径3.2 mm。

3.2 仿真结果分析

在压力源中输入压力信号，使负载压力从0上升到37 MPa，设置各子模型的参数，仿真结果如图11所示。图11（a）是控制变量泵的输入信号 x、y、z与泵出口压力的曲线，图11（b）是泵出口流量与出口压力曲线。

图11 液压泵出口流量特性

对比两幅图可知，当泵出口压力在0～22.6 MPa时，泵出口流量由信号y控制，即负流量控制；当泵出口压力在22.6～35 MPa时，泵出口流量由信号z控制，即恒功率控制，当泵出口压力超过35 MPa时，压力切断控制开始起作用，由于切断压力取的是36 MPa，虽然负载最大压力调到了37 MPa，但泵出口压力最大仍然是36 MPa，且此时泵出口流量为0。

所以，该变量泵模型能根据不同的工况，采用不同的控制方式，具有复合控制功能，与实际挖掘机液压系统相符，可以用于挖掘机系统仿真研究。

4 结束语

本文在AMEsim中建立挖掘机复合控制泵模型，仿真结果表明，该模型能够实现挖掘机液压泵的复合控制功能。这种建模方法对其他控制方式泵的建模，有一定的借鉴作用，为挖掘机液压系统仿真分析提供了帮助。

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