基于转差分频原理的挖掘机节能控制方法研究
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2020-10-17
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基于转差分频原理的挖掘机节能控制方法研究基于转差分频原理的挖掘机节能控制方法研究
通过对目前广泛应用于液压挖掘机的几种节能控制方法的深入分析，提出了一种基于转差分频原理的挖掘机联
合功率匹配节能控制方法，研究了负流量控制系统联合功率匹配的机理，探讨了转差分频原理在液压挖掘机上
的工程实现。
摘摘 要：要： 通过对目前广泛应用于
关键词：关键词： 液压挖掘机；节能；转差分频；联合功率匹配
液压挖掘机是一种大功率、高能耗的工程机械，由于其液压系统中存在各种形式的功率损失，会不同程度地降低挖掘机液
压系统的使用效率。挖掘机工作时，在不计沿程阻力的条件下，液压系统的最高效率可达95%以上[1]。但由于挖掘机工况复
杂，负载变化较大，因此液压系统的效率变化也非常大。液压挖掘机采用节能技术不仅能有效地降低燃油消耗率，还能减少液
压系统功率损失，提高发动机功率的利用率，使动力系统与负载所需功率更好地匹配，从而降低发动机和液压元件的工作强
度，减少系统发热，提高设备正常使用的可靠性。因此， 国内外挖掘机行业对挖掘机节能技术都十分重视。
我国目前节能控制的研究以产业需要、国内市场为导向，因此基于负流量控制系统的挖掘机节能控制系统依然占主导地
位。本文基于川崎的负流量控制系统，利用油门控制的滞后性和阀门控制的实时性特点，提出了一种新的联合功率匹配控制策
略，使转速可以得到实时控制，达到节能目的。
1 目前国内液压挖掘机转速控制策略目前国内液压挖掘机转速控制策略
当前，很多国外知名挖掘机厂家以合资或者独资的方式大举进入中国市场，但其核心控制技术却一直处于封锁状态，相关
说明文献也少之又少。因此，下文就目前国内挖掘机节能控制研究中所提到的控制方法进行分析总结，其中具有代表性的有以
下几种：
(1)运用全制式调速器和调速曲线共同作用的控制方法是一种比较传统的控制方式[2]，当外负荷的增加使转速略有下降时，
调速器就使供油量调节拉杆向加油方向移动，阻止转速下降。当负荷增加到调速器不再起作用，即供油量已增加到最大值，转
速已然明显下降，此时柴油机将沿着外特性曲线工作。
(2)根据工况的变化，来引起负载压力、起调压力以及泵出口压力的变化，然后再根据这些压力的变化来调节变量泵的排量
或者控制发动机的调速拉杆使得泵的吸收功率与柴油机的输出功率尽可能地匹配[3-6]。
(3)利用阀门和油门的联合控制方法来控制转速，使其一直工作在最佳工作点是一种比较流行的控制策略[7-10]。在外负载较
小时，系统通过调节发动油门去适应负载的需求；而当外负载很大时，一方面增加发动机的功率输出，另一方面则适当地调节
变量泵排量的大小降低其功率吸收，从而避免出现发动机因过载熄火现象。这样可使发动机在整个转速范围内都能适应负荷变
化，保持最佳的功率利用率及良好的动力性和经济性，同时使液压系统具有了较高的传动效率，整个负荷驱动系统也具备了较
好的自适应能力和综合性能指标。
(4)纪云峰等人提出的控制策略是将柴油机、变量泵、负载作为一个系统，分析该系统各环节的匹配原理和方法，实现柴油
机—变量泵—负载三者的一致匹配[11-13]。该策略以泵出油口压力为依据，实现了动力系统与工况的自适应控制;以转速传感
控制方式实现了发动机与泵的功率匹配;以变量泵出口流量为依据，由微机控制调节多路阀阀口开度，实现了负载-泵的功率匹
配。
2 基于转差分频原理的功率匹配算法基于转差分频原理的功率匹配算法
综合上述各种控制方法了解到，目前的转速控制策略的热点在于对油门和阀门的组合控制。由于油门控制的滞后性和阀门
控制的实时性，本文提出了一种新的组合控制策略，使转速可以得到实时控制，达到节能的目的。
经过相关文献的分析查找，图1所示是挖掘机在一段时间上的平均液压负载功率，图2是在图1的横坐标上取出一小段所得到
的液压挖掘机负载功率。从两图可以发现，发动机功率曲线具有高频和低频部分，并且功率的低频部分明显与高频部分分离。
波形与发动机对应功率曲线近似一致。也就说明了发动机的功率可以近似看作是两种信号叠加控制所得到的。
在挖掘机节能控制方面，可以通过控制油门来调节发动机的输出功率，也可以通过改变变量泵的排量来调节系统的吸收功
率。通常由发动机实时动态地适应载荷变化比较困难，这也是目前节能控制上的一个难题。所以，根据曲线波形特征分析，提
出低频部分通过改变发动机输入功率来控制，高频部分通过调节液压泵吸收功率来控制的控制策略。对于转差信号的分频处
理，可以用小波分析、滤波处理和傅里叶变换三种方式来实现。图3所示为转差分频控制策略结构框图。
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