发动机_变量泵功率匹配极限负荷控制

液压挖掘机功率匹配控制系统摘要：液压挖掘机的功率控制是目前各主机厂的重点研究方向，也是挖掘机控制的核心问题。

本文从分析发动机工作特性出发，从转速反馈控制、压力反馈控制两方面对液压挖掘机功率控制系统进行了阐述。

两种反馈手段综合运用的方式，克服了但一方式的不足，整合了两者的优点，使整个控制系统更加成熟合理。

关键词：挖掘机；功率匹配；全功率；控制系统1 前言挖掘机在工作过程中，当遇到大负载时，会使发动机转速急剧下降，严重时甚至造成发动机熄火，影响系统的稳定性和发动机的寿命。

同时由于实际施工中负载变化非常剧烈和频繁，司机需要手动将油门开度调大，这虽然能解决大负载下发动机掉速的问题，但在轻载时却出现“大马拉小车”的情况，极大地浪费了能源。

所以对挖掘机而言，功率匹配控制不仅要具有准确性，达到“极限负荷匹配控制”状态，即发动机根据负载提供功率，同时要具有跟随性，能动态地根据负载变化实时改变发动机功率的输出。

有效地使发动机和液压传动系统与外部负荷之间始终保持最合理的匹配，进而提高能量利用率，是挖掘机控制系统的核心问题。

液压系统与发动机功率匹配系统性能不仅受发动机、液压元件自身性能的影响，而且还取决于各部分元件参数之间的合理匹配。

本文主要从发动机——泵的匹配控制方面对挖掘机功率控制系统进行阐述。

2 发动机工作特性曲线发动机作为挖掘机的动力系统，对其特性的研究直接关系到控制性能的好坏。

以下从发动机的外特性曲线及万有特性曲线对发动机特性进行阐述。

2.1 发动机外特性曲线图1是发动机外特性曲线图，图中曲线ABCD是发动机全负荷速度特性曲线，横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机扭矩。

图中A、B、C、D点分别表示各个油门开度状态下对应的最大功率输出点。

图1 发动机外特性曲线图斜线1、2、3、4分别表示不同油门开度时的调速特性。

因为每一个油门位移S，对应一个最大功率输出点，所以两者存在映射关系，可用函数表示为Nm（M，n）=f1（S）因此选择不同的油门位移S，即选择了不同的功率模式。

基于全局功率匹配的液压挖掘机电控节能技术的研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：杨虎指导老师：陈进教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一三年五月Research on Energy-saving Technology of Electronic Control for Hydraulic Excavator Based on Global Power MatchingA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMaster’s Degree of EngineeringByYang HuSupervised by Prof. Chen JinSpecialty：Mechanical Design and TheoryCollege of Mechanical Engineering of ChongqingUniversity, Chongqing, ChinaMay, 2013中文摘要摘要液压挖掘机是一种高能耗的重要工程机械，应用十分广泛，在国民建设中占有重要地位。

我国自主研发的液压挖掘机的技术相对落后，其发动机功率利用率较低，能量损失较大，导致挖掘机整机工作效率降低，经济性能较差。

因此研究挖掘机的节能控制技术具有重要的工程实际意义。

目前，挖掘机节能技术应用较多的是发动机-泵和泵-负载的功率匹配控制，但是两者都是通过调节液压泵的排量来实现局部功率匹配，所以，两个环节的控制相互干涉，不能协调统一。

针对此种情况，论文基于发动机-液压系统-负载的全局功率匹配，研发液压挖掘机的电控节能技术，主要进行了如下几个方面的工作：①通过分析挖掘机的传动系统及能量传递路线，找出其能量损失途径，指出除了不可避免的损失外，大部分是由于发动机-液压系统-负载之间的功率匹配不合理造成的能量损失。

工程机械，２００１（８）范围非常广泛，不但要从设备上提供保障，技术上不收稿日期１引言目前，国产工程机械的能量利用率都比较低，以液压挖掘机为例，总的能量利用率仅为２０％左右，因此节能一直是工程机械的重点研究课题。

造成工程机械能量利用率低的主要原因之一是：负载工况的变化，泵与发动机不能保持良好的匹配，使发动机不能在最佳工作点或最佳工作区运行。

因此，在变负载工况下，实现泵与发动机的匹配是提高工程机械能量利用率的有效途径。

本文论述了工程机械最佳工作点的概念，提出了根据不同作业需求设置不同输出模式的观点，探讨了泵与发动机的匹配机理及其实现，对理解和设计工程机械节能控制系统，提高生产效率和经济效益，都具有意义。

２发动机的最佳工作点图１是发动机的工作特性图。

曲线ＡＢＣＤ是发动机的全负载速度特性，斜线１、２、３、４为不同油门位置时的调速特性。

Ａ点、Ｂ点、Ｃ点和Ｄ点分别是对应的最大功率输出点。

因为一个油门位置X 对应一个最大功率输出点，所以最大功率N m （M ，I ）是油门位置的函数，即N m (M,I >=f 1(X >（１）所以只要调节油门的位置，就可选择不同的功率模式。

发动机在工作时，其所受的扭矩M 为自变量，M 的大小取决于后接负载的大小，而发动机转速I 是因变量，所以I ＝f ２（M ）（２）因为发动机正常工作时，后接负载往往低于该油门位置时的最大负载，所以发动机正常工作时往往工作在调速特性段，而调速特性段的功率低于该油门位置时的最大功率（图中N R !N ），因此发动机在正常工作时其效能往往未能得到充分发挥。

要想得到最大的工作效率，发动机应始终工作在最大功率点。

但是负载有轻重之分，在轻负载时，并不需要用足发动机的全部功率，所以需要区分负载的轻重，设定不同的功率模式。

在不同的油门位置下，虽然都可以工作在最大功率点，但是在有些最大功率点（如图１中的Ｂ、Ｃ、Ｄ点）抗过载能力很差，容易导致发动机熄火。

关于液压挖掘机全功率泵的动力匹配作者：刘富来源：《山东工业技术》2019年第20期摘要：目前国产大中型履带式液压挖掘机的液压泵基本上都是采用全功率液压泵，为了能在有效利用发动机动力的同时能达到最省油，我们需要对发动机和液压泵进行有效的动力匹配。

一般厂家对整机进行动力匹配时，发动机的标定都采用空载标定，即在液压泵不带载的情况下进行标定，本文将介绍另外一种标定方式，带载标定，即在液压泵带载的情况下对发动机进行标定。

关键词：动力匹配;空载标定;带载标定DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.20.0271 空载标定目前国产大中型履带式液压挖掘机基本上用的都是定油门控制的方式（发动机走速度特性曲线），且液压泵基本上都是采用全功率液压泵。

目前对这种定油门控制都是采用空载标定油门，即在液压泵不带载（泵的出口无压力）的情况下设定各档的油门位置（即设定空载转速）。

然后在对挖掘机进行挖掘试验，试验过程中通过不断调整供给泵比例减压阀的电流值来调定泵的功率，以使泵能很好的匹配发动机。

这种方法实质上是让泵（负载）来匹配发动机，在匹配的过程中很难让发动机和泵匹配在对应速度特性曲线下的最优点，要想让其匹配到最优的点，就必须经过大量试验，不断调整供给比例电磁阀的电流得到。

2 带载标定我想介绍另一种匹配方式，它能很快使发动机和泵匹配在对应速度特性曲线下的最优点，能在全功率液压泵进入恒功率区后使发动机的负荷率达到最大，这样便能在充分发挥发动机动力的同时达到最省油。

这种匹配方式叫带载油门标定。

首先根据泵的P-Q曲线图，设定工作时泵所要达到的目标转速（非空载转速），同时设定此转速下需要向泵的比例电磁阀供给多少电流，将转速和电流都在控制器里设定好。

在油门标定的过程中，让控制器将设定好的每个档位的电流供给液压泵的比例减压电磁阀，同时操作操纵手柄使前后泵都达到溢流，这时液压泵进入对应电流的恒功率区。

根据全功率泵的扭矩曲线可知，一旦泵进入恒功率，泵的扭矩及功率便达到最大，而且近似恒定（全功率泵的特性决定）。

工程机械液压系统四种控制技术液压系统动力匹配及控制技术在国外起步较早，发展较快，很多技术在国外使用后很快进入中国市场，目前国内主要停留在引进-模仿阶段，并没有自己的专有技术。

1、定量泵设计方法在早期的工程机械系统设计中，采用定量泵设计的原则是：系统的最大工作流量(Q)与最大工作压力(P)的乘积即系统的最大输出功率(N)不能超出柴油机额定功率(Nj)。

但在一般工况下功率利用系数太低，且无法施展较强的控制功能，因而性能不佳。

目前在小吨位(5～50t)汽车起重机和随车起重机等产品中仍在使用。

2、单泵恒功率控制技术在单泵控制系统中，一般通过变量控制机构实现对变量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技术中，通过对变量机构两根弹簧弹力的不同设定，能实现对变量泵输出流量的控制，其工作曲线为折线，当系统压力达到第一根弹簧设定力后，变量泵排量开始减小。

当系统压力克服第二根弹簧设定力后，变量泵变量曲线斜度发生变化。

通过以上控制，使其变量曲线上P、Q乘积的离散值趋近于常数C。

通过以上控制大大提高了柴油机功率的利用系数，又能保证柴油机不会因过载熄火。

力士乐公司开发的恒功率控制技术中，通过杠杆原理对变量控制机构进行了改进，使其功率曲线近似为反比例曲线，功率利用系数更高。

3、双泵恒功率控制技术在双泵或多泵系统中，由于存在多泵之间功率分配的技术难题，如何使柴油机功率合理地分配到各泵，使各执行机构协调工作，尽可能发挥其最大效能，最大程度发挥出发动机功率成为关键。

目前，这方面的控制技术有不同的组合形式。

(1)分功率控制技术分功率控制是根据各泵所负责的执行机构实际需用功率，将柴油机功率按一定比例分配给各泵。

在分功率控制中，每个泵均有独立的变量控制机构，使执行机构在预先设定的工作曲线上工作。

但分功率控制的最大缺点是不能充分利用发动机功率，当某个泵因某种情况不需要工作时，其功率不能给另一个泵使用而白白浪费，因此极易出现“大马拉小车”的现象，无法满足大型工程机械的使用要求。

泵与发动机的功率匹配原理————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：ﻩ泵与发动机的功率匹配原理发动机的输出功率：nｅ=ｍe·nｅ/9５49 （1)ﻫ式中：ne——发动机输出功率(kw）me——发动机转矩(n·m）ｎe——发动机转速（r／min)泵的输出功率为：nb= ｐｂqb/6０＝pbqｂｎｂ／６０0０0 (２）ﻫ式中:ｎｂ——泵的输出功率（kw）pb——泵出口压力(mｐa)ﻫqｂ——泵出口流量(l/ｍｉｎ) qb——泵的排量（ml／ｒ）ﻫnb——泵的转速(r／ｍｉn）ﻫ泵与发动机直接连接,有nb=ｎｅ。

由传动关系知,ｎｂ与ｎｅ又满足：nb=nｅη １η 2 (3）ﻫ式中η １——泵与发动机之间的传动效率,泵与发动机直接连接时取为1，泵与发动机通过分动箱相连时取为0.97η 2——泵自身的效率,由于泵一般为变量柱塞泵，当泵的排量、转速、压力变化时,效率也随之变化,因此，泵的效率值由供应商提供。

当发动机期望工作在某一最佳工作点时，其输出转矩为一常值,所以泵与发动机功率匹配，有关系式:ﻫｍb＝pｂｑｂ/2π=常值(４)式中:mb——泵的吸收转矩n·ｍﻫ因此,当负载ｐｂ变化时,通过调节泵的排量qb使得泵的输出转矩不变，就实现了泵与发动机之间的功率匹配，发动机的转速为设定的最佳工作点处的转速。

从而得出结论：当发动机在设定的最佳工作点运行时，欲实现泵与发动机匹配,则要求泵具有恒功率特性,图１所示。

此主题相关图片如下：[disablelbｃｏdｅ］恒功率泵可采用机械控制或微控器控制,机械控制的恒功率变量是靠不同的弹簧组合来近似实现恒功率的,在其恒功率区段能实现泵与发动机的匹配,但是有调节不方便、存在误差等不足。

而当采取微控器（如ＭC控制器）控制时，能实现泵与发动机的精确匹配，而且调节方便。

变量泵的分功率控制、全功率控制、交叉功率控制分功率控制分功率变量系统中两个液压泵各有一个独立的恒功率调节器，每个液压泵流量只受液压泵所在回路负载压力的影响，如图1a所示，图1b为双泵特性曲线。

分功率系统只是简单地将两个恒功率液压泵组合在一起，每一个液压泵最多吸收柴油机50%的额定功率。

而且只有当每台液压泵都在压力调节范围P0≤P≤Pmax内工作时，才能利用全部功率。

由于每个回路中负载压力一般是不相等的，因此液压泵的输出流量不相等。

这种系统的优点在于：两个液压泵的流量可以根据各自回路的负载单独变化，对负载的适应性优于全功率系统。

其主要缺点在于：由于每个液压泵最多只能吸收柴油机50%的功率，而当其中一个液压泵工作于起调压力之下时，另外一个液压泵却不能吸收柴油机空余出来的功率，使柴油机功率得不到充分利用，从而限制了挖掘机的工作能力，因此这种系统在国外大、中型挖掘机上基本被淘汰。

图1 分功率变量系统全功率控制图2 全功率变量系统在全功率变量系统中，液压泵的功率调节有两种形式。

一种是两个液压泵共用一个功率调节器，如Rexroth的A8VO泵（工作原理如图2a所示），经压力平衡器将两液压泵的工作压力PA1、PA2之和的一半作用到调节器上实现两泵共同变量；另一种是两个液压泵各配置一个调节器，如川崎的K3V泵（工作原理如图所示2b所示），两个调节器由液压联动，两个液压泵的压力油各通入本泵调节器的环行腔和另一个液压泵调节器的小端面腔，实现液压联动，因小端面腔面积与环行腔面积相等，各液压泵压力的变化对调节器的推动效应相等，使两个液压泵的斜盘摆角相等，输出流量相等，可使两个规格相同且又同时动作的执行机构保持同步关系。

决定液压泵流量变化的压力是两个液压泵工作压力之和P=P1 P2，只要满足2P0≤P≤2Pmax，两个液压泵功率总和始终保持恒定，不超过柴油机的功率。

但每个液压泵的功率与其工作压力成正比，其中一个液压泵有时可能在超负荷下运行，系统特性如图3所示。

I SS N100928984 CN2221323/N 长春工程学院学报(自然科学版)2008年第9卷第4期J.Changchun I nst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2008,Vol.9,No.411/2635238液压挖掘机发动机与液压泵的合理匹配的研究收稿日期:2008-11-07作者简介:汤振周(1970-),男(汉),福建,硕士研究生,讲师主要研究工程机械。

汤振周(福建交通职业技术学院,福州350007)摘　要:通过对液压挖掘机发动机的工作特性、变量泵性能的研究,提出了恒功率与变功率2种控制方式的组合,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。

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自适应能力和综合性能指标。

关键词:液压挖掘机;发动机;液压泵;合理匹配中图分类号:T D422.2文献标识码:A 文章编号:100928984(2008)04200352041　发动机工作特性柴油机的特性主要是运行特性,包括:速度特性、负载特性、万有特性的变化规律。

如图1所示,曲线CASB是发动机在某一档时的工作特性,AC为外特性,AB为该档位下的调速特性。

当外负载变化时,发动机的输出转矩变化,如A点、B点和S点,A 点输出功率最大。

另外,发动机还有一条最佳比油耗线(ge线),当发动机工作在最佳比油耗线时(图中S、E点)最经济。

为了保持柴油机转速的相对稳定,必须随着负载的变化相应改变供油拉杆的位置,在柴油机上安装的调速器就能根据外界负载的变化,自动调节循环供油量,使柴油机稳定运转。

通常工程机械选用的都是全程调速器,在任何转速下均能起调速作用。

那么在某一固定油门拉杆位置下,当外负载变化时,柴油机将不再运行在外特性曲线上,而是在该油门位置下的调速线上工作。

不同的油门位置对应于不同的调速曲线,可见在外负载扭矩变化时,速度将受到较小的波动,从而起到稳定柴油机转速的作用。

第３８卷２００７年２月工程机械ＴｅｓｔａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈ试验・液压挖掘机负载自适应全局功率匹配控制系统﹡中南大学机电工程学院! ! ! ! "陈欠根李延伟郝鹏!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "摘要：提出一种以发动机－泵－阀－铲斗－负载作为整体来实现功率匹配的全局控制方案，并把全局功率匹配分为发动机－泵的匹配和阀－负载的匹配两部分，前一环节实现泵排量的调节，保证泵把发动机功率完全吸收，转化为液研究压能；后一环节则是调节阀的开口，使压力随负载变化，时刻把液压能发挥到最大。

在铲斗负载自适应条件下发动机功率与负载的匹配和控制方法的实现，揭示了挖掘机节能的一种方法。

!!!!"液压挖掘机节能技术研究是当前一个研究热点。

目前各种节能方案中得到成功应用的主要是针对发动机－泵的功率匹配和针对泵－负载的功率匹配控制方案。

本文提出一种以发动机－泵－阀－铲斗－负载作为整体来实现功率匹配的全局控制方案，同时可以在挖掘机整个工作循环中识别出挖掘过程进而自动判断并自动匹配挖掘时刻克服负载所需要的最大功率，实现挖掘负载自适应。

当前成功得到应用的功率匹配方案多是在挖掘机“发动机－液压系统－铲斗－负载”整个能量传递链中上实现某个环节上的功率匹配，主要是发动机－泵的功率匹配和泵－负载的功率匹配。

鉴于上述能量传递链，这里暂称这些方案为局部功率匹配方案。

在液压挖掘机上实现发动机－泵的功率匹配主要目的是提高泵对发动机输出功率的吸收能力，在通过采用转矩控制或者转速感应控制实现两者的精确匹配的理想情况下，泵把吸收的发动机输出功率尽可能多的转化为液压能，液压能通过换向阀传递到执行机构作用于负载；针对泵－负载功率匹配的方案中应用比较广泛的液压控制有负荷传感控制、负流量控制等泵控系统，均为通过调节变量泵的摆角变化使输出流量与执行机构的需要流量相匹配，而减少溢流损失和节流损失。

基于PLC全功率匹配技术在平板车电气控制策略中的实现【摘要】在平板车的电气控制策略中，功率匹配技术的应用是非常重要的一个环节，尤其是针对液压闭式泵系统和开式泵系统共同作用过程中的全功率匹配的控制策略更为重要。

全功率匹配技术的控制策略有效的将发动机的输出功率实时的分配到闭式泵和开式泵的工作系统当中，在保证了平板车作业过程中安全性、稳定性和有效性的同时，还既避免了由于过载造成发动机处于不利的工作状态，又将发动机的输出功率进行了合理的利用和分配。

【关键词】电气控制 plc 功率匹配平板车动力平板运输车（以下简称平板车）是运输重型、大型、不可拆分的设备及整体构件的重要专用运输工具，在船舶、桥梁、机械、冶金以及石油化工等各个领域的大型工程建设中发挥着不可替代的作用[1]。

而基于plc控制器的电气控制系统是平板车组织结构中的重要组成部分，其中电气控制方案的优劣可以说关乎整个车辆的运行状况，进而关系到客户对平板车产品的认可程度，所以合理的电气控制策略是平板车研发制造技术中的关键技术之一[2]。

本文仅针对平板车电气系统中全功率匹配技术的控制策略的应用和实现进行研究分析。

1 平板车电气控制对象分析平板车从整体组织结构来讲可分为机械构架、液压控制和电气控制等三个大部分，其中液压控制系统中配置的各种电控部件是电气控制的对象，在制定最佳的控制策略之前，必须充分了解和分析控制对象的各种性能要求。

全功率匹配技术的实现所涉及到的控制对象主要包括发动机、闭式泵和开式泵和等，对于发动机的控制仅局限于转速的控制，而相应的电气控制策略主要是针对用于直接消耗发动机输出功率的液压闭式泵和开式泵制定的。

所以本文提及到的全功率匹配就是发动机输出功率与液压闭式泵和开式泵吸收功率之间的匹配关系，是对三者同时工作过程中协调控制策略的进一步研究。

2 基于plc的电气控制系统介绍2.1 电气控制硬件组成采用德国inter control公司提供的工业车载plc控制器，主要涉及dcf 系列的控制模块，该控制模块是一种集可编程逻辑控制器、比例放大器、模拟量输入a/d模块、继电器输出等功能于一身的高性能控制器，丰富的输入输出口：di开关量输入、iav电压（0～10v）输入、iai电流（4～20ma）输入、ic脉冲输入、do开关量输出和pwm脉宽调制输出等，并且配置了有两个can总线接口，所以用户可以根据电气控制的要求方便自由的配置输入输出口以满足系统的控制要求。