液压挖掘机的系统建模与控制

基于双阀芯的液压控制系统　

在挖掘机上的应用　

熊翔，朱建新，杨翔，梅勇兵，刘昌盛　

（中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３）　

［摘要］介绍了传统阀芯和双阀芯两种控制方式以及基于双阀芯的负载口独立控制液压系统，结合液　

压挖掘机讨论了负载在执行机构运动过程中保持不变和改变时两种工况下执行机构的控制策略，建立了负　

载口独立控制液压系统的Ａｍｅｓｉｍ简化模型，并设计了ＰＩＤ控制器，对主阀芯的位置控制进行了仿真研究，　

结果表明主阀芯具有良好的响应速度和稳态精度。　

［关键词］挖掘机；液压系统；多路阀；双阀芯　

［中图分类号］ＴＨ１３７．５２　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１００１—５５４Ｘ｛２００８）０１—０１０２～０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｏｎ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｗｉｎ　ｓｐｏｏｌ　

ＸＩＯＮＧ　Ｘｉａｎｇ，ＺＨＵ　Ｊｉａｎ－ｘｉｎ，ＹＡＮＧ　Ｘｉａｎｇ，ＭＥＩ　Ｙｏｎｇ－ｂｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｃｈａｎｇ－ｓｈｅｎｇ　

近年来，随着液压技术与电子控制技术的结　

合，液压控制系统不断地向高效率、小型化及高　

精度化方面发展。电液控制系统具有控制精度高、　

响应速度快、输出功率大等许多优点，广泛应用　

于国民经济和军事工业各技术领域，而其核心控　

制元件是电液伺服阀和电液比例阀。本文将英国　

Ｕ｜ｔｒｏｎｉｃｓ公司推出的基于双阀芯控制的电液比例　

阀应用在某液压挖掘机上，并对其进行研究。由　

于液压挖掘机系统的复杂性和快速性，影响液压　

挖掘机的动态性能参数多，因此需对液压挖掘机　

进行建模和仿真研究，为设备的调试和技术改进　

提供技术指导。　

１两种阀芯控制方式　

１．１传统阀芯的控制方式　

传统阀芯控制执行机构的方式如图１所示，系　

统压力油Ｐｓ经节流窗口１流人执行机构的工作油　

腔，然后执行机构回油腔中的油液经节流窗口３流　

回油箱，通过给阀芯加工不同形状的节流槽，以　

科　科｝技　论Ｊ坛　小议液压挖掘机的控制系统及设计　金明辉　（哈尔滨博实物流设备有限公司，黑龙江哈尔滨１５００００）　摘要：液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件（液压缸、液压马达）等所构成的动力系统进行控制的系统。按控制　功能，可分为位置控制系统、速度控制系统和力（或压力）控制系统；按控制元件，可分为发动机控制系统、液压泵控制系统、多路换向闽控制系统、执　行元件控制系统和整机控制系统。目前．液压挖掘机控制系统已发展到复合控制系统。　关键词：液压挖掘机：控制技术：三维造型设计　挖掘机设计不仅需要产品设计尺寸正确　无误，还需要设计合理、结构性能好，以保证挖　掘机在运动过程中不发生干涉，使用安全可靠。　利用已完成的挖掘机三维模型，给出液压缸运　动的约束条件，并施加作用力，进行二维或三维　运动分析，可以分析机构最小距离、每个挖掘位　置的挖掘力、位移、速度、加速度和和功率等参　数。绘制运动轨迹包络图，从而分析工作范围的　大小和挖掘性能的好坏。装配仿真技术可以从　静态角度保证设计尺寸的正确性，机构运动仿　真则从运动角度保证设计的合理性和可靠性。　在设计阶段把许多原本要在样机试验时才能发　现的问题一一加以解决，从而为企业带来实实　在在的技术经济效益。　１液压挖掘机的控制系统分类　１．Ｉ电液比例控制智能化　进入２Ｏ世纪９Ｏ年代后，随着计算机技术　的发展．电液比例控制更进一步“智能化”．电液　比例泵和比例阀的应用日益增多，从而出现了　“智能　液压挖掘机”。这种智能化主要体现在　以下几个方面。首先，计算机能够自动监测液压　系统和柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速　等，并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动　力系统运行在高效节能状态。其次．能够完成一　些半自动操作，如平地、斜坡的修整等，对司机　的熟练程度要求降低．但工作质量却能够得到　大幅度提高。第三，能够根据监测到的运行参数　进行故障诊断，便于挖掘机的维护。这些功能的　出现，使挖掘机性能得以大幅度提高。　１．２柴油机电喷控制　在传统的机械调速柴油机上，喷油泵的循　环供油量、喷油提前角等都受到转速影响，使柴　油机性能难以进一步提高。在柴油机上应用电　喷控制后，可以使泵的循环供油量和喷汕提前　角不再受转速的影响，从而使挖掘机能够一直　工作在最佳状态。而且加快了响应速度。开发柴　油机电喷控制器是提高挖掘机节能性的一个重　要环节。　１．３负荷传感控制将继续发展　负荷传感控制从２Ｏ世纪７Ｏ年代开始兴　起，各工程机械液压件生产厂商纷纷推出了一　系列有关产品。这种系统具有良好的节能性和　操纵性，即使不熟练的司机也能很快适应。比例　流量分配阀的出现进一步推动了负荷传感技术　在挖掘机上的应用，使挖掘机操纵性进一步提　高，解决了西方国家由于熟练司机的缺乏而带　来的问题。因此，负荷传感控制挖掘机在发达国　家的需求将会进一步上升。　１．４多功能组合　为提高挖掘机性能，各种节能措施的结合　将更加广泛。在以往的系统中，液压泵上已经集　成有多种功能，但由于各种条件的限制，一般不　超过三种。如液压泵中，就集成有压力切断、正　流量控制和功率限制功能，目前市场上比较流　行的各种液压泵原理图中，也都集成有多种功　能。随着液压技术的发展，有可能在泵上集成更　多的功能。　１．５可变参数控制　为使挖掘机更好地适应各种工况下的负载　要求，动力系统内部一些控制元件的设定参数　将不再是固定值，而是能随着挖掘机具体工作　状况而改变。例如，在日立建机生产的ＥＸ系列　挖掘机上，负荷传感阋上的压力补偿器没定压　差就能随工作状况而改变，增强了挖掘机工作　时的适应性。可以预测，在将来的挖掘机动力系　统中，将会有更多的控制参数可以调节，从而使　挖掘机工作效率更高、操纵更容易。　：挖掘机零部件的三维造型设计　挖掘机三维实体造型包括所有零件的三维　实体造型，总成和整机装配仿真。挖掘机是由金　属结构、回转机构、动力装置、传动操纵机构、液　压系统和辅助设备等组成。零、部件共计一千多　个。尽管挖掘机零、部件结构形式各不相同，但　在计算机上进行三维实体造型有一些规律可　循，一般过程如下：创建草图一根据零件的基本　特征和附加特征生成零件的三维模型一依照装　配关系装配零部件一形成整机装配仿真。　２．１三维造型应用软件和基本方法　无论采用那家的三维ＣＡＤ软件，都可以较　好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型　时常用以下方法：　２．１＿】对形状比较规则的简单零件，利用三　维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆　锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、　光轴、轴套等。　２．１．２绘制最能反映零件基本特征的几何　草图，经拉仲、旋转生成三维实体。　２．１．３沿路径配置的二维几何图形经扫描，　蒙皮生成曲面形实体。　２．１．４从草图人手建模。设计者根据设计的　要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每　一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照　设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的　实体建模。从草图人手建模很容易实现参数化、　标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方　式。　２．１．５利用三维实体间的布尔运算（交、并、　补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实　体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征　造型。　２．２挖掘机金属结构的三维造型　一台液压挖掘机的零部件有一千多个。全　部采用三维造型设计工作量很大。实际设计挖　掘机时，也可以只制作与整机外形仿真、运动分　析有关和影响主要性能的金属结构件、标准件、　司机室和机罩等。　挖掘机三维造型设计的关键是金属结构件　的三维造型，如动臂、斗杆、铲斗、回转平台、回　转支承、行走机构和行走架等，这些金属结构件　都是由多个零件焊接成形，结构较为复杂。如动　臂本体由上板、下板、侧板、加强筋板、连接耳板　和轴套等十多个零件焊接而成，这些单个零件　结构一般比较简单。设计者根据零件的具体结　构画出反映零件特征的二维草图，草图一般由　直线、多边形、圆弧线和圆等构成封闭的图形。　将二维截面草图进行拉仲、旋转、放样、倒角，生　成三维图形。最后将这些零件组装并通过布尔　运算等操作，形成动臂的三维实体模型。三维造　型最好采用参数化的草图建模方法，这样可以　方便地实行零件的修改及变形设计，只要发现　某一尺寸和结构不合理，可以容易地修改。而且　可以通过尺寸等修改形成其它挖掘机的建模，　无须重新建模，为以后其它挖掘机的设计建模　打下基础。零件模型不仅包含零件的几何信息，　还包含材料、名称、精度等物理信息。就可被后　续的质量特性计算、动静干涉检查、有限元分　析、结构优化、系统动力学、图面绘制及制造等　工作所共用。　挖掘机外观造型设计十分重要，是吸引用　户非常重要的一个方面。驾驶室、配重、柴油箱、　液压油箱和机罩等都采用曲面流线型设计，驾　驶室宽敞、视野良好．造型新颖。整个外形设计　应给人一种赏心悦目的感觉。　２Ｉ３挖掘机配套件的三维造型　挖掘机的配套件主要有：柴油机、液压缸、　马达、阅组、减速器和回转支承等，都由专业配　套厂制造，一般只提供安装与连接尺寸图纸和　外轮廓简图。准确的配套件三维造型无法构造。　一般把配套件作为一个整体，只对连接与安装　位置的精确建模，其他部分只作外轮廓造型。挖　掘机采用的液压元件外形轮廓比较规则，三维　建模比较简单。　２．４挖掘机部件与整机的三维造型　完成了所有零件的三维实体造型之后，就　可以进行部件与整机的装配仿真。整个流程先　从零件到部件，再从一级部件到总成，再往上直　到整机。即采用自下而上的倒树状层次结构法，　各级部件通过引用一系列下级零部件模型组装　而成，它不仅描述一个部件与下级零部件之间　的装配从属关系，同时也记录所属下级零部件　之同的装配定位关系。　

太原科技大学本科毕业设计

XG804履带式液压挖掘机三维建模

XG804 tracked excavator 3D modeling

学 院（系）： 机械工程

专 业： 机械设计制造及其自动化（工机）

学 生 姓 名： 武慧杰

学 号： 201012030418

指 导 教 师： 李捷

评 阅 教 师：

完 成 日 期：

太原科技大学

Taiyuan University of Science and Technology XG804履带式液压挖掘机三维建模

I

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

学院（直属系）： 机械工程学院 时间： 14年 6月 10日

学 生 姓 名 武慧杰 指 导 教 师 李捷

设计（论文）题目 XG804履带式液压挖掘机三维建模

主要研

究内容 1.测绘XG804履带式挖掘机整机数据，确定各关键铰接点位置；

2.确定各工作油缸的缸数、缸径、杆径、长度参数；

3.利用Pro-e工程软件对挖掘机各零部件进行三维建模；

4.利用Pro-e组件模块对挖掘机各零部件进行装配；

5.利用Pro-e应用程序机构模块对三维模型添加电机进行运动分析；

6.绘制工作装置装配图及零部件结构图；

7.完成设计说明书。

8.翻译3000字以上的相关外文文献。

研究方法 1.在教师指导下独立承担相关设计内容；

2.通过查阅和分析近年来国内外相关文献及技术资料，参考现有机型进行方案选型并确定主要结构参数；

理论，研发，设计／制遗　字木交；赢　

嚣　甜　

挖掘机并联式混合动力系统建模及控制策略研究　

庹福幸。管成，徐振　

（浙江大学机械设计研究所，杭州３１００２７）　

摘要：针对液压挖掘机的并联式混合动力系统，基于其工作机理ｊ建立了包括电池组≮电动／发电机、以及柴油机在内　的整个系统的动力学模型。重点建立了四缸柴油发动机的瞬态模型　以准确反映发动机转速及扭矩对外负载的动态响。　应情况。为了提高系统的节能效果，基于系统动力学模型及负载状况　以优化发动机工作点、提高燃油效率为目标　设计　了一种多点控制策略。仿真结果表明，柴油机发动机模型合理有效，设计的控帝０方法能使混合动力挖掘机燃油效率得到　

１　显提高ｏ　｜　关键词：液压挖掘机；并联式混合动力；柴油机：瞬态模型≯控制策略　中图分类号：Ｕ４６２．３１　文献标识码：Ａ　＿文章编号：１００２－２３３３（２０１０｝０４－００２７－０４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｅｘｃａｖａｔｏｒ　Ｔｕｏ　Ｆｕ－ｘｉｎｇ，　ＧＵＡＮ　Ｃｈｅｎｇ，ＸＵ　Ｚｈｅｎ　（Ｒｅｓｅａｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｅｎｔｉｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｍｏｔｏｒ／ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｎｄ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆｏｕｒ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｅｎｇｉｎｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ：ｅｘｃａｖａｔｏｒ　ａ　ｍｕｈｉ—ｗｏｒｋ—ｐｏｉｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ．ｗｈｉｃｈ　ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗｏｒｋ　ｐｏｉｎｔｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｆｕｅｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｅｘｃａｖａｔｏｒ；ｐａｒａｌｌｅｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ｐｏｗｅｒ；ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ