挖掘机负流量液压系统的控制特性分析

　　1 引言

　　挖掘机是工程机械产业中最重要的机型，挖掘机的年产销量、市场保有量、年销售额等均居于工程机械行业首位。挖掘机是工程机械各机型中技术含量较高的产品，挖掘机对动力性、经济性、操控性、舒适性和安全性等都有较高的要求。

　　目前，主流的挖掘机几乎全部采用液压传动，在挖掘机中，液压系统不但传递发动机输出的动力，还参与了动力传动系统的控制。

　　液压系统的功率形式是压力和流量，几乎所有液压控制都可以归结为压力控制和流量控制。挖掘机是一种土石方施工机械，其工作时，发动机的动力通过液压系统驱动工作装置对外做功，液压系统工作时，其压力的大小由负载决定，压力不是液压系统的固有参数。从控制的角度来讲，压力是系统对外载荷的响应。所以，对挖掘机液压系统的控制其实是对液压系统流量的控制。

　　2 挖掘机液压系统的体系结构和性能分析

　　控制液压系统的流量的途径包括改变液压泵或液压马达的排量和改变液压阀的开度，其中，通过变量泵对流量进行控制的液压系统称为泵控系统，通过比例阀对流量进行控制的液压系统称为阀控系统。下面分别分析液压泵和液压阀的流量控制。液压泵的理论流量公式如下:

　　式中，Qb为液压泵流量; Ne为液压泵输入转速; Vb为液压泵排量。

　　由上式可见，改变液压泵的排量和转速都可以改变其流量，进而改变执行机构的速度，其中，通过调节液压泵转速来调速的控制方式称为变频调速，通过调节液压泵排量来调速的方式称为容积调速。挖掘机在工作过程中，一般要求柴油机转速稳定或相对稳定，即使由于外负载的变化而导致发动机转速失稳，也要通过一定的控制手段使发动机转速恢复稳定，所以，在对液压泵的流量进行控制时，可以假定输入转速是恒定的。可见，对液压泵的流量控制其实是对液压泵排量的控制。

　　液压阀对液压泵输出的流量进行二次调节。液压阀的流量公式如下:

　　式中，Qf为液压阀的流量; Cq为流量系数; A 为液压阀的开度; Δp 为液压阀上的压降; ρ 为液压油的密度。

　　由上式可见，液压阀的流量主要由两个变量决定:液压阀的开度 A 和阀上的压降Δp。由于液压系统的压力是由外负载决定的，而外负载往往是不可预知的，所以，目前对液压阀的流量控制只能通过控制其开口A 实现。即，通过 PWM 电流信号驱动电磁铁推动阀芯产生位移，阀芯位移产生一个阀的开口A，从而得到液压阀的输出流量。可见，对液压阀的控制主要是对液压阀输入电流信号的控制。泵控调速方式是通过改变液压泵的排量来实现的，所以，调速过程中液压系统没有流量损失，也就没有功率损失，经济性好; 同时，由于调节液压泵的斜盘倾角需要推动斜盘、柱塞、滑靴等一系列的质量元件和摩擦副，惯性较大，其排量的响应时间较长，经实验室测试，A11VO130 液压泵的排量响应时间约为300 ～500 ms。