挖掘机液压泵及其控制系统（二）

恒功率控制(压力感应控制)

㈠P-q 曲线控制

目前液压挖掘机都采用恒功率控制，随着油泵压力提高油泵输出流量减小，满足挖掘机高压小流量低压大流量的作业要求。PQ＝常数是恒功率曲线，能充分利用发动机功率，防止发动机熄火。可采用小的发动机。所谓恒功率控制，实际上是 Pq＝常数(q 为变量泵的排量)应该说是恒转矩控制，当发动机转速不变时是恒功率，发动机转速改变，功率发生变化。恒转矩控制对发动机和液压泵联合工作很有利，因为对发动机的阻力矩是不变的，可以通过油门控制来改变发动机转速，从而使液压泵流量变化，发动机和液压泵匹配工作情况如图1所示。

图1发动机和液压泵匹配工作

液压泵的阻力矩为： M ∝ pq

液压泵的吸收功率： N ∝ pqn

式中：p――压力

q――排量

n――发动机转速

㈡p-q 曲线控制方式

1.液压机械控制方式

(1) 双泵恒功率控制方式

(2) 单泵杠杆式恒功率控制装置

图2杠杆式恒功率装置原理

在弹簧 1 作用下恒功率阀 A 处于右位，下油缸压力油通过 A 阀回油，在上腔内油压和和弹簧作用下油泵向大流量方向摆动，油泵压力油通过上腔作用在顶杆上，顶杆顶推杠杆使杠杆绕支点摆动，推动 A 阀向右移动，使 A 阀处于左位，油泵压力油通过 A 阀进入下油缸，推动其活塞杆压缩弹簧使油泵向小流量方向摆动。同时上油缸活塞杆右移顶杆顶推杠杆的力臂减小，使杠杆推 A 阀的力下降直至与 A 阀弹簧力相等，油缸摆角处于新的平衡位置。杠杆式恒功率装置原理如图2所示。

从杠杆力平衡得：F1·a＝F2·b

F1＝PS

式中：P 为油泵压力

S 为顶杆受压面积

a 为杠杆力臂，它随上油缸活塞移动而变

b 为杠杆力臂可以认为它的大小是不变的

从 A 阀力平衡得：F2＝Fs

式中：Fs 为弹簧力

a 值随油泵摆角而变，在设计时使 a∝q 杠杆力臂 a 正比于油泵排量 q，则 P·q＝常数 即油泵随油压 P 改变实现恒功率控制。

由此这种恒功率装置通过杠杆机构来实现，只要杠杆系统设计得好就能实现很理想的恒功率曲线。

电子控制方式

由压力传感器检出液压泵出口压力，输入控制器，经控制器处理后，输出电信号，控制两个高速电磁阀的开关，从而控制液压泵伺服活塞的位置，改变泵的斜盘转角，来控制液压泵的排量。这种控制方式其变量特性是通过软件来实现的，非常灵活机动。另外液压机械控制方式只能是用折线近似双曲线，而电子控制方式可得较理想的双曲线。

全功率控制

㈠恒转矩控制的不足

这种恒转矩控制系统，随着负荷变动，变量泵自动改变排量，具有响应快的优点，但存

在以下不足之处：

(1)泵控制特性(即 P-Q 特性)一般还是由液压和弹簧作用来实现的，不能得到理想的恒功

率曲线，而是用折线来近似等功率曲线，存在误差，如图3所示。

图3液压泵 P-Q 特性 图4不同转速下的 P-Q 特性

(2)考虑到由于大气状态(气压、气温和湿度)变化，采用较差燃油和使用过程中发动机性能恶化等原因，都会使得发动机功率有所下降，因此在设定液压泵总吸收功率时要有一定的余量，一般按发动机额定功率 90%来设定，其泵控制特性的设定如图3所示。

液压泵吸收功率是随着发动机转速的变化而改变，其 p-Q 特性随转速 n 的变化如图4所示。

发动机和液压泵的转矩匹配情况如图5所示，从图中可以明显看出这种转矩控制系统不能充分利用发动机功率；当发动机性能曲线稍有降低时，发动机转速下降幅度大，液压泵的吸收功率将会有大幅度下降。压力感应实际上是恒转矩变量系统，而功率与转速有关，难以达到恒功率控制的要求。

图5发动机和泵转矩匹配

㈡转速感应控制(全功率控制)

为了克服转矩控制系统的缺点，挖掘机上除了采用压力感应控制外还采用了转速感应控制(ESS-Engine Speed Sensing 发动机转速感应系统)。目前挖掘机上转速感应控制有以下两种方式：

(1) 采用电液比例减压阀方式

这种转速感应控制系统组成如图6(a)所示。

图6电液比例减压阀式转速感应控制系统

该系统由泵倾斜盘控制机构、电液比例减压阀、控制器、转速传感器和油门开度传感器等组成。由油门开度传感器检出发动机油门开度，输入控制器，由微处理机计算出此油门开度下，发动机最大功率的转速 n R ，并以此转速作为控制目标。当泵吸收功率过大使发动机转速低于目标转速时，控制器发出控制信号，通过电液比例减压阀，使泵吸收功率降低，减小发动机负荷，使发动机转速上升。当泵吸收功率过小时使发动机转速高于目标转速时，控制器发出控制信号，通过电液比例减压阀，使泵吸收功率增加，增加发动机负荷，使发动机转速下降，发动机始终保持最大功率转速 n R 处工作，如图7所示。

图7发动机控制特性 图8电液比例减压阀特性

一般采用脉宽调制方式来控制电液比例减压阀，控制器向电液比例减压阀输出控制液压，电液比例减压阀特性如图8所示。随着输入控制电流 I 的增加，输出控制液压增加。通过电液比例减压阀控制的液压泵特性曲线如图9所示。实现变功率控制。

为了充分利用发动机功率，转速感应控制系统发动机和液压泵的匹配采取超马力设定，即液压泵最大吸收功率超过发动机最大额定功率，因为有转速感应控制，可以把液压泵功率拉回至发动机的额定功率，充分吸收发动机全功率，而且发动机不会过载。一般还将液压泵最大负荷力矩(电液比例减压阀电流最小时)设定低于发动机最大力矩，以保证电液比例减压阀失效时，发动机也不会熄火。其匹配情况如图10所示，图10为泵 p-Q 特性上，液压泵与发动机功率匹配情况。其控制系统方块图如图11所示，在此图中也表示了整个控制系统的组成。油门开度传感器检出发动机油门开度，通过 A/D 变换输入计算机，通过内存查表求得控制的目标转速。转速传感器检出旋转脉冲，通过 F/D 变换将脉冲量变为数字量，求得发动机实际转速，与目标转速进行比较得到转速差△ne，通过微机 PID 运算，以脉宽调制方式输出，经功率放大输入电液比例减压阀，对液压泵进行控制调节。

图10转速感应控制发动机和泵的匹配 图11转速感应 PID 控制系统

当转速感应控制系统出现故障时，可以通过后备开关将此系统切断，同时将电液比例减压阀通过电阻和电源相连接，使得能以一定的电流通过电液比例减压阀，转速感应控制功能消除。液压泵吸收功率设定和压力感应控制一样，一般按发动机额定功率 90%来设定，为此要正确选择电阻值，使得通过电液比例减压阀的电流值产生液压泵 90%设定的控制液压。

(2)采用高速电磁阀方式

这种转速感应控制系统的组成如图12所示。

这种转速感应控制系统的液压泵排量控制是电子化的，完全由软件来确定，液压泵变量控制特性可以任意设定，而且控制系统的响应也可变化，按照需要来设定。液压泵的排量由伺服活塞 7的位置来确定，伺服活塞两端液压作用 b 面积不相等，其小端一直与控制泵压力油相通，其大端通过高速电磁阀 6 可与控制泵相通或断开，大端又可通过高速电磁阀 5与回油相通或切断。当两高速电磁阀都处于关闭状态，伺服活塞固定液压泵排量不变；高速电磁阀 5闭、高速电磁阀 6 开，液压泵排量增加；反之液压泵排量减少，两高速电磁阀的开闭通过控制器中微机来控制的，微机根据油门开度传感器、压力传感器和转速传感器等信号，根据控制软件确定液压泵排量，输出控制电信号来操纵高速电磁阀，改变液压泵倾斜盘转角，又通过液压泵倾斜盘角度传感器，进行反馈控制。