基于AMESim的船用甲板起重机变幅液压系统仿真研究.pdf
王丽娟
[摘 要]本文主要研究的是在以力矩限制器为平台的，提出了一种汽车起重机的节能控制方法，适用于定量液压系统的汽车，以手柄行程来自动控制发动机，使得负载、发动机功率和液压系统相匹配，同时建立相关的仿真模型，用实验来证明，该方法确实能够提高起重机的燃油使用率，解放操作人员双手并减轻劳动强度。本文主要用中联重科的QY25V型起重机作为例子，对定量泵系统中的起重机的节能控制方面提出了几点建议，希望能对定量液压系统的起重机节能控制有所帮助。
[关键词]定量液压系统；起重机节能控制；方法研究
中图分类号：TH213.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0093-01
一、汽车起重机介绍及发展现状
就当前形势而言，现有的电子控制系统在土木工程设备作业方面使用广泛，现有的电子控制系统主要可以分为：液压挖掘机、混凝土泵车、旋转挖掘机等，但是现今的定量液压系统的起重机还没有使用电子控制系统，当前现有的中小吨位的起重机还在使用误点控制系统，操作人员主要通过手动的控制油门或者是作业手柄的方式来进行操作，应以实现发动机和负载功率之间的平衡，这种平衡的把控完全取决于操作人员的熟练程度和操作人员自身的素养，这种传统的操作方式需求的劳动量大，并且对操作人员的水平要求很高，下面将针对定量液压系统的起重机节能控制中电控式正流量节能的有效方法。
二、电控式正流量节能介绍
当前的起重机均配有相关的电子安全监测装置，即力矩限制器，电控式正流量节能的主要方法就是通过对力矩限制作为控制手段的，对起重机的手柄行程和检测吊重，来控制发动机的转速，实现对发动机、液压系统、负载功率之间的平衡，将设备从手动变成现有的半自动作业控制，目的是为了降低设备使用时的成本，于此同时作业控制系统还保留了原有的油门踏板，操作人员可以通过半自动控制系统和油门踏板相结合的方式更好的进行操作，操作人员可以将控制手段从全手动模式和半自动控制进行转换。
三、作业控制系统简介
其主要的组成是由：动力单元、液压系统、力矩限制器及操作杆等构件组合而成的，当起重机操作模式是全手动操作模式时，力矩限制器并不参加工作，主要是操作人员通过对油门踏板的压力施加大小来对发动机的功率计定量泵的输出流量进行调节，操作人员对操作杆的控制来实现控制流向执行的液压油流量，当起重机的操作模式为半自动操作模式时，力矩限制器参与工作，其只要作用是检测吊重及操作杆的动作，通过计算机运算之后经由CAN总线实现对发动机输出功率的自动控制，这就使得操作人员在进行工作时仅需操作操作杆即可完成工作，不需在进行对油门踏板进行操作即可完成工作，完成设备作业的功率匹配。
四、功率匹配
（一）發动机的工作特性
发动机、液压系统和负载系统共同组成了复杂的发动机构成，对于发动机的功率匹配控制来说，发动机的特性就无需考虑气缸内燃烧、曲轴转角、活塞运动等细节问题，主要关注发动机在不同的环境下的油耗率、输出转矩和转速等方面。
公式如下：
其中的Ne是指发动机的实时转速；其中的Me是指发动机的实时输出扭矩；其中的δ（Ne，Me）指的是系统发动机的特性曲线。其中横坐标为柴油机的转速；纵坐标为输出扭矩；上图中的内层为等油耗曲线也是最经济的区域，油耗浪费率低，曲线越往外则油耗的浪费率越高，经济成本越高，从上图中的规律可以很容易的发现最经济的负载和转速范围。
（二）负载需求流量计算
中联重科的QY25V型起重机的动力传送装置为：柴油发动机、定量泵、主控制阀和液压马达等负载构成，其中的柴油发动机、定量泵和负载之间的匹配应当满足下述公式：
其中的Ne是指发动机转速；
其中的ME是指发动机输出扭矩；其中的NS是指液压泵转速；其中的PS是指液压泵出口压力；其中的VS是指液压泵每转排量；其中的PL是指负载压力；其中的QL是指负载所需流量；
对于起重机而言，负载的主要机构为主卷扬、变幅、伸缩及回转等液压执行机构，因为汽车起重机主要采用的是液压先导控制方式，所以下面我们使用通过检测液压先导控制压力的方法，来间接的获取负载所需的流量，并且由于汽车起重机采用负载传感比例系统，因此泵输出流量在各控制阀之间应根据阀开口度比例分配。各负载需求流量与先导压力存在以下关系：
各主控制阀的系数K可以通过实验来得出。
（三）功率匹配的策略
在发动机需求转速及需求扭矩一定的情况下，功率匹配控制算法的核心内容即寻找出满足转速及扭矩要求的发动机最佳转速；通过分析发动机万有特性，可以知道，只需在以下扭矩及转速范围内：
使得燃油的消耗率时
时最低的发动机转速值NE即可。
为了防止由于溢流量过大造成液压系统的不稳定和发热，发动机的最佳转速计算不应偏离最低需求转速太多，假设|NC-NMIN|<400，NMIN=QL/VS根据上文下面采用最有控制算法中的极小值原理求解发动机的最优转速。
四、最优控制算法
设起重机动力单元发动机转速为x，Me为扭矩则根据运动学方程：
X（t0）=X0，其中J为常系数，记做X=（X，Me），输入M0受不等是约束：
想要得出的函数为：
之后根据最优控制的及小值原理，并取哈密顿函数：
实现最优控制经运算可得：
经由上述运算结果可以看出目标的性能函数最小发动机最经济转速状态。
在实际的应用过程中，发动机的转速转速控制应满足最低转速需求，在发动剂的经济转速小于最低转速需求时，最低转速的需求应作为目标转速进行发动机控制，发动机的最经济转速大于最低转速需求时，两者之间的差值控制在一定范围内时，将最经济转速作为目标转速，实现起重机作业的节能控制。
五、样机测试和仿真测试油耗数据对比
表1中的样机测试耗油值是在起重机作业现场，在五中不同的典型工作环境下工作一小时的等效耗油值，本文主要提出的电控式正流量节能控制方法，各个工作一小时的等效耗油值，全手动作业样机测试油耗及半自动作业仿真测试油耗的对比结果显示使用电控式正流量技能的控制方法平均节油率大概在百分之4.66左右。
结语
无电控系统的QY25V汽车起重机，中基于定量液压系统的起重机节能控制电控式正流量节能控制方法，对发动机的转速控制、发动机-液压系统-
负载的功率匹配过程中的节能效果显著，并降低了操作员劳动强度。
参考文献
[1] 屈武斌，冯保忠，杨卫超，王跃进，孙大伟.闭式油箱性能试验研究[J].机床与液压.2017（13）.
