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农业拖拉机节能液压回路

Massimo Borghia, Barbara Zardina, Francesco Pintorea, Francesco Belluzzia

摘要

越来越多的人对减少越野车污染物排放和燃油消耗的兴趣促使人们研究替代系统，以减少装备此类车辆的液压回路的功率耗散。与传统的农业拖拉机液压系统相比，本文提出了农业拖拉机液压系统的替代方案。替代电路结构采用独立的计量阀和电控变量泵，涉及不同的控制策略。结合某中型拖拉机的液压回路和远程公用工程的运行情况进行了分析。通过对配备有前装载机的拖拉机进行试验测量，得出了远程公用设施的占空比。传统的和可选的架构是使用集中参数方法建模的。通过这种方式，可以证明使用替代体系结构可以实现相当大的节能。

1前言

本文研究了中型拖拉机液压回路的一部分，该部分液压回路由可变排量轴向柱塞泵和带有比例分配器和执行器的远程管路组成。

研究的第一步是分析和评估一个典型的负载感应多执行器系统（L.S.M.A.S.）标准电路中的远程公用设施的能量耗散。由于近年来限制农业机械污染物排放和燃料消耗的需求越来越迫切，许多研究人员和制造商都致力于降低这种系统的能耗并不会影响其功能和性能。从这个角度来看，将模拟工具和实验测试相结合是开发能耗较低的替代解决方案最有希望的方法。文献中有许多例子，主要是关于挖掘机和类似车辆（例如[1、2、3、4]）。例如，在[5，6，7]中逐步建立了一个结合经验方法和数学模型的挖掘机完整模型；该模型的行为与实验测量结果进行了适当的比较，用于对车辆控制策略和全球效率进行分析。采用相似的方法，对拖拉机液压回路进行了分析。在这里，最关键的特点之一是拖拉机管理的设备可以根据现场操作而改变，因此工作循环也非常不同，对于挖掘机来说，工作循环可被视为“标准”。因此，在考虑拖拉机时，优化和节能是一个更加困难的课题。

在本文所分析的系统中，节能的可能性在于采用耗散分配器来管理流量和维持对多个负荷的控制。本文研究的替代结构与传统结构相比，采用独立的计量阀（I.M.阀）代替单轴分配器。I.M.阀由一个ECU进行电子控制，该ECU可以采用不同的控制策略。变量泵可以通过传统的流量补偿进行控制。从能量分析的角度来看，Tor或专用的ECU结构与传统的单滑阀结构相比，具有潜在的节能效果。但是，必须对拖拉机实际操作进行验证，因为节能量很大程度上取决于分析中涉及的工作循环类型、所需性能和预期的可靠性水平。需要注意的是，远程阀电路可以为各种执行机构提供服务，具体取决于在任何给定时间连接到拖拉机的设备，例如播种机、装载机或耙子。执行机构可以是单作用或双作用气缸和马达。目前还不存在这种电路的标准化工作循环，因此必须对拖拉机工作循环中使用不同设备的主要液压变量的实验测量进行更仔细的分析。为此，在配备前装载机的拖拉机上进行实验测量，得出远程公用设施的占空比。所采用的工作循环包括两对线性执行器，它们在不同的负载下工作，并且需要不同的流量。采用集中参数法对传统和替代结构进行建模，特别是对传统和独立计量阀、变量泵以及控制策略的定义进行建模。然后参照前装载机工作循环对系统效率进行比较。

2标准负载感应液压系统

执行远程执行器控制的电路是一个负载感应多执行器系统，设计用于使用带流量补偿装置的变量泵（图1在左侧）管理并联执行；每个执行器通过类似于图1在右侧所示的分配块进行操作和控制。分配块的核心由比例控制阀1表示。供给液压执行器的计量功率与比例阀的开度相对应。标记为2的元件是提升阀锁定止回阀，阀3引入了管理多个执行器需求所需的本地补偿控制，而梭阀4选择要传递给泵的最高负载感应先导信号（LS）。如比例控制阀1的功能说明所示，流量调节是计量型的，在高过载情况下，不允许适当的执行器控制。在这些特殊的工作条件下，4选择的低压负载感应信号减小了泵的排量，因此系统的反应与远程执行器的实际需求相反。

这种系统的主要优点是，任何不直接由执行机构使用的过多流量，都是由于系统泄漏造成的，同时引入了相对较小的过多压力，即使用泵的压力裕度来操作执行机构。在多个执行机构同时运行的情况下，对应于低负载执行机构的压力补偿装置会引入额外的压力降，以保持控制。与标准系统一样，当泵输送的流量饱和时，必须制定一种策略来对比流向高负荷部件的流量减少。

图1液压负载感应发电系统（左），比例阀液压方案（右）

3.标准负载感应液压系统模型

作为第一个分析步骤，L.S.M.A.S.的标准电路结构通过在AMESIM环境中开发的集总参数方法进行建模（[22]），另见[8，9]。

模型的核心由比例方向阀表示，该阀将流量输送到远程执行器（图2左侧，AMESIM中的模型）。在这种环境中，每个元素都代表一个函数；元素可以通过电源端口方法连接和交换变量。主滑阀的移动是模型（用户控制信号）的输入，而止回阀和局部补偿装置的移动是由于压力和弹簧效应作用下每个滑阀的平衡造成的。

图2阀门（左）和液压负载感应发电系统，均在AMESIM中建模

特别注意描述定向阀阀芯的计量特性，因为它们决定了通过通道的压力降，从而决定了组件本身引入的能量耗散。基于同样的原因，详细介绍了止回阀和局部压力补偿装置的型号。

通过比较阀内不同通道的实验和数值压降，比较计量特性，对模型进行了实验验证。采用装有负载感应液压发电机的液压试验台进行了试验分析。

流体动力发电机组被建模为理想的变量泵，液压流量补偿装置的详细模型在AMESIM环境中再次实现（图2，右侧）。这意味着不考虑泵结构，必须将此机器的效率分配为泵模型的输入。相反，为了复制典型负载感应泵的运行和动态特性，人们将注意力集中在可变排量机构上。然而，如[10，11]所述，泵的详细模型已经在系统中进行了测试，并给出了简化模型的类似结果，证实了本工作的相关方面是可变排量机构的行为。

在这一点上，可以分析液压回路中每个元件所产生的能量耗散。这对于确定可能的替代方案以尽可能减少能源消耗特别有用，如果可能的话，通过消除最耗散的元素。稳态分析[8]使用可变孔板连接分配器的用户端口A和B，确定了一些关键特征：首先，即使激活单个用户，局部压力补偿装置的存在也会带来显著的能量耗散。这可以通过适当调整弹簧预紧力来降低，但不能完全降至零。如果要求高流量，则在流量计段引入相关耗散，而在部分流量时，流量计段也引入高耗散，因为它是部分关闭的。在高流量下，通过锁定止回阀和快速释放联接器的耗散也是相关的。当一个以上的用户处于活动状态时，通过低负载用户的局部压力补偿装置的耗散明显较高。

4.替代体系结构

考虑的另一种架构是一个典型惠斯通电桥配置中的四轴独立计量系统，并在可能的情况下添加另一个阀门以允许再生（图3）。事实上，该解决方案允许消除仪表输出段的耗散，避免使用局部补偿装置，因为该功能可由适当控制的主滑阀执行，并最终引入单阀的不同控制策略，以管理超负荷，如示例所示。E在[12，13，14，15]。

组成独立计量结构的阀块实际上是使用商用电液提升阀（ehpv，[21]）的详细模型建立的，该模型旨在在各种工作压力水平下提供良好的计量性能，以及低泄漏和降低滞后[16、17、18]。所研究的结构由5个2/2ehpv组成：储罐管线上的两个“自由流”阀（A2-B2），负载管线上的两个“流量检查”阀（A1-B1）；再生管线上使用一个“自由流”双向阀（图3）。四个压力传感器测量泵、负载端口和油箱上的压力，其信号在虚拟E.C.U.中进行了详细说明。针对ehpvs，介绍了不同的控制策略，应用压力和流量控制，并将阀门与电子控制泵耦合。第五个双向EHPV可用于在可能的情况下再生流量，无需引入额外的阀门或在储罐上产生恒定的反压力。

使用传统和替代结构模拟了[8]中描述的前装载机占空比，测试了上一种结构中引入的不同控制策略。在仪表化拖拉机上测量的负载和流量请求瞬态如图4所示。利用该占空比，可以参考实际操作条件比较不同系统的性能，并证明采用比例阀和泵的独立计量和电子控制的优势。

由于系统中能量耗散的评估可能取决于计量阀的稳态和动态特性，因此对单个ehpv阀（[19]）的建模特别小心。这些阀门的显著特点包括内部压力补偿机制，有助于大大减少打开阀门所需的初始输入电流。该阀具有三自由度内部机械系统和状态约束。机械部件的相对位移确定了通过阀门的流量。阀门流量q、穿过阀门的压差和阀门流量电导kv之间的关系定义在以下方程式中：

图3备选构架电路布局

集总参数模型考虑了三个运动单元的机械运动方程，以及它们所受的粘性和机械摩擦的影响。

一旦对这三种类型的阀门的模型进行了验证，就可以开始开发分配器原型的控制策略。首先，必须为每种类型的阀门定义流量-压力-电流图，以允许直接开环控制和前馈闭环控制，以提高性能。

图4装载机动臂（上升）和铲斗旋转气缸上的无量纲流量需求（左）和负载瞬变（右）

5.控制策略

结合泵的控制算法，提出了几种控制策略。目前，泵被认为是一种理想的部件。这意味着泵总是能够以一阶过滤器引入的延时供应所需的流量。所用的时间常数为0.05s。控制算法中使用的每个压力信号也被过滤为0.033s的时间常数。下面介绍了一些最重要的控制策略。

5.1阀门控制

首先，将开发的虚拟分配器引入电路中，以取代现有的单轴分配器。控制策略包括作为独立计量结构的四个主阀的开环控制。利用阀口的流量请求和压力测量，系统能够计算发送到阀的当前值i。根据流量Q和通过阀门测得的压差Delta;P，开发出以下逻辑序列：

特别是，参考图3，定义了流向（正或负流量）和负载类型（被动或超速）的四种功能条件

bull;Qgt;0（正速度V）和被动负载（正负载F）；阀A1控制流量表发送至负载，而阀B2完全打开，以尽可能降低储罐上的压降。

bull;Qgt;0和超负荷；在这种情况下，阀B2控制流量计输出流量，而阀A1由PID控制，以避免线性执行器入口室出现气蚀。

bull;Qlt;0和被动负载；阀B1在阀A2完全打开时控制至执行机构的进口流量，以尽可能降低储罐上的压力上升。

bull;Qlt;0和超负荷；在这种情况下，阀门A2控制执行机构出口段的流量，而阀门B1由PID控制，以避免入口室出现气蚀。

虽然正流量和负流量请求之间的区别是直接的，但为了区分被动负载和超负荷，需要进行强制平衡，为此，需要了解线性执行器的面积比。面积比表示气缸室的活动面积之比。选择过程集中在以下方程上，其中是出口室的有效面积，是气缸进口室的有效面积，而和是气缸内相应的压力值：

可以根据负载类型选择页边距值。

5.2泵控制

泵控制分三步实现。首先，考虑了传统的液压负载感应泵，不同的是负载感应压力信号由两个附加的超高压阀控制：一个位于供油管上，另一个位于油箱管路上。使用一个辅助E.C.U.（计量E.C.U.），可以控制它们，以产生和控制输送至泵补偿器进行排量调节的负载感应压力。

其次，介绍了一种液压电源组的电子控制，它不需要使用液压负载感应管路就可以控制泵的排量，从而避免了该管路的耗散。使用主控制算法，压力负载感应值作为电信号发送到E.C.U.。计量E.C.U.执行闭环压力控制，能够引起泵排量的变化，目的是保持供应压力值等于检测到的压力负载加上泵裕度。防气蚀控制可确保供应管上的压力始终高于0.05MPa。这样就可以去掉传统泵的补偿阀，从而消除这种能量耗散源。阀门控制策略与上一步骤中描述的相同。

最后，通过对泵排量的直接控制，可减少因存在泵裕度而产生的耗散，该裕度迫使系统在高于执行机构要求的压力下运行。该算法是基于流量控制和压力控制的综合。通常，流量控制决定泵的排量，因此排量仅根据流量请求的总和进行调节。当压力供给值高于极限值（默认为18MPa）时，算法将以电子负载感应模式控制泵，以限制供给压力值（抗饱和控制）。该算法还可以在压力低于0.05MPa时实现抗汽蚀控制。此外，在独立计量分配器位置传感器的虚拟模型中，引入位置传感器，实现了一个位置控制，每个阀一个。这样就可以实现闭环控制，这比开环控制更精确，并带来相同的能量耗散。

还介绍了进一步的改进，重点是阀门控制。特别介绍了一种带增益调度控制的压力前馈控制方法。最后，流量控制通过开环（OP）和闭环（CL）控制实现，前提是流量传感器或泵上测量的旋转斜盘位置的流量测量可用。这两种情况下的能量耗散相似，但闭环控制更精确。

6结果

针对每种实现的控制策略，利用前装载机占空比进行了仿真。通过对各控制策略的仿真，得到了相同的活塞位移。结果表明，所实现的控制策略能够控制前装载机执行机构的工作周期与传统的电路结构相同。它还证实了可以使用一个优化的算法来控制被动和超负荷，而不会失去任何控制。

图5显示了泵输出时的瞬时液压功率比较，以执行所述不同系统的占空比。

图5泵在工作周期内的瞬时功率对不同结构和控制策略的影响

图例涉及以下架构：

bull;TD=通常用于中型动力拖拉机的传统单轴分配器。

bull;IMHLS=独立控制策略（IM），具有用于传统泵控制（HLS）的电液负载感应。

bull;IMELS=带电子负载感应泵控制（ELS）的独立控制策略（IM）。

bull;IMFMLSCL=具有闭环（CL）流量控制和泵排量直接控制（流量匹配FL）的独立控制策略（IM）

bull;INRFMLSCL=独立控制策略（IM），具有再生模式（R）、闭环（CL）流量控制和泵排量直接控制（流量匹FL）。

图中只显示了泵排量系统独立计量直接控制的闭环版本，以提高理解；在任何情况下，闭环版本和开环版本之间的功率瞬变差异都非常小。

在循环过程中的某些时间间隔内，负荷条件与流量要求相结合，使得与传统系统相比，新架构中的功率要求不可能得到显著的降低。例如，在17-21秒的范围内，拖拉机装载铲斗时，泵处于压力饱和状态，在这种情况下不可能节能。此

资料编号：[4261]