解决正流量挖掘机复合动作协调性的方法

1.本发明涉及一种解决正流量挖掘机复合动作协调性的方法，属于工程机械控制技术领域。


背景技术：

2.正流量挖掘机作为工程机械领域代表性机械设备，因其具有复杂工况适应性强、能量密度大且工作灵活性高等优点，在土木建筑和矿山挖掘工程领域被广泛使用。
3.如图1、图2所示，正流量挖掘机包括机械部分和液压控制部分，机械部分主要包括铲斗1、驱动铲斗动作的铲斗液压缸2、斗杆3、驱动斗杆动作的斗杆液压缸4、动臂5、驱动动臂动作的动臂液压缸6、驾驶室7、履带8、行走马达9和回转平台(回转马达 传动机构)10；液压控制部分主要包括第一先导电手柄11、第二先导电手柄12、控制器13、主多路阀14、前泵15、后泵16、先导泵17和液压马达18。
4.第一先导电手柄11和第二先导电手柄12为两只电手柄，每只电手柄都以中心为原点，可向前、后、左、右、左前、右前、左后、右后8个方向运动。第一先导电手柄11用于控制动臂5和/或铲斗1的动作，例如：第一先导电手柄11的前后运动分别对应挖掘机动臂的下降和提升动作；左右运动分别对应挖掘机铲斗的挖掘和卸载动作；第一先导电手柄11推向左前、右前、左后、右后方位分别对应挖掘机铲斗挖掘加动臂下降动作、铲斗卸载加动臂下降动作、铲斗挖掘加动臂提升动作以及铲斗卸载加动臂提升动作。第二先导电手柄12用于控制斗杆3和回转平台10的动作，例如：第二先导电手柄12的前后运动分别对应挖掘机斗杆的挖掘和卸载动作；左右运动分别对应挖掘机回转平台的左回转和右回转动作；第二先导电手柄12推向左前、右前、左后、右后方位分别对应挖掘机左回转加斗杆挖掘动作、右回转加斗杆挖掘动作、左回转加斗杆卸载动作以及右回转加斗杆卸载动作。
5.驾驶员根据需要操控第一先导电手柄11和第二先导电手柄12，先导电手柄11、12将所处的位置信号转换成电流信号传输给控制器13，控制器13采集先导电手柄11、12输出的反应其位置信息的电流信号，输出控制信号，通过比例减压阀19减压、控制主多路阀14不同支路上对应换向阀的开或闭；同时，控制器13根据采集的先导电手柄11、12输出的反应其控制信息的电流信号进行计算，输出控制信号，通过变量机构20调节前泵15、后泵16的液压油输出排量，使油箱21内的液压油经前泵15、后泵16、主多路阀14分配给各液压缸和/或液压马达18，驱动铲斗液压缸2和/或斗杆液压缸4和/或动臂液压缸6内的活塞动作以及液压马达18，进而驱动铲斗1和/或动臂5，斗杆3和/或回转平台10动作。
6.由于正流量挖掘机有两个主泵即前泵15和后泵16为各液压缸供油，所以，对应于挖掘机的每个动作(除回转外)，控制器13均产生两个控制信号，一个控制信号控制前泵15的液压油输出排量，一个控制信号控制后泵16的液压油输出排量。当挖掘机为复合动作时，控制器13会相应产生两个前泵输出排量控制信号和两个后泵输出排量控制信号，此时控制器会将两个前泵输出排量控制信号中的最大值输出给前泵，将两个后泵输出排量控制信号中的最大值输出给后泵。例如，当第一先导电手柄11推向左前方时，控制器13会根据第一先
导电手柄11向左和向前的角度分别产生驱动动臂提升的前泵输出排量控制信号和后泵输出排量控制信号，以及，驱动铲斗挖掘的前泵输出排量控制信号和后泵输出排量控制信号；控制器比较两个前泵输出排量控制信号(电流信号)的大小，将较大的前泵输出排量控制信号输出给前泵，控制器比较两个后泵输出排量控制信号(电流信号)的大小，将较大的后泵输出排量控制信号输出给后泵。
7.在日常作业中，正流量挖掘机不仅需要完成铲斗、斗杆、动臂、回转平台的单动作，更多时需要完成一动作加一动作以及两动作减一动作等动作增减作业，在动作增减过程中经常出现速度突变的复合动作协调性差问题，其原因是前泵15和后泵16的总排量在动作增减时无法根据液压缸和液压马达的流量需求对应调整。例如，在某一液压缸稳态运动中，若第一先导电手柄11和/或第二先导电手柄12加入其余控制信号，主多路阀14中对应阀芯移动，泵-主多路阀-另一液压缸回路连通，液压缸流量需求增加，主泵(前泵15和后泵16)流量因此被动分流至另一液压缸。若主泵流量无法跟随系统流量需求变化，原动作的速度就会发生突降。再比如，在两动作稳态运动中，若减去一动作控制信号，系统流量需求瞬时降低，若主泵流量无法对应调整，剩下动作的速度就会发生突增。
8.另外，由于挖掘机出现速度突变现象，容易出现先导电手柄控制对象不受控的现象，例如，液压缸内的活塞和液压马达在先导电手柄位置未变动的情况下出现速度上的变化，从而导致复合动作下被控对象(铲斗和/或斗杆和/或动臂和/或回转平台)动作不精准可控等不协调的问题。
9.如何减弱挖掘机在一动作加一动作与两动作减一动作时的速度突变问题进而提高复合动作协调性一直是近几年挖掘机行业的研究重点。
10.目前，国内外均有相关专利对挖掘机在复合动作下的速度控制问题进行探索和研究。如，美国us7904224(b2)专利申请，noboru kanayama等人提出一种挖掘机根据手柄输入信号调整驱动模式从而调整不同工况下速度的控制方法。其通过控制器检测控制信号是否到达限定值，对主泵功率进行调整，将单动作与多动作下的功率需求进行划分，通过判断动作数量调整功率进而改变液压缸内活塞的运动速度。其设计思路是从能量上匹配泵的输入流量和液压缸的流量需求，其缺点是：1、对液压控制系统进行改进，增设多个限位开关，增加结构成本；2、单动作和多动作的切换为开关阶跃式变化过程，容易产生冲击。
11.中国专利申请cn111962599a提出了一种针对电动挖掘机负载敏感系统的复合动作速度控制系统及方法，该控制系统和方法主要适用于小型挖掘机，它包括：第一电机，用于驱动电动挖掘机的回转装置；第二电机，用于驱动液压泵，为电动挖掘机的多个液压缸提供液压油；负载敏感阀，连通于液压泵和液压缸之间，根据各液压缸的压力和流量需求，调整供油压力和流量；压力传感器，用于测量负载敏感阀的负载敏感油口的压力；整车控制器，检测压力传感器数据，计算并输出信号控制电机，使电机选择性地工作在单一动作模式或复合动作模式。该专利申请的设计思路也是从能量上匹配泵的总流量和液压缸的流量需求，但其仅适用于带负载敏感阀的液压系统和电动系统。
12.中国专利申请cn112922077a提出了一种基于工况识别的流量分配控制方法。该方法包括获取挖掘机各个工作装置对应的工作电信号，并对工作电信号进行分析，确定挖掘机当前工况；利用当前工况，确定与当前工况对应的流量分配方案；再获取当前工况下参与复合动作的预设工作装置的动作参数；基于预设工作装置的动作参数查询流量分配方案，
确定参与复合动作的各液压缸对应的流量分配，对各液压缸速度进行调整。该专利申请的设计思路是通过实时采集运行参数，并与预期的参数进行比较，得到参数偏差后在保证总流量不变的情况下，对进入各液压缸的流量进行分配修正。该专利申请最大的问题是时间上的延迟问题。因为需要经过实时检测参数，比对设定曲线，计算差距和调整分配等几个步骤，所以无法在短暂的动作切换过程中体现效果。


技术实现要素：

13.为解决正流量挖掘机两动作减一动作和一动作增加一动作时因动作增减引起的速度突变问题，提高正流量挖掘机复合动作协调性，本发明的目的是提供一种在不改变正流量挖掘机结构、不增设控制开关、不增加成本的解决正流量挖掘机复合动作协调性的方法。
14.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种解决正流量挖掘机复合动作协调性的方法，其特征在于：调整正流量挖掘机前泵输出排量和后泵输出排量，使之与第一先导电手柄和第二先导电手柄输出的控制被控对象的电流信号成线性比例关系，使前泵输出的总排量和后泵输出的总排量与驱动动臂、铲斗、斗杆动作的各液压缸流量需求匹配。
15.优选地，对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，将挖掘机前泵的输出排量分为前泵动作初始排量和前泵排量余量两部分；所述前泵动作初始排量为前泵对应于该动作的最大输出排量的50％-80％；所述前泵排量余量为前泵对应于该动作的最大输出排量减去所述前泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出；
16.对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，将挖掘机后泵的输出排量分为后泵动作初始排量和后泵排量余量两部分；所述后泵动作初始排量为后泵对应于该动作的最大输出排量的50％-80％；所述后泵排量余量为后泵对应于该动作的最大输出排量减去所述后泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出。
17.优选地，所述前泵排量余量v
前余
的计算公式为：
[0018][0019]
其中，表示动臂和斗杆复合动作时前泵排量余量输出情况，i
动臂
表示动臂手柄的控制信号大小；i
max
表示手柄控制信号的最大量程，表示动臂手柄实时的控制信号占手柄控制电流量程的比例；
[0020]
v(i
斗杆
)表示排量余量和斗杆手柄控制信号之间的函数关系，单位是ml/r；
[0021][0022]
其中，a表示斗杆液压缸刚开始运动时的手柄电流值，d表示斗杆液压缸速度刚达到最大时的手柄电流值；a为对应于该动作最大的前泵排量余量，即v
前max
×
(1-k1)，k1取值范
围50％-80％；
[0023]
v(i
铲斗
)表示排量余量和铲斗手柄控制信号之间的函数关系，其函数表达式(ml/r)为：
[0024][0025]
其中，b表示铲斗液压缸刚开始运动时的手柄电流值，e表示铲斗液压缸速度刚达到最大时的手柄电流值。
[0026]
优选地，所述后泵排量余量v
后余
的计算公式为：
[0027][0028]
其中，表示动臂和斗杆复合动作时的排量余量输出情况，i
动臂
表示动臂手柄的控制信号大小；i
max
表示手柄控制信号的最大量程，表示动臂手柄实时的控制信号占手柄控制电流量程的比例；
[0029]
v(i
斗杆
)表示排量余量和斗杆手柄控制信号之间的函数关系，单位是ml/r；
[0030][0031]
其中，a表示斗杆液压缸刚开始运动时的手柄电流值，d表示斗杆液压缸速度刚达到最大时的手柄电流值；a1为对应于该动作最大的后泵排量余量，即v
后max
×
(1-k2)，k2取值范围50％-80％；
[0032]
v(i
铲斗
)表示排量余量和铲斗手柄控制信号之间的函数关系，其函数表达式(ml/r)为：
[0033][0034]
其中，b表示铲斗液压缸刚开始运动时的手柄电流值，e表示铲斗液压缸速度刚达到最大时的手柄电流值。
[0035]
本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0036]
1、本发明在保证挖掘机能够完成各单动作、复合动作的前提下，调整正流量挖掘机前泵和后泵的输出排量，对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，将挖掘机前泵的输出排量和后泵的输出排量均分为动作初始排量和排量余量两部分；动作初始排量为前泵和后泵对应于该动作的最大输出排量的50％-80％；排量余量为前泵和后泵对应于该动作
的最大输出排量的余量，用于跟随先导电手柄电流信号的变化调整输出排量，使前泵输出的总排量和后泵输出的总排量与驱动动臂、铲斗、斗杆动作的各液压缸流量需求匹配，驱动各液压缸动作，完成挖掘机的一动作增加一动作或两动作减一动作，解决动作增减过程中挖掘机速度突变的问题，进而提高正流量挖掘机复合动作的协调性。
[0037]
2、由于本发明并未对正流量挖掘机液压控制系统硬件构成进行修改，没有增设任何控制器件，只是在控制器中进行运算，故，本发明没有增加任何成本，且保证了原有液压控制系统的完整性以及可靠性。
[0038]
3、本发明可根据各先导电手柄位置的变化，实时调整前泵和后泵的输出排量，使之与液压缸流量需求实时匹配，确保控制过程的快速性，有效地改善传统正流量挖掘机时间上延迟的问题。
附图说明
[0039]
图1为正流量挖掘机机械部分结构示意图；
[0040]
图2为正流量挖掘机液压控制部分原理图；
[0041]
图3为本发明解决正流量挖掘机复合动作协调性方法流程图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
[0043]
本发明解决正流量挖掘机复合动作协调性的方法是：调整正流量挖掘机前泵和后泵的总输出排量，使之与第一先导电手柄和第二先导电手柄输出的控制被控对象的电流信号成线性比例关系，使前泵输出的总排量和后泵输出的总排量与驱动动臂、铲斗、斗杆动作的各液压缸流量需求匹配，从而改善两动作减一动作和一动作增加一动作过程中挖掘机速度突变的现象。
[0044]
具体方法：对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，将挖掘机前泵的输出排量分为前泵动作初始排量和前泵排量余量两部分；前泵动作初始排量为前泵对应于该动作的最大输出排量的50％-80％；前泵排量余量为前泵对应于该动作的最大输出排量减去前泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出，以便驱动各液压缸动作，完成挖掘机的一动作增加一动作或两动作减一动作；
[0045]
同理，对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，将挖掘机后泵的输出排量分为后泵动作初始排量和后泵排量余量两部分；后泵动作初始排量为后泵对应于该动作的最大输出排量的50％-80％；后泵排量余量为后泵对应于该动作的最大输出排量减去后泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出，以便驱动各液压缸动作，完成挖掘机的一动作增加一动作或两动作减一动作。
[0046]
对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，本发明将挖掘机前泵的输出排量分为前泵动作初始排量和前泵排量余量两部分。
[0047]
前泵动作初始排量v
前初
＝v
前max
×
k1，其中，v
前max
表示对应于该动作前泵的最大输出排量。k1表示排量限制系数，可取50％-80％，表示对应于该动作前泵只输出其最大排量的
50％-80％，预留20％-50％的排量作为排量余量。例如，对应于挖掘机动臂提升或下降这一动作，设计的前泵15最大排量可达180ml/r，本发明将前泵15的初始排量设定为180
×
k1ml/r，在动臂单动作控制信号达到最大时，前泵15还有180
×
(1-k1)ml/r的排量余量，以备挖掘机随后的动作增减之用。
[0048]
前泵排量余量为前泵对应于该动作的最大输出排量减去前泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出，以便驱动各液压缸动作，完成挖掘机的一动作增加一动作或两动作减一动作。前泵排量余量v
前余
计算公式为：
[0049][0050]
其中，表示动臂和斗杆复合动作时前泵排量余量输出情况，i
动臂
表示动臂手柄的控制信号大小；i
max
表示手柄控制信号的最大量程，表示动臂手柄实时的控制信号占手柄控制电流量程的比例，取值范围是0到1；v(i
斗杆
)表示排量余量和斗杆手柄控制信号之间的函数关系，单位是ml/r；
[0051][0052]
v(i
斗杆
)为分段函数形式，当斗杆手柄控制电流小于某一值a时，可认为斗杆液压缸动作尚未开始，排量余量为0；当斗杆手柄控制电流大于等于a时，排量余量以一次函数形式上升，斗杆液压缸开始运动，当斗杆手柄控制电流达到某一确定值d时，排量余量达到最大排量余量a；当斗杆手柄控制电流大于等于d时，排量余量保持最大排量余量a不变；其中，a表示斗杆液压缸刚开始运动时的手柄电流，d表示斗杆液压缸速度刚达到最大时的手柄电流；a为对应于该动作前泵的最大输出排量的排量余量，即v
前max
×
(1-k1)。假设，前泵15的最大输出排量为180ml/r，即此时前泵的动作初始排量为180
×
k1，排量余量a为180
×
(1-k1)；根据此逻辑指定排量余量表如表1所示。
[0053]
公式(1)中的表述动臂手柄控制信号和斗杆手柄控制信号成正比例关系，实现了动臂与斗杆的复合动作中，一动作加一动作和两动作减一动作时，前泵输出排量与液压缸流量需求之间的匹配关系。
[0054]
和分别表示动臂铲斗复合时的排量余量和铲斗斗杆复合时的排量余量输出函数，原理与相同。
[0055]
其中，v(i
铲斗
)表示排量余量和铲斗手柄控制信号之间的函数关系，其函数表达式(ml/r)为：
[0056][0057]
其中，b表示铲斗液压缸刚开始运动时的手柄电流值，e表示铲斗液压缸速度刚达到最大时的手柄电流值。
[0058]
同理，对应于挖掘机每一单一动作和每一复合动作，本发明将挖掘机后泵的输出排量分为后泵动作初始排量和后泵排量余量两部分。
[0059]
后泵动作初始排量v
后初
＝v
后max
×
k2，其中，v
后max
表示对应于该动作后泵的最大输出排量。k2表示排量限制系数，可取50％-80％，表示对应于该动作后泵只输出其最大排量的50％-80％，预留20％-50％的排量作为排量余量。例如，对应于挖掘机动臂提升或下降这一动作，设计的后泵16最大排量可达180ml/r，本发明将后泵16的初始排量设定为180
×
k2ml/r，在动臂单动作控制信号达到最大时，后泵16还有180
×
(1-k2)ml/r的排量余量，以备挖掘机随后的动作增减之用。
[0060]
后泵排量余量为后泵对应于该动作的最大输出排量减去后泵动作初始排量后的余量，用于跟随各先导电手柄电流信号的变化调整输出，以便驱动各液压缸动作，完成挖掘机的一动作增加一动作或两动作减一动作。后泵排量余量v
后余
计算公式为：
[0061][0062]
其中，表示动臂和斗杆复合动作时的排量余量输出情况，i
动臂
表示动臂手柄的控制信号大小；i
max
表示手柄控制信号的最大量程，表示动臂手柄实时的控制信号占手柄控制电流量程的比例，取值范围是0到1；
[0063]
v(i
斗杆
)表示排量余量和斗杆手柄控制信号之间的函数关系，单位是ml/r；
[0064][0065]
v(i
斗杆
)为分段函数形式，当斗杆手柄控制电流小于某一值a时，可认为斗杆液压缸动作尚未开始，排量余量为0；当斗杆手柄控制电流大于等于a时，排量余量以一次函数形式上升，斗杆液压缸开始运动，当斗杆手柄控制电流达到某一确定值d时，排量余量达到最大排量余量a1；当斗杆手柄控制电流大于等于d时，排量余量保持最大排量余量a1不变；其中，a表示斗杆液压缸刚开始运动时的手柄电流，d表示斗杆液压缸速度刚达到最大时的手柄电流；a1为对应于该动作后泵最大输出排量的余量，即v
后max
×
(1-k2)。假设，后泵16的最大输出排量为180ml/r，即此时后泵的动作初始排量为180
×
k2ml/r，排量余量a1为180
×
(1-k2)ml/r；根据此逻辑指定排量余量表如表1所示。
[0066]
公式(4)中的表述动臂手柄控制信号和斗杆手柄控制信号成正比例关系，实现了动臂与斗杆的复合动作中，一动作加一动作和两动作减一动作时，前泵输出排量与液压缸流量需求之间的匹配关系。
[0067]
和分别表示动臂铲斗复合时的排量余量和铲斗斗杆复合时的排量余量输出函数，原理与相同。
[0068]
其中v(i
铲斗
)表示排量余量和铲斗手柄控制信号之间的函数关系，其函数表达式(ml/r)为：
[0069][0070]
其中，b表示铲斗液压缸刚开始运动时的手柄电流，e表示铲斗液压缸速度刚达到最大时的手柄电流。
[0071]
本发明根据单动作设计时间指标，得到各工况下前泵最大输出排量的排量余量a和后泵最大输出排量的排量余量a1取值如下表所示：
[0072]
表1各手柄下的前后泵最大排量余量表
[0073][0074]
图3所示是本发明的具体实施流程图。首先，在程序中预先设定各手柄输入信号的最大排量余量。在挖掘机动作中，各电手柄信号变化，系统流量需求变化，控制器采集各手柄信号，根据最大排量余量表设定输入电信号下的最大排量余量值。随着手柄信号的变化，控制器根据公式(1)-(6)计算理想正流量排量数值，再将此排量数值转为电流信号值，最后将此电流信号输出至前后泵上的比例减压阀，比例减压阀的二次输出压力对应调整前后泵的排量调节机构从而改变泵排量。
[0075]
本发明在保证挖掘机能够完成各单动作、复合动作的前提下，将前泵和后泵的输出排量设定为对应于该单动作或复合动作的最大输出排量的50％-80％，使前泵和后泵的输出排量预留有一定的余量；当加入另一动作或减少一动作、各液压缸流量需求变化时，控制器按照先导电手柄输出的电流信号大小，控制前泵和后泵将预留的排量余量输出，驱动各液压缸动作，使挖掘机动作的增减更平滑。
[0076]
例如，前泵15和后泵16的最大排量为180ml/r。
[0077]
传统的正流量挖掘机，在动臂提升单动作时，设定前泵15和后泵16的最大可用排量为180ml/r，前泵和后泵没有排量余量，360ml/r的排量总量全部进入动臂液压缸，当人为加入斗杆挖掘动作时，随着斗杆挖掘控制信号的不断增大，泵-主多路阀-斗杆液压缸回路接通，有将近180ml/r的排量将流入斗杆液压缸，此时动臂液压缸就会出现速度的大幅度变化。
[0078]
本发明在动臂提升单动作时，设定前泵和后泵的最大可用排量为140ml/r，前泵和后泵各留有40ml/r的排量余量，当人为加入斗杆挖掘动作时，随着斗杆挖掘控制信号的不断增大，前泵和后泵的排量余量线性地从140ml/r增加到180ml/r。此时虽然仍有180ml/r的排量会流入斗杆液压缸，但动臂液压缸的速度变化幅度就会减小。
[0079]
两动作减一动作时的改善思路与一动作增加一动作相同。
[0080]
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。