CN115321362A - 一种起重机闭式液压系统负扭矩测试及控制方法、起重机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机闭式液压系统负扭矩测试及控制方法、起重机。在设定的单绳拉力及发动机转速下，起重机卷扬执行下落操作，扭矩测试方法包括：检测发动机转速变化率及当前发动机转速变化率下发动机及闭式液压系统的运行参数；根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，直至发动机熄火保护；记录起重机卷扬在不同的单绳拉力及发动机转速下执行下落操作时，发动机及闭式液压系统的运行参数；进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，并绘制单绳拉力‑发动机抗负扭矩能力曲线。本发明能准确获得发动机本身抗负扭矩的能力，并根据发动机本身抗负扭矩的能力进行实时负扭矩控制，避免发动机熄火。

Description

一种起重机闭式液压系统负扭矩测试及控制方法、起重机

技术领域

本发明属于起重机技术领域，具体涉及一种起重机闭式液压系统负扭矩测试及控制方法、起重机。

背景技术

闭式液压系统负扭矩的控制主要是通过增加制动或加载装置的形式来对负扭矩进行平衡。当发动机承受负扭矩工作时，通过液压泵加载溢流阀增加发动机的工作负载，从而相对减少或抵消发动机上的负扭矩，实现发动机转速的稳定。这种技术目前广泛的应用在闭式系统中，加载泵吸收发动机负扭矩溢流时产生了大量的热，这个热量可以通过液压散热装置散发到空气中，从而实现液压系统的热平衡。

现有技术缺点：

1、由于不能获取准确的发动机本身抗负扭矩的能力，使得控制方案比较保守，降低了工作机构的工作效率；

2、小功率发动机由于其抗负扭矩能力小，通过实时检测发动机转速并调整的方法，由于控制器ECU等检测控制的延时存在，并不能完全实时反馈发动机的转速，因此控制不及时造成发动机在工作过程中反复熄火，极大影响了起重机安全性及操作体验；

3、加载泵的持续工作，产生了大量的能量损耗，造成能量的浪费。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种起重机闭式液压系统负扭矩测试及控制方法、起重机，能准确获得发动机本身抗负扭矩的能力，并根据发动机本身抗负扭矩的能力进行实时负扭矩控制，避免发动机熄火。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面，提供一种闭式液压系统负扭矩测试方法，在设定的单绳拉力及发动机转速下，起重机卷扬执行下落操作，方法包括：检测发动机转速变化率及当前发动机转速变化率下发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，直至发动机熄火保护；重复上述过程，记录起重机卷扬在不同的单绳拉力及发动机转速下执行下落操作时，发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，并绘制单绳拉力-发动机抗负扭矩能力曲线。

进一步地，所述根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，包括：当发动机转速变化率满足：n1≤n＜n2时，执行控制策略一；其中，n1表示发动机转速变化率的第一阈值，n表示当前检测到的发动机转速变化率，n2表示发动机转速变化率的第二阈值；当发动机转速变化率满足：n2≤n＜n3时，执行控制策略二；其中，n3表示发动机转速变化率的第三阈值；当发动机转速变化率满足：n≥n3时，发动机熄火保护。

进一步地，控制策略一，包括加载泵以工作压力Hi开始工作，增加正扭矩负载，以使得发动机转速变化率稳定在n2以内。

进一步地，控制策略二，包括加载泵以工作压力Hi开始工作，工作泵以一定比例和速度减少控制电流值以减少工作泵的输出流量，减少负扭矩的输出，使得发动机转速变化率稳定在n3以内。

进一步地，所述对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，包括：根据发动机性能曲线，获得发动机在不同转速下的额定功率；根据发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数，计算设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩；根据发动机在不同转速下的额定功率、设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩，计算设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力。

进一步地，根据发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数，计算设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩，包括：

(1)发动机增速点对应的泵电流Ci条件下泵排量Di为：

Di＝(Ci-200)/(600-200)*D

式中，D为最大控制电流下对应的最大排量；

(2)发动机增速点对应的单泵扭矩Wi、功率Gi为：

Wi＝Di×Ei/(2×π×η_mh1)

式中，η_mh1为泵的液压-机械效率，Ei为发动机增速点时，泵在Di排量下的输出压力；

Gi＝Di×(Ni/1000)×Ei/(600×η_t1)

式中，η_t1为泵的总效率，Ni为发动机设定转速；

(3)发动机增速点时对应的加载泵的扭矩Ki、功率Mi为：

Ki＝Ji×Hi/(2×π×η_mh2)

式中，η_mh2为加载泵的液压-机械效率，Ji为正扭矩加载泵的工作排量，Hi为正扭矩加载泵的输出压力；

Mi＝Ji×(Ni/1000)×Hi/(600×η_t2)

式中，η_t2为泵的总效率；

(4)发动机增速点时对应的其它负载泵的扭矩T、功率X为：

T＝Q×R/(2×π×η_mh3)

式中，η_mh3为其它负载泵的液压-机械效率，Q为其它正扭矩负载泵的输出排量，R为其它正扭矩负载泵的输出压力；

X＝Q×(Ni/1000)×R/(600×η_t3)

式中，η_t3为其它负载泵的总效率；

因为，发动机增速前维持稳定状态下的系统扭矩平衡，即系统正扭矩T_Z与系统负扭矩T_F平衡，其中，T_Z＝补油泵扭矩+加载泵扭矩+发动机抗负负载扭矩，T_F＝双卷扬下降时主泵对应扭矩；可以得出每组设定单绳拉力及每组发动机转速条件下，发动机抗负负载扭矩。

进一步地，设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力采用求平均数的方法获得，先得出设定单绳拉力Fi条件下全转速范围发动机抗负扭矩能力Zi，测试多次后求取平均值。

第二方面，提供一种闭式液压系统负扭矩控制方法，包括：在起重机卷扬执行下落操作时，获取油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力；根据油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力计算当前发动机承受的扭矩值；将发动机承受的扭矩值与根据第一方面所述的闭式液压系统负扭矩测试方法获得的设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力比较，根据比较结果进行负扭矩控制。

进一步地，所述根据比较结果进行负扭矩控制，包括：当发动机承受的扭矩值小于曲线设定值时，不执行负扭矩控制，否则按照设定的加载程序执行分级加载控制，直至发动机熄火保护。

第三方面，提供一种起重机，所述起重机按照第二方面所述的闭式液压系统负扭矩控制方法，在起重机卷扬执行下落操作时，进行负扭矩控制。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过测试获得准确的发动机抗负扭矩的能力，从而在发动机负扭矩控制上能够具有针对性，更加精确，从而充分利用发动机的能力，提高工作机构效率；

(2)本发明根据发动机抗负扭矩能力的曲线，使得控制曲线能够工作在此曲线之下，避免了加载泵反复加载带来的冲击问题；

(3)本发明根据发动机抗负扭矩曲线数据，在控制过程中始终使得系统负扭矩不超过发动机的能力，消除了由于实时检测控制延时造成的控制滞后，从而避免了发动机易熄火问题；

(4)本发明可以通过发动机负扭矩曲线数据反算出泵实际能够发挥的能力，通过控制器提前将泵控制在此工作范围之内，使得加载泵只有在需要的时候加载，从而降低了能量损耗，减少了浪费。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种起重机闭式液压系统负扭矩测试方法的主要流程示意图；

图2是本发明实施例中的发动机转速-扭矩曲线；

图3是本发明实施例中的发动机转速-功率曲线；

图4是根据本发明实施例提供的一种起重机闭式液压系统负扭矩测试方法绘制的单绳拉力-发动机抗负扭矩百分比能力曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种起重机闭式液压系统负扭矩控制方法的主要流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1～图4所示，一种闭式液压系统负扭矩测试方法，在设定的单绳拉力及发动机转速下，起重机卷扬执行下落操作，方法包括：检测发动机转速变化率及当前发动机转速变化率下发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，直至发动机熄火保护；重复上述过程，记录起重机卷扬在不同的单绳拉力及发动机转速下执行下落操作时，发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，并绘制单绳拉力-发动机抗负扭矩能力曲线。

本实施例基于闭式系统的大吨位起重机在卷扬机构一和卷扬机构二下落工况。本实施例卷扬泵为电比例变量控制泵，卷扬马达为电比例变量马达，为保证系统的抗负扭矩能力，液压系统设置多重加载和控制。卷扬下落操作时，在不同单绳拉力(不同载荷率)、设置不同发动机转速下，测量液压系统的参数，计算后获得发动机抗负扭矩能力。为保证系统的抗负扭矩能力，液压系统设置多重加载和控制。

根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，包括：

当发动机转速变化率满足：n1≤n＜n2时，执行控制策略一：加载泵以工作压力Hi开始工作，增加正扭矩负载，以使得发动机转速变化率稳定在n2以内；其中，n1表示发动机转速变化率的第一阈值，n表示当前检测到的发动机转速变化率，n2表示发动机转速变化率的第二阈值；

当发动机转速变化率满足：n2≤n＜n3时，执行控制策略二：加载泵以工作压力Hi开始工作，工作泵以一定比例和速度减少控制电流值以减少工作泵的输出流量，减少负扭矩的输出，使得发动机转速变化率稳定在n3以内；其中，n3表示发动机转速变化率的第三阈值；

当发动机转速变化率满足：n≥n3时，发动机熄火保护。

对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，具体计算方法如下：

获取测试数据之后，针对转速变化率n3的点进行计算，以获得发动机转速变化率在n3范围内抗负扭矩能力的曲线。抗负扭矩能力曲线为不同单绳拉力下对应的负扭矩百分比(抗负负载的扭矩能力占输出扭矩能力的百分比)。

(1)已知发动机性能曲线即转速n、功率PD、扭矩TD曲线，获得发动机的在不同转速下的性能参数；

(2)通过测试获取数据：

a.主泵输出压力：主泵设为P_m1、P_m2，本实施例两个主泵为相同变量特性电控闭式变量泵，工作压力基本一致，取单泵工作时压力E_i计算。

b.通过测试曲线，获取发动机增速拐点及对应手柄电流(即控制泵排量的电流)C_i，根据泵电流控制曲线计算得出泵对应输出排量Di。

c.系统运行中其他正负载输出泵压力：设为P₃、P₄等，本实施例中为综合排量为Q的补油泵，工作时压力取R计算。

d.加载泵压力：设为P_j，本实施例负扭矩测试方案中加载泵工作时排量为J_i，工作时压力取H_i计算。

相关计算参数列表：

表1测试参数表

说明：

a.单绳拉力设定：本案按照额载60％、80％、100％、110％、125％进行测试。

b.测试组数设定：按照发动机转速档位分组测试，以怠速800r/m作为档位起点，根据测试需要间隔增速，测取i组数据。

c.测试数据：测试可获取发动机增速点泵控电流、泵输出压力、加载泵压力、其他负载泵输出压力。

d.计算数据：通过测试数据可计算出发动机增速点卷扬泵输出排量、卷扬泵功率扭矩、加载泵功率扭矩、其它正负载泵功率扭矩。

具体计算如下：

(1)发动机增速点对应的泵电流Ci条件下泵排量Di为：

Di＝(Ci-200)/(600-200)*D(ml/r)

式中，D为最大控制电流下对应的最大排量；泵变量初始电流为200mA，最大控制电流为600mA。

(2)发动机增速点对应的单泵扭矩Wi、功率Gi为：

Wi＝Di×Ei/(2×π×η_mh1)(Nm)

式中，Ei为发动机增速点时，泵在Di排量下的输出压力；

η_mh1为泵的液压-机械效率，本案η_mh1＝0.92。

Gi＝Di×(Ni/1000)×Ei/(600×η_t1)(kW)

式中，Ni为发动机设定转速；η_t1为泵的总效率。

(3)发动机增速点时对应的加载泵的扭矩Ki、功率Mi为：

Ki＝Ji×Hi/(2×π×η_mh2)(Nm)

式中，Ji为正扭矩加载泵的工作排量，Hi为正扭矩加载泵的输出压力；

η_mh2为加载泵的液压-机械效率，本案η_mh2＝0.95

Mi＝Ji×(Ni/1000)×Hi/(600×η_t2)(kW)

式中，η_t2为泵的总效率。

(4)发动机增速点时对应的其它负载泵的扭矩T、功率X为：

T＝Q×R/(2×π×η_mh3)(Nm)

式中，Q为其它正扭矩负载泵的输出排量，R为其它正扭矩负载泵的输出压力；η_mh3为其它负载泵的液压-机械效率。

X＝Q×(Ni/1000)×R/(600×η_t3)(kW)

式中，η_t3为其它负载泵的总效率。

发动机增速前维持稳定状态下的系统扭矩平衡，即系统正扭矩T_Z与系统负扭矩T_F平衡：

T_Z＝补油泵扭矩+加载泵扭矩(确认是否加载)+发动机抗负负载扭矩(Li)；

T_F＝双卷扬下降时主泵对应扭矩；

可以得出每组设定单绳拉力及每组发动机转速条件下，发动机抗负负载扭矩/发动机额定扭矩，如表2中的Y1_～Yi。

表2单绳拉力-发动机负扭矩能力计算参数表

每组单绳拉力设定下测试数据的计算处理主要涉及：捕捉发动机增速变化拐点、极端数据的筛除、平均数的求取等。本案采用求取平均数的算法，得出设定单绳拉力Fi条件下全转速范围发动机抗负扭矩能力Zi。以上操作测试需进行多次。以F1单绳拉力为例，求取每次测量的

。Z1为多次测量的

的平均值。

进一步可以得出发动机抗负扭矩百分比能力，如表3所示：

表3单绳拉力-发动机抗负扭矩百分比能力

最后通过曲线拟合，可以拟合得出单绳拉力F对应发动机抗负扭矩百分比Z的曲线图。

本发明通过设计测试的方法，获得发动机抗负扭矩性能，并以发动机抗负扭矩曲线作为发动机负扭矩控制的参考曲线，设计负扭矩控制策略，使液压系统的工作扭矩始终低于相应的负扭矩性能曲线，保持液压系统工作的稳定性和安全性。

实施例二：

基于实施例一所述的一种闭式液压系统负扭矩测试方法，本实施例提供一种闭式液压系统负扭矩控制方法，如图5所示，包括：在起重机卷扬执行下落操作时，获取油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力；根据油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力计算当前发动机承受的扭矩值；将发动机承受的扭矩值与根据第一方面所述的闭式液压系统负扭矩测试方法获得的设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力比较，根据比较结果进行负扭矩控制。

根据比较结果进行负扭矩控制，包括：当发动机承受的扭矩值小于曲线设定值时，不执行负扭矩控制，否则按照设定的加载程序执行分级加载控制，直至发动机熄火保护。

本发明主要适用于闭式液压系统控制的起重机下降过程中重物对发动机做功产生的负扭矩的测试及控制，通过精确测试发动机在不同转速下和不同的负载下能够承受的负扭矩，并以此负扭矩曲线为边界，按一定的比例通过PLC控制将液压泵产生的扭矩控制在此边界之下，避免由于液压系统产生的负扭矩超过发动机能够承受的负扭矩而导致的发动机转速飞升失控的危险，保证起重机在下降过程中的稳定性和安全性。

实施例三：

基于实施例一所述的一种闭式液压系统负扭矩测试方法、实施例二所述的一种闭式液压系统负扭矩控制方法，本实施例提供一种起重机，所述起重机按照实施例二所述的闭式液压系统负扭矩控制方法，在起重机卷扬执行下落操作时，进行负扭矩控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，在设定的单绳拉力及发动机转速下，起重机卷扬执行下落操作，方法包括：

检测发动机转速变化率及当前发动机转速变化率下发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；

根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，直至发动机熄火保护；

重复上述过程，记录起重机卷扬在不同的单绳拉力及发动机转速下执行下落操作时，发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数；

对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，并绘制单绳拉力-发动机抗负扭矩能力曲线。

2.根据权利要求1所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，所述根据检测到的发动机转速变化率执行设定的控制策略，包括：

当发动机转速变化率满足：n1≤n＜n2时，执行控制策略一；其中，n1表示发动机转速变化率的第一阈值，n表示当前检测到的发动机转速变化率，n2表示发动机转速变化率的第二阈值；

当发动机转速变化率满足：n2≤n＜n3时，执行控制策略二；其中，n3表示发动机转速变化率的第三阈值；

当发动机转速变化率满足：n≥n3时，发动机熄火保护。

3.根据权利要求2所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，控制策略一，包括加载泵以工作压力Hi开始工作，增加正扭矩负载，以使得发动机转速变化率稳定在n2以内。

4.根据权利要求2所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，控制策略二，包括加载泵以工作压力Hi开始工作，工作泵以一定比例和速度减少控制电流值以减少工作泵的输出流量，减少负扭矩的输出，使得发动机转速变化率稳定在n3以内。

5.根据权利要求1所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，所述对获得的若干组发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数进行处理，获得设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力，包括：

根据发动机性能曲线，获得发动机在不同转速下的额定功率；

根据发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数，计算设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩；

根据发动机在不同转速下的额定功率、设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩，计算设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力。

6.根据权利要求5所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，根据发动机的运行参数和闭式液压系统的运行参数，计算设定单绳拉力及每组发动机转速条件下发动机抗负负载扭矩，包括：

（1）发动机增速点对应的泵电流Ci条件下泵排量Di为：

Di=(Ci-200)/(600-200)*D

式中，D为最大控制电流下对应的最大排量；

（2）发动机增速点对应的单泵扭矩Wi、功率Gi为：

Wi=Di×Ei/(2×π×η_mh1)

式中，η_mh1为泵的液压-机械效率，Ei为发动机增速点时，泵在Di排量下的输出压力；

Gi= Di×（Ni/1000）×Ei/(600×η_t1)

式中，η_t1为泵的总效率，Ni为发动机设定转速；

（3）发动机增速点时对应的加载泵的扭矩Ki、功率Mi为：

Ki= Ji×Hi/(2×π×η_mh2)

式中，η_mh2为加载泵的液压-机械效率，Ji为正扭矩加载泵的工作排量，Hi为正扭矩加载泵的输出压力；

Mi= Ji×（Ni/1000）×Hi/(600×η_t2)

式中，η_t2为泵的总效率；

（4）发动机增速点时对应的其它负载泵的扭矩T、功率X为：

T= Q×R/(2×π×η_mh3)

式中，η_mh3为其它负载泵的液压-机械效率，Q为其它正扭矩负载泵的输出排量，R为其它正扭矩负载泵的输出压力；

X= Q×（Ni/1000）×R/(600×η_t3)

式中，η_t3为其它负载泵的总效率；

因为，发动机增速前维持稳定状态下的系统扭矩平衡，即系统正扭矩T_Z与系统负扭矩T_F平衡，其中，T_Z=补油泵扭矩+加载泵扭矩+发动机抗负负载扭矩，T_F=双卷扬下降时主泵对应扭矩；可以得出每组设定单绳拉力及每组发动机转速条件下，发动机抗负负载扭矩。

7.根据权利要求6所述的闭式液压系统负扭矩测试方法，其特征在于，设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力采用求平均数的方法获得，先得出设定单绳拉力Fi条件下全转速范围发动机抗负扭矩能力Zi，测试多次后求取平均值。

8.一种闭式液压系统负扭矩控制方法，其特征在于，包括：

在起重机卷扬执行下落操作时，获取油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力；

根据油门对应的发动机转速、吊载重物的单绳拉力计算当前发动机承受的扭矩值；

将发动机承受的扭矩值与根据权利要求1~7任一项所述的闭式液压系统负扭矩测试方法获得的设定单绳拉力条件下全转速范围的发动机抗负扭矩能力比较，根据比较结果进行负扭矩控制。

9.根据权利要求8所述的闭式液压系统负扭矩控制方法，其特征在于，所述根据比较结果进行负扭矩控制，包括：

当发动机承受的扭矩值小于曲线设定值时，不执行负扭矩控制，否则按照设定的加载程序执行分级加载控制，直至发动机熄火保护。

10.一种起重机，其特征在于，所述起重机按照权利要求9所述的闭式液压系统负扭矩控制方法，在起重机卷扬执行下落操作时，进行负扭矩控制。

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