李宗

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221106)

0 前言

超大型液壓挖掘機(jī)在大型露天礦山開采、煤炭及尾礦等物料的鏟裝以及大型基礎(chǔ)建設(shè)等行業(yè)具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。由于國(guó)產(chǎn)超大型液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)制造與世界先進(jìn)水平相比仍有較大差距［1］，因此目前300 t以上的挖掘機(jī)完全依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)機(jī)型尚未打開市場(chǎng)。面對(duì)此等現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的主要廠家均將超大型液壓挖掘機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究提到了日程上，其中又以回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜。

借鑒國(guó)外成熟產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家在超大型挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛采用了閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)［2－3］，但閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作特性與控制要求之間的關(guān)系還并不明確，因此設(shè)計(jì)出的方案性能較國(guó)外同類產(chǎn)品相差較多。為此，作者采用仿真的方法對(duì)挖掘機(jī)大慣量閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作特性進(jìn)行研究，分析其控制要求，為超大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)提供參考。

1 閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理

大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由雙向變量泵和定量馬達(dá)組成，且由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，一般采用串聯(lián)的多泵多馬達(dá)形式。除挖掘機(jī)外，旋挖鉆機(jī)和大型起重機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)也有采用相同的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)［4］。為更清楚地表示超大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將多泵多馬達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成單泵單馬達(dá)系統(tǒng)，但泵及馬達(dá)的排量保持不變，如圖1所示。

圖1 超大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

從本質(zhì)上講，該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是泵控馬達(dá)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，通過改變泵的排量，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速。閉式回轉(zhuǎn)泵2集成了控制單元2.1、高壓溢流單向閥2.2、壓力切斷閥2.3等部件，所以回轉(zhuǎn)泵既是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力源，又是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制組件，通過調(diào)整控制單元2.1改變回轉(zhuǎn)泵流量和方向，從而改變液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和方向，進(jìn)而控制液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)速度和方向。

高壓溢流單向閥2.2集成了單向閥和高壓溢流閥，有兩個(gè)作用，一是通過單向閥向系統(tǒng)低壓側(cè)補(bǔ)油以防泵吸空;二是當(dāng)系統(tǒng)過載時(shí)，通過高壓溢流閥溢流實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)泵一側(cè)的壓力達(dá)到或者超過壓力切斷閥2.3的設(shè)定值后，壓力切斷閥打開使先導(dǎo)控制壓力降低，從而降低回轉(zhuǎn)泵的排量，進(jìn)而降低系統(tǒng)壓力以降低系統(tǒng)溢流量。此功能可以在回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)減小壓力沖擊。一般高壓溢流閥的設(shè)定壓力比切斷閥壓力高3 MPa。

系統(tǒng)內(nèi)的一部分液壓油通過沖洗閥3回到油箱，將回路的雜質(zhì)逐步帶出以保證系統(tǒng)內(nèi)的清潔，同時(shí)可以帶走一定的熱量，從而提高系統(tǒng)的散熱性能。

補(bǔ)油減壓閥5將先導(dǎo)補(bǔ)油泵的壓力降低至要求范圍內(nèi)之后，將液壓油直接通過高壓溢流單向閥2.2補(bǔ)充至回轉(zhuǎn)泵的低壓腔，并使回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的低壓側(cè)壓力保持在安全范圍之內(nèi)。

回轉(zhuǎn)制動(dòng)器4.1安裝于回轉(zhuǎn)馬達(dá)和回轉(zhuǎn)減速機(jī)之間，用以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的駐車制動(dòng)控制。當(dāng)回轉(zhuǎn)制動(dòng)控制閥6通電時(shí)，壓力油進(jìn)入回轉(zhuǎn)制動(dòng)器以打開剎車片，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)處于自由狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)解鎖;當(dāng)回轉(zhuǎn)制動(dòng)控制閥6斷電時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)與回轉(zhuǎn)減速之間的剎車片嚙合，使回轉(zhuǎn)馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鎖死。

2 仿真模型

以A4VG180閉式變量泵和A2FM200馬達(dá)為樣本，在AMESim中建立了大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。其中控制系統(tǒng)可以根據(jù)需求選擇開環(huán)結(jié)構(gòu)或閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖2 大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型

圖2所示的仿真模型中的主要元件的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，其中系統(tǒng)的阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)［5］。

表1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要元件的關(guān)鍵參數(shù)

因?yàn)橄到y(tǒng)具有高壓溢流和壓力切斷功能，即有過載保護(hù)和節(jié)能功能，即使采用開環(huán)控制，系統(tǒng)仍然可以達(dá)到一定的控制效果。但是，對(duì)于閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，因?yàn)榍袛鄩毫Ρ纫缌鲏毫Φ?，在回轉(zhuǎn)啟動(dòng)階段如達(dá)到系統(tǒng)切斷壓力，則無(wú)論挖掘機(jī)處于何種轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)流量均迅速降低并導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降低;而系統(tǒng)壓力的降低會(huì)使壓力切斷解除，并使系統(tǒng)流量上升直至再次達(dá)到切斷壓力;如此反復(fù)，系統(tǒng)壓力會(huì)在切斷壓力附近振蕩，系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。而在回轉(zhuǎn)制動(dòng)階段，泵工作在馬達(dá)工況，馬達(dá)工作在泵工況。在系統(tǒng)達(dá)到切斷壓力后，因?yàn)閴毫η袛喙δ苁沟帽门帕扛?，馬達(dá)排出的油液完全從溢流閥流出，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)以溢流壓力制動(dòng)，且無(wú)法發(fā)揮閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)能量回收的功能。

為此，考慮采用壓力閉環(huán)控制，其工作原理為:在啟動(dòng)階段，采集馬達(dá)進(jìn)油腔(高壓腔)的壓力信號(hào)并與指令壓力進(jìn)行比較，以控制泵的排量，使馬達(dá)進(jìn)油腔壓力處于控制值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速平穩(wěn)啟動(dòng);在制動(dòng)階段，采集馬達(dá)回油腔(同樣是高壓腔)的壓力信號(hào)并與指令壓力進(jìn)行比較，以控制泵的排量，使馬達(dá)回油腔壓力處于控制值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速平穩(wěn)制動(dòng)，并回收制動(dòng)能量。閉環(huán)控制原理如圖3所示。

圖3 閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制原理

3 仿真結(jié)果分析

3.1 開環(huán)控制仿真結(jié)果分析

圖4為開環(huán)控制下系統(tǒng)的壓力響應(yīng)，可以清楚地看到壓力切斷功能的影響。

圖4 壓力切斷功能對(duì)開環(huán)回轉(zhuǎn)壓力特性的影響

在啟動(dòng)階段，控制信號(hào)從零階躍到最大值，馬達(dá)進(jìn)口壓力會(huì)迅速達(dá)到切斷壓力，并靠壓力切斷閥的快速開閉，在切斷壓力附近振蕩，該振蕩會(huì)對(duì)元件產(chǎn)生沖擊，降低元件壽命。在制動(dòng)階段，控制信號(hào)從最大值階躍到零，馬達(dá)出口壓力迅速上升，超過了切斷壓力，在壓力切斷閥的作用下，泵排量降為零，馬達(dá)在慣性負(fù)載的帶動(dòng)下繼續(xù)回轉(zhuǎn)并輸出流量，但因?yàn)楸玫呐帕恳呀?jīng)為零，馬達(dá)輸出流量全部高壓溢流，無(wú)能力回收，同時(shí)產(chǎn)生大量熱能，增加系統(tǒng)散熱負(fù)擔(dān)。

為消除回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)壓力振蕩并減少制動(dòng)時(shí)的高壓溢流損失，如果采用緩慢變化的斜坡信號(hào)作為泵排量變化的控制信號(hào)，斜坡信號(hào)的斜率選擇，要求既能使回轉(zhuǎn)系統(tǒng)快速啟動(dòng)和制動(dòng)，又不超過切斷壓力值。信號(hào)的斜率過大，可以快速啟動(dòng)和制動(dòng)，但系統(tǒng)壓力將超過壓力切斷值，無(wú)法達(dá)到效果;而信號(hào)的斜率過小，會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)啟動(dòng)和制動(dòng)過慢。并且挖掘機(jī)工作過程轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷變化，要求控制信號(hào)斜率不斷變化，這在控制上是極難做到的。因此可以考慮采用壓力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。

3.2 壓力閉環(huán)控制仿真結(jié)果分析

壓力閉環(huán)控制要求系統(tǒng)在任何一種工況均能始終控制系統(tǒng)壓力維持在控制壓力附近，不受其他參數(shù)干擾。圖5為閉環(huán)控制下系統(tǒng)壓力特性響應(yīng)曲線，其中PID參數(shù)如表2所示。

表2 PID參數(shù)

圖5 不同慣量下的壓力閉環(huán)控制特性

為檢驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化的適應(yīng)性，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取3種典型工況的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分別為1×107kg·m2，9.1×106kg·m2，7.7×106kg·m2。

可見，在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下，采用壓力閉環(huán)控制均能保持較高的啟制動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)和制動(dòng)。

在一個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)中，壓力閉環(huán)仍然可以取得較好的效果。圖6是動(dòng)臂提升及回轉(zhuǎn)過程中壓力閉環(huán)控制特性。過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷減少，但在壓力閉環(huán)的控制下，啟動(dòng)和制動(dòng)壓力仍然能保持在穩(wěn)定值附近，實(shí)現(xiàn)了快速啟動(dòng)和制動(dòng)。同樣，在動(dòng)臂下降及回轉(zhuǎn)過程中也可以達(dá)到一樣的效果。

圖6 動(dòng)臂提升及回轉(zhuǎn)過程中系統(tǒng)關(guān)鍵性能變化曲線

通過以上分析可知，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化有良好的適應(yīng)性，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以通過壓力閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和制動(dòng)，減少壓力沖擊。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于大慣量閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，采用開環(huán)控制，在啟動(dòng)過程，壓力切斷閥不斷動(dòng)作，馬達(dá)入口壓力在切斷壓力附近達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;在制動(dòng)過程，馬達(dá)出口壓力迅速達(dá)到切斷壓力，液壓泵在切斷閥的作用下排量變?yōu)榱?，系統(tǒng)流量通過高壓溢流閥溢流，系統(tǒng)通過泵變?yōu)轳R達(dá)工況回收利用的能量極少。

(2)采用壓力閉環(huán)控制，在不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化有良好的適應(yīng)性，系統(tǒng)壓力可以保持在控制壓力，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以通過壓力閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和制動(dòng)，減少壓力沖擊。制動(dòng)過程，可以在保持制動(dòng)壓力的情況下，使泵排量逐漸減小，達(dá)到回收能量的效果。

(3)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)需要配合適當(dāng)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)才能發(fā)揮良好的效果，對(duì)于大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制可以達(dá)到良好的控制效果，并且對(duì)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有良好的適應(yīng)性。推而廣之，這種控制結(jié)構(gòu)在其他采用閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工程機(jī)械中也可以借鑒使用。

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