胡均平，李科軍

?

旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

胡均平，李科軍

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

為利用旋挖鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)階段的制動(dòng)能量，提出一種基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)和液壓蓄能器的能量回收系統(tǒng)。通過分析上車回轉(zhuǎn)的工況特點(diǎn)，運(yùn)用功率鍵合圖理論建立回轉(zhuǎn)動(dòng)能回收利用的數(shù)學(xué)模型。針對系統(tǒng)參數(shù)的不確定性及存在的外干擾，設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊滑?？刂破鲗剞D(zhuǎn)速度進(jìn)行跟蹤控制，并利用李雅普諾夫函數(shù)證明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性。為對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真分析液壓蓄能器容積、充氣壓力及回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間這3個(gè)主要因素對系統(tǒng)工作性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：所提出的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)能有效地完成能量回收，其中，回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間對系統(tǒng)工作壓力和能量回收效率影響最大，而液壓蓄能器容積和充氣壓力對能量回收效率影響較小，但對恒壓網(wǎng)絡(luò)壓力波動(dòng)影響較大。

旋挖鉆機(jī)；回轉(zhuǎn)動(dòng)能；能量回收；二次調(diào)節(jié)技術(shù)；自適應(yīng)模糊控制

旋挖鉆機(jī)是工程機(jī)械行業(yè)中機(jī)電液一體化施工的高端設(shè)備，用于完成深基礎(chǔ)灌注樁的鉆孔作業(yè)，孔深可達(dá)數(shù)十米。隨著城市地鐵輕軌等大規(guī)?；A(chǔ)工程建設(shè)的啟動(dòng)，該設(shè)備在我國得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展[1]。旋挖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)力頭、鉆具、鉆桿、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)裝置和底盤等組成?；剞D(zhuǎn)裝置是旋挖鉆機(jī)中的1個(gè)非常重要的工作部件，在作業(yè)中頻繁地起停和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。上車回轉(zhuǎn)可分為啟動(dòng)、回轉(zhuǎn)、制動(dòng)3個(gè)階段。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，制動(dòng)時(shí)釋放出大量的慣性能，但都消耗在平衡閥的節(jié)流口上，不僅浪費(fèi)能量，增加系統(tǒng)的熱負(fù)荷，而且降低液壓元件的使用壽命，影響系統(tǒng)的正常工作[2]。因此，研究旋挖鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收對于整機(jī)的節(jié)能減排、穩(wěn)定工作具有重要意義?，F(xiàn)有的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)大致可以分為機(jī)械式儲(chǔ)能、蓄電池式儲(chǔ)能和液壓式儲(chǔ)能三大類。機(jī)械式儲(chǔ)能主要采用飛輪儲(chǔ)能，但飛輪較大的質(zhì)量與體積需要較大的安裝空間，且在惡劣環(huán)境下存在安全隱患[3?4]；以超級電容和蓄電池為儲(chǔ)能元件的油電混合動(dòng)力技術(shù)存在功率密度低、能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多引起能量回收效率低、現(xiàn)有電容/蓄電池技術(shù)不成熟等缺陷，不太適合工程機(jī)械[5?7]?，F(xiàn)階段采用蓄能器作為儲(chǔ)能裝置的液壓混合動(dòng)力技術(shù)逐漸成為熱點(diǎn)，它具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少、能量回收效率高等優(yōu)點(diǎn)[8]。液壓混合動(dòng)力技術(shù)在車輛領(lǐng)域的成功應(yīng)用為旋挖鉆機(jī)的節(jié)能減排提供了一種新的途徑和研究思路[9?11]。本文以某型旋挖鉆機(jī)為研究對象，首先根據(jù)上車回轉(zhuǎn)的工況特點(diǎn)，提出一種基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)和液壓蓄能器的回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)[12]，并運(yùn)用鍵合圖理論建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后，針對液壓系統(tǒng)高階非線性、參數(shù)不確定性及系統(tǒng)振動(dòng)等特點(diǎn)，引入自適應(yīng)模糊滑?？刂破鳎瑢?shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)在復(fù)雜干擾條件下的轉(zhuǎn)速控制；最后，通過仿真分析液壓蓄能器容積等主要參數(shù)對系統(tǒng)壓力和能量回收效率的影響。

1 回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由恒壓變量泵、液壓蓄能器、二位二通電磁換向閥、液壓泵/馬達(dá)(二次元件)、轉(zhuǎn)速傳感器、電液伺服閥和變量油缸等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵為液壓泵/馬達(dá)提供壓力油源，液壓蓄能器配置在恒壓變量泵和液壓泵/馬達(dá)之間，吸收系統(tǒng)多余的功率和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的慣性能，同時(shí)通過先導(dǎo)油源調(diào)節(jié)液壓泵/馬達(dá)的排量實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)速度的控制。具體工作流程為：在回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)，換向閥1和2開通，恒壓變量泵與液壓蓄能器一起給液壓泵/馬達(dá)供油，液壓泵/馬達(dá)工作在液壓馬達(dá)工況，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)；在回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在液壓泵工況，并受慣性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)向液壓蓄能器供油，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)能的回收，當(dāng)制動(dòng)完成時(shí)，換向閥2關(guān)閉；在下次啟動(dòng)時(shí)，換向閥2開通，液壓泵/馬達(dá)再次工作在液壓馬達(dá)工況，液壓蓄能器將上次回收的能量進(jìn)行釋放，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

傳統(tǒng)旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵提供，通過控制閥組、液壓馬達(dá)和減速機(jī)傳遞到旋挖鉆機(jī)的上部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過溢流閥、平衡閥等元件的節(jié)流作用來制動(dòng)，存在著能耗大和系統(tǒng)發(fā)熱的問題，嚴(yán)重時(shí)影響系統(tǒng)的正常工作。在圖1所示的能量回收系統(tǒng)中，制動(dòng)及換向功能可利用液壓泵/馬達(dá)的四象限工作特性來實(shí)現(xiàn)，不僅消除了各種節(jié)流損失，而且能有效地完成制動(dòng)動(dòng)能的回收與再利用。作業(yè)人員對速度的要求可通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速命令進(jìn)行速度控制。

圖1 基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理

2 數(shù)學(xué)建模

建模前對系統(tǒng)進(jìn)行如下簡化：1) 對液壓元件的容性、阻性的參數(shù)進(jìn)行集中處理；2) 泵輸入轉(zhuǎn)速恒定，輸出工作流量穩(wěn)定，忽略其脈動(dòng)特性；3) 恒壓變量泵的斜盤調(diào)節(jié)、換向閥的開啟都視為瞬態(tài)過程；4) 工作油液的慣性不予考慮；5) 先導(dǎo)油源壓力穩(wěn)定；6) 液壓蓄能器的儲(chǔ)/釋能過程近似為等溫絕熱過程。根據(jù)旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)的工作原理，建立圖2所示的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)鍵合圖模型。

圖2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)鍵合圖模型

圖2中：p為恒壓變量泵每轉(zhuǎn)排量，受出口壓力控制；p1為泵出口到單向閥之間工作容腔的等效液壓剛度；pl為泵的泄漏液阻，泄漏流量為；rf為溢流閥溢流時(shí)的液阻，溢流流量為；cv為單向閥的液阻，流過的流量為；dv1和dv2分別表示換向閥1和2的液阻，流過的流量分別為和；p2為單向閥出口、溢流閥入口和換向閥1和2進(jìn)口之間工作容腔的等效液壓剛度；a為高壓蓄能器的剛度系數(shù)，與流量有關(guān)；p3為換向閥2出口和雙向變量泵/馬達(dá)進(jìn)口之間工作容腔的等效液壓剛度；m為變量泵/馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量，受變量油缸活塞桿位移的控制；m和m分別為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)經(jīng)減速機(jī)折算到變量泵/馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ml為變量泵/馬達(dá)的泄漏液阻，流過的流量為；a為變量泵/馬達(dá)出口壓力，取值為0 Pa；電液伺服閥的進(jìn)出口液阻分別為svi和svo，流過的流量分別為和；變量油缸左、右工作容腔的等效液壓剛度分別為cl和cr；p，c和p分別為變量油缸活塞有效作用面積、活塞與缸筒之間的黏性阻尼系數(shù)和活塞桿組件的質(zhì)量；，，sv和分別為電液伺服閥的自然頻率、運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)、電流增益和輸入電流。根據(jù)鍵合圖模型狀態(tài)方程的生成規(guī)則，可以推導(dǎo)出回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)能量回收利用的數(shù)學(xué)模型。

管路1流量連續(xù)性方程為

管路2流量連續(xù)性方程為

管路3流量連續(xù)性方程為

變量泵/馬達(dá)輸出軸的力矩平衡方程為

變量泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為

電液伺服閥閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為

變量油缸活塞桿組件的力平衡方程為

式中：pp為變量油缸彈簧預(yù)壓縮量。

變量油缸活塞桿組件的速度為

變量油缸左腔流量連續(xù)性方程為

變量油缸右腔流量連續(xù)性方程為

3 自適應(yīng)模糊滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

能量回收系統(tǒng)是高階系統(tǒng)，具有高度非線性、參數(shù)不確定性、系統(tǒng)振動(dòng)和負(fù)載靈敏性等特點(diǎn)，這些都嚴(yán)重影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。自適應(yīng)模糊滑模控制結(jié)合了滑?？刂坪妥赃m應(yīng)模糊邏輯控制的優(yōu)點(diǎn)，對系統(tǒng)的非線性、參數(shù)的攝動(dòng)及外界的干擾具有較強(qiáng)的魯棒性能[13?19]，為旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度的控制提供了一種較好的解決途徑。

3.1 控制器設(shè)計(jì)

為消除外界干擾和補(bǔ)償系統(tǒng)不確定性對回轉(zhuǎn)速度控制的影響，首先設(shè)計(jì)滑?？刂破??？刂破鞯妮斎肱c輸出分別為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速r(即m/，為減速機(jī)的傳動(dòng)比)和泵/馬達(dá)排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的輸入()(即電液伺服閥輸入電流)。通過式(1)~(10)可得速度控制的狀態(tài)方程。

令d為速度指令，定義系統(tǒng)的跟蹤誤差為

式中：1和2為非零正常數(shù)。當(dāng)滑模控制處于理想狀態(tài)時(shí)，，即

根據(jù)式(11)和(13)可得滑模控制器的控制律為

但在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有不確定性，且伴隨未知干擾的影響，往往難于獲得，為此，采用模糊控制器逼近理想控制律*。

模糊控制器以滑模面函數(shù)為輸入，構(gòu)成1個(gè)單輸入模糊系統(tǒng)，從而減少模糊規(guī)則的數(shù)量。模糊規(guī)則的形式為：(其中，=1，2，…，；和a為模糊集合)。

取為可調(diào)參數(shù)向量，為模糊基向量，采用重心法進(jìn)行模糊系統(tǒng)反模糊化，得到模糊控制器的輸出為

根據(jù)一致逼近原理，模糊控制器式(15)在某一緊集中能夠以任意精度一致逼近任意的連續(xù)實(shí)函數(shù)。因此，存在1個(gè)最優(yōu)模糊控制輸出量逼近*()，即

由式(18)和(19)可得

自適應(yīng)模糊滑模控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)模糊滑模控制系統(tǒng)

3.2 自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)

式(13)對時(shí)間求導(dǎo)可得

結(jié)合式(15)和(22)有

由式(21)和(23)可得

采用Lyapunov方法分析所設(shè)計(jì)控制器的穩(wěn)定性，定義Lyapunov函數(shù)為

將式(25)對時(shí)間求導(dǎo)可得

則

由以上的分析可以得出所設(shè)計(jì)的控制器是穩(wěn)定的，并且系統(tǒng)的誤差會(huì)被控制在很小的范圍內(nèi)。

4 仿真分析

以某型旋挖鉆機(jī)為研究對象，主要仿真參數(shù)見表1。需要說明的是：1) 鉆斗上泥沙的質(zhì)量與整個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相比，基本上可以忽略，因而，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量視為定值；2) 旋挖鉆機(jī)的上車回轉(zhuǎn)具有周期性特點(diǎn)，只需選取1個(gè)工作周期(正向啟動(dòng)—正轉(zhuǎn)—制動(dòng)—反向啟動(dòng)—反轉(zhuǎn)—制動(dòng))進(jìn)行仿真分析；3) 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為避免高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)對整機(jī)的沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)兼顧鉆機(jī)的作業(yè)效率，轉(zhuǎn)速控制在4 r/min左右。圖4所示為預(yù)設(shè)的輸入速度曲線。運(yùn)用Matlab軟件對建立的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)速度控制模型進(jìn)行仿真求解，仿真時(shí)間設(shè)為20 s。

圖4所示為1個(gè)周期以內(nèi)旋挖鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。從圖4可以看出：控制系統(tǒng)可以較好地跟蹤預(yù)設(shè)的輸入速度信號(hào)，系統(tǒng)無明顯振蕩，響應(yīng)速度快且趨近效果好，證明采用的控制方法有效。圖5所示為系統(tǒng)的流量響應(yīng)曲線。分析圖5可知：在3.0 s時(shí)，開始回轉(zhuǎn)啟動(dòng)，液壓蓄能器單獨(dú)給變量泵/馬達(dá)供油；在3.4 s時(shí)，系統(tǒng)壓力下降到恒壓泵調(diào)定值以下，恒壓泵和高壓蓄能器一起給系統(tǒng)供油；在4.4 s時(shí)，回轉(zhuǎn)速度趨于穩(wěn)定，恒壓泵同時(shí)給高壓蓄能器及變量泵/馬達(dá)供油；在8.2 s時(shí)，開始回轉(zhuǎn)制動(dòng)，變量泵/馬達(dá)將回轉(zhuǎn)慣性能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)在液壓蓄能器中，恒壓泵停止供油；在8.8 s時(shí)，完成回轉(zhuǎn)制動(dòng)。反向啟動(dòng)—反轉(zhuǎn)—制動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程類似。

表1 能量回收系統(tǒng)仿真參數(shù)

1—預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速曲線；2—跟蹤轉(zhuǎn)速曲線。

1—恒壓泵流量；2—蓄能器流量；3—變量泵/馬達(dá)流量。

4.2 參數(shù)影響研究

定義制動(dòng)能量回收的效率為

式中：acc為液壓蓄能器回收的能量；0為制動(dòng)前回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有的動(dòng)能。

圖6(a)所示為液壓蓄能器容積對系統(tǒng)壓力的影響。從6(a)可見：在液壓蓄能器充氣壓力一定的情況下，液壓蓄能器的容積越大，系統(tǒng)壓力在回收能量的過程中變化幅度越小，這有利于提高液壓元件的可靠性和使用壽命。圖6(b)所示為相同工況下液壓蓄能器容積變化對能量回收效率的影響。從圖6(b)可以看出：隨著液壓蓄能器容積的增大，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回收效率明顯提高，但當(dāng)容積增至一定值，如蓄能器容積分別取40 L和63 L時(shí)，對應(yīng)的能量回收效率分別為59.4%和60.0%，增加量較小，能量回收率的提高趨勢減緩，說明再增大液壓蓄能器的容積已無太大意義。

圖7(a)所示為液壓蓄能器充氣壓力對系統(tǒng)工作壓力的影響。從圖7(a)可知：在液壓蓄能器容積一定時(shí)，液壓蓄能器充氣壓力越大，系統(tǒng)壓力在回收能量過程中的變化幅度越小。這是因?yàn)槌錃鈮毫υ酱?，液壓蓄能器的液壓剛度越大，恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力波動(dòng)就越小，但過大的充氣壓力將降低液壓蓄能器的工作壽命。圖7(b)所示為相同工況下液壓蓄能器充氣壓力對系統(tǒng)能量回收效率的影響。從圖7(b)可見：當(dāng)充氣壓力為11，14，17和20 MPa時(shí)，對應(yīng)的能量回收效率分別為60.9%，60.1%，59.4%和58.9%。以上分析表明：液壓蓄能器充氣壓力對能量回收效率的影響較小，對系統(tǒng)壓力影響較大。

(a) 系統(tǒng)壓力響應(yīng)；(b) 能量回收效率蓄能器容積/L：1—16；2—25；3—40；4—60。

(a) 系統(tǒng)壓力響應(yīng)；(b) 能量回收效率蓄能器充氣壓力/MPa：1—11；2—14；3—17；4—20。

圖8所示為回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間對系統(tǒng)工作性能的影響。從圖8可見：在制動(dòng)前回轉(zhuǎn)速度一定，制動(dòng)時(shí)間由0.3 s增至1.2 s時(shí)，系統(tǒng)的壓力由3.5 MPa減至 0.9 MPa，這是因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)間越短，因轉(zhuǎn)制動(dòng)力越大，系統(tǒng)壓力在回收能量過程中的變化幅度也隨之增大，這可提高系統(tǒng)的能量回收效率(見圖8(b))；當(dāng)制動(dòng)時(shí)間由1.2 s減至0.3 s時(shí)，系統(tǒng)的能量回收效率從45.1%增至65.3%)。這是因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)間越短，消耗在摩擦、泄露上的能量越少，液壓蓄能器回收的能量越大。在制動(dòng)時(shí)間上，提高回收系統(tǒng)的能量回收效率和降低恒壓網(wǎng)絡(luò)壓力波動(dòng)是相互矛盾的，故設(shè)計(jì)時(shí)要權(quán)衡考慮。

(a) 系統(tǒng)壓力響應(yīng)； (b) 能量回收效率制動(dòng)時(shí)間/s：1—0.3；2—0.6；3—0.9；4—1.2。

5 結(jié)論

1) 采用一種基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)和液壓蓄能器的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，通過調(diào)整液壓泵/馬達(dá)的斜盤角度可完成系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及換向，從原理上消除了各種節(jié)流損失，同時(shí)液壓蓄能器短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存/釋放高密度能量，可以實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)能的回收利用。

2) 設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊滑?？刂破鲗⒆赃m應(yīng)控制、模糊控制、滑?？刂迫哂袡C(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，對于旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的參數(shù)不確定和外部干擾，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)控制精度，滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制和工作平穩(wěn)性的要求。

3) 制動(dòng)時(shí)間對回收系統(tǒng)的影響最大，能量回收效率和系統(tǒng)壓力波動(dòng)都隨制動(dòng)時(shí)間的減小而增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮。增加液壓蓄能器的容積可使系統(tǒng)壓力波動(dòng)減小，并在一定程度上提高能量回收效率；增加液壓蓄能器充氣壓力也可降低系統(tǒng)壓力波動(dòng)，但對能量回收效率影響較小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何清華, 康輝梅, 朱建新, 等. 動(dòng)臂變幅工況下旋挖鉆機(jī)工作裝置的動(dòng)力學(xué)特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 43(6): 2150?2156. HE Qinghua, KANG Huimei, ZHU Jianxin, et al. Dynamic mechanical properties of working device of rotary drilling rig under lift-arm luffing conditions[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(6): 2150?2156.

[2] 方曉瑜, 趙宏強(qiáng), 劉鵬. 旋挖鉆機(jī)主卷揚(yáng)系統(tǒng)下放勢能回收的仿真[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2012, 45(2): 241?245.FANG Xiaoyu, ZHAO Hongqiang, LIU Peng. Simulation study of main winch system geopotential energy recovery in rotary driller[J]. Engineering Journal of Wuhan University (Engineering Science), 2012, 45(2): 241?245.

[3] 劉海昌, 姜繼海. 飛輪儲(chǔ)能型二次調(diào)節(jié)流量耦聯(lián)系統(tǒng)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 37(4): 75?79. LIU Haichang, JIANG Jihai. Flow-coupled secondary regulation system integrated with flywheel energy storage[J]. Journal of South China University of Technology (Science and Technology), 2009, 37(4): 75?79.

[4] 楊欣. 利用飛輪儲(chǔ)能的能量回收型液壓升降系統(tǒng)研究[J]. 液壓與氣動(dòng), 2012, 3: 27?29. YANG Xin. Energy-recovery hydraulic lifting system with flywheel energy storage[J]. Hydraulic and Pneumatic, 2012, 3: 27?29.

[5] VANESSA P, TERESA D, ARTURO D R, et al. Super-capacitors fuel-cell hybrid electric vehicle optimization and control strategy development[J]. Energy Convers Manage, 2007, 48(11): 3001?3008.

[6] 龔俊, 何清華, 張大慶, 等. 混合動(dòng)力叉車節(jié)能效果評價(jià)及能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2014, 44(1): 29?34.GONG Jun, HE Qinghua, ZHANG Daqing, et al. Evaluation for energy saving effect of hybrid forklift and testing for energy saving system[J]. Journal of Jilin University (Engineering Science), 2014, 44(1): 29?34.

[7] 王慶豐. 油電混合動(dòng)力挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(20): 123?129. WANG Qingfeng. Research on key technology of oil-electric hybrid excavator[J]. Journal ofMechanical Engineering, 2013, 49(20): 123?129.

[8] 曹軍峰, 陳杰. 基于制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的蓄能器特性分析[J]. 液壓與氣動(dòng), 2010(1): 59?62. CAO Junfeng, CHEN Jie. Characteristics analysis of accumulator applied in regenerative braking system[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2010(1): 59?62.

[9] 李軍成, 劉敬平, 韓志玉. 一種液壓混合動(dòng)力車輛燃油經(jīng)濟(jì)性研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 42(1): 80?86. LI Juncheng, LIU Jingping, HAN Zhiyu. Fuel economy of a hydraulic hybrid vehicle[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(1): 80?86.

[10] 伍迪, 姚進(jìn), 韓嘉驊, 等. 串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力車輛節(jié)能控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(4): 45?54. WU Di, YAO Jin, HAN Jiahua, et al. Control strategy of a series connected hydraulic hybrid vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(4): 45?54.

[11] 杜玖玉, 苑士華, 魏超, 等. 車輛液壓混合動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景[J]. 機(jī)床與液壓, 2009, 37(2): 181?184. DU Jiuyu, YUAN Shihua, WEI Chao, et al. The application and development of hydraulic hybrid powertrain of vehicle[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2009, 37(2): 181?184.

[12] 姜繼海. 二次調(diào)節(jié)壓力耦聯(lián)靜液傳動(dòng)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013: 5?37. JIANG Jihai. The two regulation pressure coupling hydrostatic transmission technology[M]. Beijing: China Machine Press, 2013: 5?37.

[13] HU Junping, LI Kejun. Thermal-hydraulic modeling and analysis of the bydraulic system by pseudo-bond graph[J]. Journal of Central South University, 2015, 8(2): 267?278.

[14] 胡均平, 李科軍. 螺旋鉆機(jī)度幅量時(shí)機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)的鍵合圖建模[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 47(2): 495?502. HU Junping, LI Kejun. Dynamics model of mechanical-hydraulic coupling of auger driller during luffing motion by bond graph[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(2): 492?502.

[15] HO H F, WONG Y K, RAD A B. Adaptive fuzzy sliding mode control with chattering elimination for nonlinear SISO systems[J]. Simulation Modeling Practice and Theory, 2009, 17(7): 1199?1210.

[16] NECHADI E, HARMAS M N, HAMZAOUI A. A new robust adaptive fuzzy sliding mode power system stabilizer[J]. Electrical Power and Energy Systems, 2012, 42(1): 1?7.

[17] NOROOZI N, ROOPAEI M, JAHROMI M Z. Adaptive fuzzy sliding mode control scheme for uncertain systems[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(11): 3978?3992.

[18] CERMAN O, HUSEK P. Adaptive fuzzy sliding mode control for electro-hydraulic servo mechanism[J]. Expert Systems with Application, 2012, 39(11): 10269?10277.

[19] 李安梁, 蔡洪, 白錫斌. 浮球式慣導(dǎo)平臺(tái)的自適應(yīng)模糊滑模穩(wěn)態(tài)控制[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 12(6): 41?45. LI Anliang, CAI Hong, BAI Xibin. Adaptive fuzzy sliding mode stabilization control for floated inertial platform[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2013, 12(6): 41?45.

(編輯 陳燦華)

Design and analysis of energy recovery system of rotary drilling rig during braking motion

HU Junping, LI Kejun

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to recover the braking energy from the rotary drilling rig during swing motion, the energy recover system was proposed based on the secondary regulation technology and hydraulic accumulator. According to the working principle of the rotary system, the mathematical model of rotary inertia energy recycling was developed by bond graph. To solve the problem of the uncertain parameters and external disturbances of the system, the adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC) was employed to track the preset rotational angular velocity, and the Lyapunov function was introduced to confirm the stability and convergence of the control system. To optimize the system design, the effects of main parameters on the system performance were studied. The results show that the rotary braking time has the greatest influence on the system pressure and energy recovery efficiency, while the volume and pre-charge pressure of hydraulic accumulator volume have relatively smaller influence on the energy recovery efficiency, but great influence on the pressure fluctuation of constant pressure network.

rotary drilling rig; rotary kinetic energy; energy recover; the secondary regulation technology; adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC)

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.015

TH137.5

A

1672?7207(2016)10?3386?08

2015?11?12；

2016?01?22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175518)；湖南省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金立項(xiàng)項(xiàng)目(12C26214305029) (Project(51175518) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(12C26214305029) supported by the Small and Mid-sized Enterprise Technology Innovation Fund of Hunan Province)

李科軍，博士，從事液壓機(jī)械與控制研究；E-mail：likejuncsu@126.com