堆取料機液壓系統上變排量容積控制方式的應用

王永潤

（廣州市輕工高級技工學校，廣州 510000）

引言

堆取料機原液壓系統可靠性、穩定性等工作性能存在一定缺陷，為了滿足現代生產要求，需要對原系統進行全面改造。將變排量容積控制方式應用在堆取料機液壓系統上，能夠顯著提升其節能環保性能、運行性能和控制特性，再通過優化設計和仿真實驗，證明了這一設計能夠全面提升堆取料機液壓系統運行的穩定性、可靠性以及可控性。

1 懸臂回轉和斗輪旋轉液壓驅動

1.1 懸臂和斗輪工作特點

在堆取料機實際工作運行過程中，主要通過斗輪旋轉和懸臂回轉實現取料作業。斗輪旋轉的轉速是恒定的，而取料流量直接取決于懸臂實際回轉速度。通常情況下，為了保障取料作業的安全性和生產效率，需要保證取料流量維持在恒定狀態。但是，實際作業中堆料形狀不一，斗輪實際切入點不確定，且需防止悶斗、過載等情況發生，需要頻繁調整懸臂實際回轉速度，還要對斗輪驅動進行嚴格要求，以免發生悶斗或者過載問題。在多臺取料機處于同時作業情況下，懸臂必須具備良好的剎車功能以防止發生碰撞。而液壓馬達作為斗輪和懸臂的執行元件，對其控制需要具備良好的低速平穩性。操作手柄具有良好的可控性，限制斗輪的實際扭矩，保障懸臂回轉相應速度具有靈活可調性。此外，懸臂回轉的剎車也要具有良好的控制性能。

1.2 原系統存在的問題

斗輪懸臂式堆取料機是散料堆取和輸送的重要設備。實際應用中，通常是多臺設備共同作業，且物料品種和物料量通常較大，不同物料之間粒度具有較大差異性。因此，驅動裝置相應負荷也會在作業中發生較大變化，這要求液壓元件具有非常高的耐沖擊性能。堆取料機原來的液壓系統設計上缺乏足夠的合理性，變量方式較為老舊，結構基本上都是早期研發元件，具有陳舊性，且結構較為復雜，性能參數和可靠性較低，備件的組織也具有較大難度。相應設備在實際作業中故障率非常高，需要花費大量精力對其進行維護。多臺設備同時作業期間，經常出現控制系統失靈、轉臂和斗輪速度不穩、啟動轉速慢或者由于轉矩過小發生悶斗等情況。基于此，有必要對原來的液壓系統實現改造，以提升系統可控性、穩定性以及可靠性。

2 變排量容積控制液壓系統

2.1 系統原理

基于合理性設計和節能設計，閉式回路的變排量容積控制液壓系統是新系統設計的首選。為了達到驅動特性要求，系統應選擇變量泵-定量馬達方案，也就是在壓力的最大給定條件下，確保馬達駁斥恒定扭矩輸出，且和轉速不發生聯系。馬達的實際轉向和轉速取決于變量泵，馬達自身最大轉速取決于泵的實際排量。同時，要確保雙向變量泵組成的相應閉式回路包括的功能有：能夠伺服變量油源，并能夠對液壓泵其單向或者雙向變量實現控制，能夠全面對液壓馬達轉向要求和變速要求實現控制和滿足；為了保障吸油壓力保持穩定，需要其具備向二邊管道補油的功能；需要具備壓力補償功能和雙向高壓超載溢流保護功能，以免出現閉路回路過載或者高載；設置油冷卻循環閥和相應的背壓閥，以保持閉式回路可以長期穩定運行；要設置穩定并盡量小的相應零位死區，確保油泵在零位的時候保持流量的最小輸出，確保液壓馬達處于停轉狀態，并同時最大程度地縮小液壓泵損失功率[1]。基于此，設計的堆取料機懸臂和斗輪的液壓系統原理圖如圖1所示。

圖1 堆取料機懸臂和斗輪液壓系統原理圖

2.2 系統設計

設計的堆取料機相應輸送能力為5000t/h，斗輪轉速為10r/min，最大扭矩為7.45N·m，懸臂角速度范圍為0～0.00425rad/s，最大扭矩為3346kN·m，液壓馬達相應排量為Vm=300mL/r。

結合設計中選擇泵組的實際要求，將系統的補油壓力設置為2.8MPa。基于此，液壓馬達達到最大驅動扭矩時，系統的壓力為：

結合泵的最大輸出流量、斗輪回路以及懸臂回路需求，選擇德國生產的電液比例伺服控制雙向變量柱塞泵[2]。

在低壓全流量的時候，在斗輪回路恒功率控制參數和恒功率起始點當中，泵進出口實際壓差為9.64MPa，恒功率的終止點相應泵壓差是10.47MPa，此時泵排量是258mL/r。

雖然閉式液壓系統回路具有非常高的工作效率，且噪聲相對較低，但是依舊需要對其散熱問題加以解決。結合系統發熱功率，系統設計當中利用更油和補油回路來交換系統當中的熱油，并利用風冷卻器20來冷卻油箱中的油液。

3 性能與特點

3.1 動力穩定性

新設計的系統主要借助壓力補償裝置保護超載，也就是通過壓力補償閥促使泵排量盡量減少，并以此實現對系統的限壓保護，以防止高壓溢流出現，有效降低系統發熱。這樣的設計使系統即便處于惡劣工況條件下，也能保持長期且穩定的運轉，滿足了設備在取料過程中負荷發生較大變化的實際工況需求。

3.2 速度平穩性

懸臂運動中，在速度保持持續變化的時候，基于可控性要求，需要其具有制動性能和加速性能。開式系統中，平衡閥對回油側相應高壓容腔實現鎖定。因為容腔相對較小，此時可以輕易建立壓力，油箱和馬達的吸油油路保持相互連通，同時配置了補油系統，所以不會有強烈的吸空現象和壓力振蕩發生[3]。但是，在閉式回路中，馬達至泵之間相應管道包含在高壓側容腔內。由于壓力而出現的容積具有較大變化，此時馬達會存在出現短時失速的可能性，進而導致出現強烈的吸空現象和壓力振蕩。

在新設計的系統當中，因為主泵相應伺服變量執行器屬于葉片腔組成的較為特殊的伺服變量機構，控制功能具有高度可靠性，能夠瞬時快速地輸入指令。此外，控制閥流出的多余流量會直接流入補油通道中，使泵處于控制狀態時避免發生補油瞬時失壓問題。同時，在高壓和低轉速時，因為馬達殼體其泄油口和泵處于連接狀態，所以只要沒有充足的補油流量，殼體實際泄漏直接當做補油來使用。上述內容將有效保障系統具有速度平穩性。

3.3 比例變量控制技術

在堆取料機液壓系統中，利用比例變量控制技術能夠有效借助其強大的抗干擾性和高精度控制能力，具有受控方式較為靈活且重復性較好的特點，全面消除轉臂速度存在的不穩定操控，實現對轉臂速度的無級控制。

4 仿真分析

在閉式液壓系統設計中，為了全面保障系統在實際工作中具有高度安全性和穩定性，且具備良好的微動性能、可快速反應等特點，不僅需要進行靜態特性設計，還需要綜合考慮控制方法和動態特性。在實際控制速度過程中，懸臂回路常會出現速度不穩和啟動滯后的問題，因此系統在速度的穩定性方面還有待加強。基于此，通過計算機仿真工具科學分析懸臂回路實際速度控制，并通過優化方法再次對液壓系統實現優化設計，改善系統各種動態響應曲線和動態參數，促使系統更具合理性。借助建模假設和數學模型相關結果，利用Matlab/Simulink仿真軟件，最終建立系統仿真模型[4]。將控制電流設置為325mA和250mA，獲得懸臂轉速實際動態響應曲線如圖2所示。

圖2 懸臂轉速動態響應曲線

分析結果表明，兩者相應時間都保持小于10ms，且系統能夠在100ms內實現穩定運行，證明該系統具有較強的穩定性；系統超調量保持在30%～35%內，屬于偏大。在對控制電流進行大小改變時，系統輸出相應穩態值出現較大變化，系統動態性能相關指標沒有發生較大變化，則證明設計的系統重復性和穩定性都表現較好。

5 結 語

隨著堆取料機相關應用行業近年來的迅速發展，現代生產節奏和技術不斷提高，對堆取料機的自動化作業和可靠性、可控性提出了更高要求。堆取料機原來的液壓系統具有一定的不合理性，基于此，將變排量容積控制方式應用在堆取料機液壓系統中，有效提升了系統運行的穩定性、可控性以及可靠性。

[1] 于勝闖，吳春生.懸臂式斗輪堆取料機俯仰液壓系統故障分析[J].工程技術，2016，（7）：278.

[2] 劉偉江.堆取料機俯仰液壓系統油溫過高原因及解決措施[J].科技創新與應用，2017，（10）：120.

[3] 牛春寶.基于電氣自動化控制技術的港口堆取料機關鍵技術研究[J].信息系統工程，2016，（11）：91.

[4] 韓孝光，韓春艷.門式斗輪堆取料機起升機構液壓系統節能探討[J].內燃機與配件，2017，（8）：68-69.