地下管道挖掘機(jī)刀盤調(diào)速系統(tǒng)

陳延偉， 徐中尉， 劉小勇， 王 暉，董 巖， 侯禹光， 黃思聰

(長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

刀盤機(jī)構(gòu)是地下管道挖掘機(jī)的核心組成部件之一。由于其直接與被切削土體接觸，也是設(shè)備中能耗最大、工況條件最為復(fù)雜的一個(gè)機(jī)構(gòu)。受到工作環(huán)境、大負(fù)載、內(nèi)部空間狹窄等限制，普通機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式難以勝任。液壓系統(tǒng)具有調(diào)速便捷、扭矩大、動(dòng)力布局靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，因此刀盤機(jī)構(gòu)通常采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀盤機(jī)構(gòu)作業(yè)過程中受到土體質(zhì)地、進(jìn)給量、其他輔助機(jī)構(gòu)負(fù)載變化等影響，刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)。調(diào)速偏差過大，尤其是當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速陡降時(shí)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致劇烈的負(fù)載波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使刀盤發(fā)生過載損壞或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象[1]。

因此,文中以變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵調(diào)速液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償泄漏的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)意在進(jìn)一步提高泵變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)的調(diào)速精度和平穩(wěn)性，使因負(fù)載波動(dòng)引起的調(diào)速誤差得到抑制，提高挖掘機(jī)的工作壽命，降低故障率。文中完成了控制方案的設(shè)計(jì)，以實(shí)際作業(yè)環(huán)境為依據(jù)，在AMESim軟件中分別對(duì)開閉環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，并對(duì)比分析了仿真結(jié)果，為該挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。

1 泵變頻刀盤調(diào)速液壓系統(tǒng)的工作原理

在液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中,泵變頻調(diào)速是利用定量泵的輸出流量近似正比于轉(zhuǎn)速的原理，通過電壓補(bǔ)償?shù)膲侯l控制，使電機(jī)改變轉(zhuǎn)速的同時(shí)保持功率不變，從而實(shí)現(xiàn)定量泵的輸出流量調(diào)節(jié)[2-3]。相比于閥控調(diào)速、變量泵調(diào)速而言，泵變調(diào)速具有流量、壓力損失小,負(fù)載波動(dòng)低,工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。根據(jù)液壓系統(tǒng)及設(shè)備本身各項(xiàng)參數(shù),選用了液壓馬達(dá)、減速器、定量泵等系統(tǒng)原件，各項(xiàng)參數(shù)分別見表1～表3。

表1 液壓馬達(dá)參數(shù)

表2 馬達(dá)減速器參數(shù)

表3 定量泵參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)泵變頻調(diào)速刀盤液壓系統(tǒng)回路，如圖1所示。

1.變頻電機(jī); 2.定量泵; 3.溢流閥; 4.流量計(jì); 5.換向閥;6.壓差計(jì); 7.液壓馬達(dá); 8.轉(zhuǎn)速傳感器; 9.轉(zhuǎn)矩傳感器

工控機(jī)為系統(tǒng)主控制單元，通過對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速、扭矩、流量和壓力信號(hào)的采集處理，自動(dòng)或者人工在線控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速[5-6]。

2 刀盤轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方案的模型建立

液壓泵的泄漏表達(dá)式為[8]：

(1)

液壓馬達(dá)的泄漏表達(dá)式為[8]：

(2)

式中：Csp----液壓泵無因次層流泄漏系數(shù)，Csp=5.175×10-9;

Csm----液壓馬達(dá)無因次層流泄漏系數(shù)，Csm=3.25×10-9；

pp、pm----液壓泵、液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差(Pa)，在本研究中忽略沿程阻力的影響，設(shè)pp=pm=p，p為系統(tǒng)壓力；

Vp----液壓泵每轉(zhuǎn)的排量;

Vmi----液壓馬達(dá)公轉(zhuǎn)的排量；

μ----液壓油的動(dòng)力粘度,Pa·s。

根據(jù)式(1)和式(2)及液壓泵與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速公式,推出泵變頻轉(zhuǎn)速刀盤液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速公式：

(3)

式中：nms----液壓馬達(dá)主軸每秒的轉(zhuǎn)速,r/s;

nps----液壓泵主軸每秒的轉(zhuǎn)速，r/s。

將式(1)和式(2)代入式(3)變形，使液壓泵的轉(zhuǎn)速為因變量，得如下公式：

(4)

式中:np----液壓泵的轉(zhuǎn)速，r/min;

nm----液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；

i----馬達(dá)傳動(dòng)比。

文中使用擺線液壓馬達(dá)，該馬達(dá)屬于內(nèi)嚙合齒輪馬達(dá)，此款馬達(dá)的傳動(dòng)方式與擺線少齒差減速器類似，以轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)作為輸出，自轉(zhuǎn)為經(jīng)過減速器公轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nmi為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nm的i倍，公轉(zhuǎn)排量Vmi為自轉(zhuǎn)排量Vm的1/i倍)，令：

代入式(4)整理后得：

np=k1nm+k2(pp+pm)

(5)

式中：k1，k2----均為常數(shù)，由液壓馬達(dá)與液壓泵相關(guān)參數(shù)確定；

nm----刀盤轉(zhuǎn)速，可通過刀盤轉(zhuǎn)速傳感器采集；

pp----液壓泵進(jìn)出口壓差，可由壓力傳感器采集；

pm----液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差，可由壓差計(jì)采集。

泵變頻調(diào)速的泄漏補(bǔ)償?shù)侗P恒轉(zhuǎn)速閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)原理如圖2所示[9]。

圖2 基于泄漏補(bǔ)償?shù)牡侗P轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

由上述公式可知，系統(tǒng)壓力可以影響液壓泵和馬達(dá)的泄漏量，故在液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，刀盤馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速主要受系統(tǒng)壓力的影響。但是，這種影響可以在局部線性化表示(如式(5))，通過增加液壓泵主軸轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償泄漏，再以刀盤轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)反饋信號(hào)對(duì)輸出流量實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，即在負(fù)載波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

3 泵變頻調(diào)速刀盤液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制的仿真

文中液壓系統(tǒng)的仿真采用AMESim軟件，該軟件是法國IMAGINE公司于1995年推出的一款多學(xué)科建模、仿真分析軟件。為使仿真結(jié)果更加真實(shí)，模型中引入了進(jìn)給系統(tǒng)環(huán)節(jié)，可減小進(jìn)給速度對(duì)負(fù)載的影響；同時(shí)在液壓泵和馬達(dá)處各并聯(lián)一個(gè)節(jié)流閥模擬內(nèi)泄[3-4]。仿真主要用來驗(yàn)證變負(fù)載條件下刀盤轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方案的可行性，故可以簡化部分模型，不考慮液壓泵和馬達(dá)機(jī)械損失，在變負(fù)載條件下分別對(duì)開環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案和泄漏補(bǔ)償方案進(jìn)行仿真[6-7,10]。采用1part_rot_friction_new和sinewave模塊將刀盤負(fù)載控制在1.5～2.5 kN·m之間，以2 Hz的頻率按正弦規(guī)律變化，振幅為0.5 kN·m；采用mean模塊處理壓力信號(hào)，防止液壓泵頻繁變速；本仿真模型使用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，工控機(jī)通過對(duì)系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)的處理，控制電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速[11]，仿真模型如圖3所示。

圖3 泵變轉(zhuǎn)速調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制的仿真模型

變負(fù)載條件下開環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案仿真結(jié)果如圖4所示。

閉環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案仿真結(jié)果如圖5所示[9，12]。

4 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)比兩種控制方案的仿真結(jié)果可知：開環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案刀盤轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定能力差，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)，且調(diào)速誤差大；在相同負(fù)載變化條件下,基于泄漏補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案能夠穩(wěn)定控制刀盤轉(zhuǎn)速，調(diào)速誤差小，速度穩(wěn)定時(shí)刀盤的轉(zhuǎn)速控制誤差維持在0.26 r/min以內(nèi)。當(dāng)被控轉(zhuǎn)速突變時(shí)(第3 s陡升和第6 s陡降)，刀盤轉(zhuǎn)速瞬間作出跟隨調(diào)整，發(fā)生了一定的負(fù)載和轉(zhuǎn)速波動(dòng)；在第9～10 s和第13～14 s的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)平穩(wěn)變化時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速并未發(fā)生明顯波動(dòng)，轉(zhuǎn)速和負(fù)載均過渡平穩(wěn)。

5 結(jié) 語

以泵變頻液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種基于泄漏補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)。使用AMESim軟件建立了系統(tǒng)仿真模型，并在模型加入了負(fù)載波動(dòng)環(huán)節(jié)。通過比較開環(huán)模型和泄露補(bǔ)償閉環(huán)模型的仿真結(jié)果表明，在相同負(fù)載波動(dòng)條件下，基于泄露補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)刀盤轉(zhuǎn)速控制方案可以在變負(fù)載下穩(wěn)定控制刀盤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制誤差維持在±0.25 r/min，切實(shí)提高了泵變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)的調(diào)速精度和平穩(wěn)性，抑制了因負(fù)載波動(dòng)引起的調(diào)速誤差。為該挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。