截割部升降油缸負(fù)載口獨(dú)立控制研究

關(guān)鋒,季清華

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，山西長治 046011；2.浙江大學(xué)濱海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，天津 300000)

0 前言

傳統(tǒng)礦用掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用插裝式平衡閥作油缸出油側(cè)壓力支撐，以EBZ120型掘進(jìn)機(jī)為例，插裝式平衡閥被用于控制掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸、鏟板升降油缸和后支持油缸動(dòng)作。平衡閥作壓力支撐是造成油缸存在爬行、抖動(dòng)現(xiàn)象的主要原因之一[1-3]。文中采用負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)對截割部升降油缸進(jìn)行控制,通過增加控制自由度，實(shí)現(xiàn)油缸壓力、速度獨(dú)立控制。

負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)是利用雙閥芯或多閥芯控制，解除了油缸兩腔之間的聯(lián)動(dòng)控制[4-5]，實(shí)現(xiàn)油缸兩腔單獨(dú)壓力流量復(fù)合控制。國內(nèi)眾多研究人員對應(yīng)用在各類液壓設(shè)備上的負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)做了研究，其中，牛善帥等[6]提出了一種基于負(fù)載口獨(dú)立控制的雙伺服閥控缸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以位置跟蹤為目標(biāo)的進(jìn)油口控制器和以壓力控制為目標(biāo)的回油口控制器；陳曉波等[7]針對裝載機(jī)動(dòng)臂缸舉升工況，提出了與工況匹配的負(fù)載口獨(dú)立控制策略，實(shí)現(xiàn)壓力流量復(fù)合控制；曹曉明等[8]在多級壓力源切換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)提出了兩級壓力源切換負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)在控制和節(jié)能方面的可行性；劉凱磊等[9]設(shè)計(jì)了基于負(fù)載口獨(dú)立控制的大型液壓機(jī)調(diào)平控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁的自動(dòng)調(diào)平控制及兩對角液壓缸輸出力獨(dú)立控制。

本文作者提出的掘進(jìn)機(jī)截割部油缸控制系統(tǒng)采用電比例直驅(qū)的負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)，利用比例流量閥代替三位六通換向閥和平衡閥，可有效控制油缸速度、降低支撐壓力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，并提出油缸在不同工況下的獨(dú)立控制策略。

1 負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸由平衡閥做油缸支撐閥，油缸兩腔均設(shè)有平衡閥，由手動(dòng)三位六通換向閥控制油缸伸出縮回動(dòng)作和油缸運(yùn)行速度，液壓原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸液壓系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the lifting cylinder hydraulic system of cutting part in traditional roadheader

根據(jù)傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸液壓原理，設(shè)計(jì)的截割部升降油缸負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，液壓系統(tǒng)主要由4個(gè)兩位三通閥比例流量閥、1個(gè)雙液控單向閥、2個(gè)安全閥和1個(gè)電磁溢流閥組成，可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)全電控。

圖2 負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of the hydraulic system with independent metering control

掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸的兩腔分別由2組比例流量閥控制進(jìn)出油液，以油缸無桿腔側(cè)為例，由比例流量閥1控制其進(jìn)油，比例流量閥2控制其出油。液壓系統(tǒng)選用2個(gè)比例流量閥分別控制其進(jìn)出油是因?yàn)楸壤髁块y只有油液從其P口流向A口時(shí)，閥流量與控制指令才成正比。雙液控單向閥5用來確保油缸能夠在任意位置鎖死；溢流閥6用于實(shí)現(xiàn)油缸的超壓保護(hù)；電磁溢流閥9用于實(shí)現(xiàn)主泵在油缸無動(dòng)作時(shí)的卸荷空循環(huán)。

為實(shí)現(xiàn)負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)全電控，在油缸上安裝有位移傳感器，實(shí)時(shí)檢測油缸運(yùn)行速度及位置，通過速度位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)升降油缸的速度和位置精確控制；在控制閥塊上安裝有壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測油缸有桿腔、無桿腔壓力，泵出口壓力，通過壓力閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)升降油缸的節(jié)能控制和抗干擾控制。

2 負(fù)載口獨(dú)立控制策略研究

2.1 截割部升降油缸工況分析

掘進(jìn)機(jī)截割部外形如圖3所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照工作模式可以分為阻抗縮回、超越縮回、超越伸出、阻抗伸出4種工作模式[10]，按照截割臂與水平角度α是否大于0°，對掘進(jìn)機(jī)截割部進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割部外形Fig.3 The roadheader shape of cutting part

圖4 截割部受力分析示意Fig.4 Force analysis of cutting part： (a)α>0°；(b)α<0°

通過受力分析，得出升降油缸受到的總負(fù)載力為

(1)

(2)

式中：G為截割部重力；F為升降油缸總負(fù)載力；α為截割臂與水平面夾角；β為升降油缸與水平面夾角。

通過公式可知，升降油缸在伸出和縮回過程中，所受到的負(fù)載力方向是一致的，升降油缸在超越縮回和阻抗伸出2種工作狀態(tài)下不斷切換。

2.2 負(fù)載口獨(dú)立控制策略

截割部升降油缸運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是油缸的速度控制，為實(shí)現(xiàn)油缸負(fù)載口獨(dú)立控制時(shí)的節(jié)能效果，做以下控制策略[11-13]，控制策略如圖5所示。

(1)根據(jù)控制指令，識別升降油缸伸出或縮回工作狀態(tài)，并根據(jù)工作狀態(tài)自動(dòng)匹配控制策略；

(2)升降油缸兩腔各由一組比例閥控制，每組比例閥由1個(gè)雙線比例控制器實(shí)現(xiàn)2個(gè)比例閥單獨(dú)控制，每個(gè)比例閥都有一套單獨(dú)的PID控制算法實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)或速度閉環(huán)控制；

(3)截割部升降油缸在伸出時(shí)為阻抗伸出工作狀態(tài)，比例閥1和比例閥4參與控制，其中比例閥1實(shí)現(xiàn)油缸無桿腔進(jìn)油速度閉環(huán)控制，比例閥4實(shí)現(xiàn)油缸有桿腔低壓閉環(huán)控制；

(4)截割部升降油缸在縮回時(shí)為超越縮回工作狀態(tài)，比例閥2和比例閥3參與控制，其中比例閥3實(shí)現(xiàn)油缸有桿腔低壓閉環(huán)控制，比例閥2實(shí)現(xiàn)油缸無桿腔出油速度閉環(huán)控制。

3 負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)仿真

3.1 負(fù)載口獨(dú)立控制仿真模型搭建

根據(jù)負(fù)載口獨(dú)立控制液壓原理圖，搭建基于AMESim+MATLAB軟件的聯(lián)合仿真模型。其中，負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)由AMESim軟件標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫搭建，為簡化模型，將截割部2套升降油缸按尺寸換算成1套油缸，并根據(jù)油缸尺寸及液壓元件選型設(shè)置仿真模型參數(shù)，仿真模型如圖6所示；截割部機(jī)械結(jié)構(gòu)由AMESim軟件平面機(jī)械庫搭建，油缸負(fù)載由截割部自重模擬，仿真模型如圖7所示；負(fù)載口獨(dú)立控制策略在MATLAB-Simulink中搭建，仿真模型如圖8所示。通過聯(lián)合仿真，驗(yàn)證負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)及控制策略的有效性。

圖6 機(jī)械-液壓-電控系統(tǒng)AMESim仿真模型Fig.6 The AMESim simulation model of mechanical- hydraulic-electronic control system

圖7 截割部機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模型Fig.7 Simulation model of mechanical structure of cutting part

圖8 MATLAB-Simulink仿真模型Fig.8 MATLAB-Simulink simulation model

3.2 升降油缸階躍控制仿真

首先對截割部抬起過程進(jìn)行仿真分析，升降油缸在伸出時(shí)為阻抗伸出工作狀態(tài)，油缸無桿腔為進(jìn)油速度控制，截割部油缸伸出速度從0 m/s開始階躍至0.02 m/s，2 s后速度再階躍至0.03 m/s，4 s后速度再階躍至0.04 m/s，6 s后速度再階躍至0.02 m/s。整個(gè)仿真過程為8 s；油缸有桿腔為壓力閉環(huán)控制，設(shè)定整個(gè)仿真過程油缸有桿腔壓力為3 MPa。通過仿真得到升降油缸伸出速度曲線如圖9所示，兩腔壓力曲線如圖10所示。

圖9 截割部升降油缸伸出速度曲線Fig.9 Lifting cylinder cutting part extension speed curves

圖10 截割部升降油缸兩腔壓力曲線Fig.10 Two-chamber pressure curves of the lifting cylinder cutting part

通過圖9可知：油缸速度在每次控制指令發(fā)生階躍變化時(shí)，都能夠快速響應(yīng)，產(chǎn)生10%～20%的超調(diào)量，并在1 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，速度控制效果良好。通過圖10可知：在油缸伸出過程中，油缸無桿腔壓力隨著截割部位置變化而變化，油缸有桿腔壓力除油缸速度發(fā)生階躍變化時(shí)存在波動(dòng)之外，可以在1 s內(nèi)穩(wěn)定控制在目標(biāo)壓力3 MPa，低壓控制效果良好，可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

對截割部落下過程進(jìn)行仿真分析，升降油缸在縮回時(shí)為超越縮回工作狀態(tài)，油缸無桿腔為進(jìn)油速度控制，油缸縮回速度從第4 s開始由0 m/s階躍至0.02 m/s，2 s后速度再階躍至0.03 m/s，4 s后速度再階躍至0.04 m/s，6 s速度再階躍至0.02 m/s，整個(gè)仿真過程為12 s。油缸有桿腔為壓力閉環(huán)控制，設(shè)定整個(gè)仿真過程油缸有桿腔壓力為1 MPa。通過仿真得到升降油缸縮回速度曲線如圖11所示，兩腔壓力曲線如圖12所示。

圖11 截割部升降油缸縮回速度曲線Fig.11 Retraction velocity curves of the lifting cylinder cutting part

圖12 截割部升降油缸兩腔壓力曲線Fig.12 Two-chamber pressure curves of the lifting cylinder cutting part

前4 s為升降油缸在截割部自重條件下緩慢達(dá)到平衡狀態(tài)，控制過程從4 s之后開始。通過仿真曲線可知：油缸速度在每次控制指令發(fā)生階躍變化時(shí)，都能夠快速響應(yīng)且無速度超調(diào)，并在1 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，速度控制效果良好；在油缸縮回過程中，油缸無桿腔壓力隨著截割部位置變化而變化，油缸有桿腔壓力除油缸速度發(fā)生階躍變化時(shí)存在波動(dòng)之外，可以在1 s內(nèi)穩(wěn)定控制在目標(biāo)壓力1 MPa，低壓控制效果良好，可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

3.3 升降油缸正弦控制仿真

掘進(jìn)機(jī)截割部升降控制由操作人員通過手柄控制實(shí)現(xiàn)，為研究負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟隨性能，首先對升降油缸伸出過程仿真分析，設(shè)置油缸伸出時(shí)目標(biāo)速度為正弦曲線，均值為0.03 m/s，幅值為0.015 m/s,頻率分別為1、2、3、4 Hz，研究升降油缸速度跟隨情況，如圖13所示。

圖13 油缸伸出時(shí)不同頻率正弦速度跟蹤仿真Fig.13 Sinusoidal velocity tracking simulation of different frequencies when the cylinder is extended:(a) f= 1 Hz; (b)f=2 Hz; (c)f=3 Hz; (d)f=4 Hz

由于油缸無桿腔壓力初值為0 MPa,仿真啟動(dòng)時(shí)，升降油缸在截割部自重條件下產(chǎn)生速度壓力振蕩，此階段不作分析。通過仿真可知：升降油缸伸出速度在3 Hz及以下頻率變化時(shí)能夠跟隨上目標(biāo)速度的變化，伸出速度在4 Hz及以上頻率變化時(shí)不能很好地跟蹤上目標(biāo)速度。

對升降油缸落下過程仿真分析，設(shè)置油缸伸出時(shí)目標(biāo)速度為正弦曲線，均值為0.03 m/s，幅值為0.015 m/s,頻率分別為1、2、3、4、5 Hz，研究升降油缸速度跟隨情況，如圖14所示。

圖14 油缸縮回時(shí)不同頻率正弦速度跟蹤仿真Fig.14 Sinusoidal velocity tracking simulation at different frequencies when the cylinder is retracted: (a) f=1 Hz; (b)f=2 Hz; (c)f=3 Hz; (d)f=4 Hz; (e)f=5 Hz

在前1 s內(nèi)的仿真結(jié)果不作分析。通過仿真可知：升降油缸縮回速度在4 Hz及以下變化頻率時(shí)能夠跟隨上目標(biāo)速度的變化，縮回速度在5 Hz及以上變化頻率時(shí)不能很好地跟蹤上目標(biāo)速度。

3.4 升降油缸不同工況切換控制仿真

截割部升降油缸在運(yùn)動(dòng)過程中，不可避免地需要在伸出和縮回動(dòng)作之間切換。由上述可知，截割部升降油缸在伸出和縮回時(shí)的控制策略不同。為研究負(fù)載口獨(dú)立控制能否滿足升降油缸在工況發(fā)生變化時(shí)的快速響應(yīng)要求，按照表1所示的工況切換模式對升降油缸進(jìn)行仿真,油缸在2種工作狀態(tài)切換時(shí)采用階躍方式。

表1 油缸不同工況切換控制

通過仿真得到升降油缸速度曲線如圖15所示，油缸兩腔壓力曲線如圖16、圖17所示。

圖15 升降油缸不同工況下速度控制曲線Fig.15 Speed control curves of the lifting cylinder under different working conditions

圖16 升降油缸不同工況下有桿腔壓力曲線Fig.16 Rod end chamber pressure curves under diffe- rent working conditions of lifting cylinder

圖17 升降油缸不同工況下無桿腔壓力曲線Fig.17 Non-rod end chamber pressure curve under dif- ferent working conditions of lifting cylinder

由圖15可知：通過速度閉環(huán)控制，油缸在工作狀態(tài)發(fā)生階躍變化時(shí)，能夠在0.5 s內(nèi)跟蹤上目標(biāo)速度，且穩(wěn)定性較好。由圖16可知：通過壓力閉環(huán)控制，有桿腔壓力能夠很快地跟蹤上目標(biāo)壓力，但在油缸工作狀態(tài)發(fā)生階躍變化時(shí)，壓力存在較大波動(dòng)，除切換點(diǎn)外，壓力穩(wěn)定性較好。由圖17可知:油缸無桿腔在工作狀態(tài)發(fā)生階躍變化時(shí)存在較大壓力波動(dòng)，除切換點(diǎn)之外，無桿腔壓力能夠根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整背壓，保證油缸穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。因此，采用負(fù)載口獨(dú)立控制能夠滿足升降油缸在不同工況切換時(shí)的穩(wěn)定控制。

4 結(jié)論

文中介紹了掘進(jìn)機(jī)截割部升降油缸負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過對截割部受力分析，得出升降油缸的2種工作狀態(tài)，并基于工作狀態(tài)提出了對應(yīng)的獨(dú)立控制策略?；贏MESim軟件和MATLAB軟件搭建了截割部機(jī)械-液壓-控制策略聯(lián)合仿真模型，通過對升降油缸伸出和縮回過程的階躍控制仿真、正弦控制仿真以及不同工況切換控制仿真，驗(yàn)證了升降油缸負(fù)載口獨(dú)立控制液壓系統(tǒng)及控制策略的有效性，為負(fù)載口獨(dú)立控制器算法編寫提供依據(jù)。