胡仕成，劉曉宏，王祥軍，楊貞柿

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083;2.高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083;3.湖南中鐵五新集團(tuán)，湖南長(zhǎng)沙410100)

0 引言

水平定向鉆能量消耗大，且作業(yè)過(guò)程中外界負(fù)載變化范圍大，因而存在著不少環(huán)節(jié)的功率損耗，水平定向鉆采用節(jié)能控制系統(tǒng)，不但能夠提高設(shè)備的工作效率，而且可以減少機(jī)器的裝機(jī)功率，因此不僅能降低成本，而且能提高整機(jī)的性能和使用可靠性.目前國(guó)內(nèi)主要研究其液壓系統(tǒng)方面［1-2］，直接針對(duì)水平定向鉆智能化節(jié)能控制的研究還很少，且大多僅限于局部功率匹配［3-4］，節(jié)能效果并不明顯，無(wú)法滿足水平定向鉆實(shí)用化節(jié)能控制的需要.

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者采用自適應(yīng)控制的理論、方法和技術(shù)對(duì)水平定向鉆作業(yè)時(shí)消耗的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使系統(tǒng)消耗的功率始終追隨發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率［5］，充分發(fā)揮機(jī)器的裝機(jī)功率，提高功率利用率及作業(yè)效率，降低功率損耗及機(jī)器的燃油消耗，達(dá)到節(jié)能的目的，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)水平定向鉆電子節(jié)能控制系統(tǒng).

1 發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵功率匹配特性

由于液壓泵直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連，所以二者之間的功率匹配關(guān)系為:

即泵的轉(zhuǎn)矩Mp(t)等于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Me(t)，同時(shí)泵的轉(zhuǎn)矩Mp(t)是與泵的排量qp(t)和壓力pp(t)成正比，有:

通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量qp(t)，使液壓泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mp(t)等于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Me(t)，則發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵功率達(dá)到匹配.

采用普通泵的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)功率匹配方案時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)超載掉速，設(shè)定泵的功率曲線必須低于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線，一般僅設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)的80% ～90% 左右.因此，設(shè)備不能充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能，造成設(shè)備裝機(jī)功率過(guò)大，功率浪費(fèi)嚴(yán)重.另外水平定向鉆上廣泛應(yīng)用的恒功率變量泵的功率曲線只有在理想情況下是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，實(shí)際的功率曲線則是由兩條折線近似來(lái)替代雙曲線，因此液壓泵的實(shí)際功率低于理論功率，從而導(dǎo)致功率損失.如圖1所示.

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出在設(shè)計(jì)功率匹配方案時(shí)，采用電控泵并將其功率曲線設(shè)定在發(fā)動(dòng)機(jī)的功率曲線之上，通過(guò)采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)功率匹配.轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制的原理是:通過(guò)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，設(shè)定工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較并計(jì)算出轉(zhuǎn)速偏差，根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，控制泵的排量，使泵的吸收功率始終追蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率匹配［6］.轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制使泵的P-Q特性是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，沒(méi)有普通恒功率泵的近似誤差，既可以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，又能夠有效避免發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載而熄火.其控制框圖如圖2所示.

2 水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)研究

水平定向鉆在作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率主要用于動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、推拉系統(tǒng)和泥漿供給系統(tǒng).泥漿供給系統(tǒng)消耗的功率恒定，且回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的80%左右，只要控制這兩部分系統(tǒng)使之能夠充分吸收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率，就能提高水平定向鉆作業(yè)生產(chǎn)率、提升能源利用率，達(dá)到節(jié)能的目的.在水平定向鉆的整個(gè)工作循環(huán)中，90%以上的時(shí)間是在進(jìn)行動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)和推拉動(dòng)作［7］，因此，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)采用“變量泵—變量馬達(dá)”的容積調(diào)速閉式回路，無(wú)溢流損失和節(jié)流損失，故效率高、發(fā)熱少，適用于這樣的高壓大流量、大功率設(shè)備的液壓系統(tǒng)［8］.

水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)是感知外界負(fù)載的變化而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和變量泵進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)，采用測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為其輸入信號(hào)，輸出控制電流調(diào)節(jié)電控泵排量.其作用原理是:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定模式下工作時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變量泵的排量來(lái)調(diào)整泵的吸收功率，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值.當(dāng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，將輸出控制信號(hào)合理地降低變量泵的排量使動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)速度和推拉速度減慢，從而降低回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨即升高，直至恢復(fù)到最佳狀態(tài)，反之則增加變量泵的排量，增加回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率.通過(guò)實(shí)時(shí)控制最終使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在設(shè)定的狀態(tài)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率可以被充分利用，維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，避免了因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)所導(dǎo)致的油耗增加.

3 水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平定向鉆作業(yè)工況復(fù)雜，為了適應(yīng)不同的作業(yè)工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)與作業(yè)工況功率相匹配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分工況節(jié)能控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率模式設(shè)定為以下4檔:

(1)動(dòng)力模式(D模式):追求水平定向鉆的最大生產(chǎn)效率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出全功率.

(2)經(jīng)濟(jì)模式(S模式):此模式重視節(jié)約燃油，最佳工作轉(zhuǎn)速設(shè)定在全功率時(shí)的85%.

(3)輕載模式(L模式):最佳工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為全功率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的70%.

(4)怠速模式(H模式):水平定向鉆此時(shí)不工作，用于暫停待命.

節(jié)能控制系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)作為油門執(zhí)行器來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的開度.表1為各個(gè)功率模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)采用Cumins公司生產(chǎn)的6LTAA8.9-C325型發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為2 200 r·min-1，對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為1 350 N·m，輸出功率為239 kW.

表1 各功率模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experimental results of each power mode

筆者研究的節(jié)能控制系統(tǒng)基于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，主要包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的控制和對(duì)電控泵排量的控制兩個(gè)方面.操作者依據(jù)對(duì)外界負(fù)載條件主觀的判斷，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率模式，控制器輸出相應(yīng)指令驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行器將油門拉至標(biāo)定位置.通過(guò)安裝在機(jī)器各個(gè)位置的多個(gè)相關(guān)的傳感器和按鈕，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率模式選擇、液壓系統(tǒng)工作壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等有用信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信息輸出給油門控制器、電磁比例閥等執(zhí)行元件，根據(jù)作業(yè)條件精確地控制動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及水平定向鉆作業(yè)速度與外界負(fù)載條件合理匹配，真正實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與負(fù)載需求的合理匹配，能量損失大幅減少.其主要組成部分如圖3所示.

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of power-saving control system

4 節(jié)能控制系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)

PID控制能滿足大多數(shù)工業(yè)對(duì)象的控制要求，而且 PID控制器本身包括內(nèi)在的解耦功能，能夠消除變量間的相互干涉［9］，所以控制系統(tǒng)選擇采用PID控制算法.

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即

將偏差的比例、微分和積分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:KP為比例數(shù);TL為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù).

為了驗(yàn)證節(jié)能控制方案的可行性，利用AMESim高級(jí)建模和仿真軟件對(duì)水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真.根據(jù)仿真的目的，對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化，省卻了行走系統(tǒng)回路及其它輔助回路;泥漿供給系統(tǒng)負(fù)載扭矩恒定，為318 N·m，用一個(gè)常量信號(hào)表示;發(fā)動(dòng)機(jī)模型用一個(gè)循環(huán)子模型模擬，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，預(yù)先建立發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩—轉(zhuǎn)速關(guān)系的ASCII數(shù)據(jù)文件，就能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨扭矩的變化關(guān)系;閉式泵選用理想的變量液壓泵模型并選用定量泵作為其補(bǔ)油泵，馬達(dá)選用理想的雙向定量馬達(dá)模型，均考慮了馬達(dá)的容積效率和機(jī)械效率;變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用傳遞函數(shù)的形式表示，選取AMES-im軟件的標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)中相應(yīng)的圖形模塊建立系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.

圖4 節(jié)能控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 The simulation model of energy-save control system

仿真時(shí)采用階躍信號(hào)來(lái)模擬動(dòng)力頭外負(fù)載的突變，設(shè)定第3 s動(dòng)力頭的推拉力由600 kN降至500 kN，第6 s其回轉(zhuǎn)扭矩由20 kN·m升至23 kN·m，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 200 r/min，仿真時(shí)間為10 s.仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 加載仿真結(jié)果圖Fig.5 The simulation results of load

從圖5可以看出，雖然外界負(fù)載突變引起液壓系統(tǒng)壓力突變，但是由于節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)揮其控制作用，及時(shí)地調(diào)節(jié)電控泵的排量，使液壓泵的負(fù)載扭矩之和維持在恒定值，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在±30 r/min范圍內(nèi)波動(dòng)變化不大，且能夠快速地恢復(fù)到設(shè)定值，維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，減少了因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的油耗增加.仿真結(jié)果表明，上述功率匹配方法理論上可行，且PID控制器表現(xiàn)出較好的控制效果.

為了驗(yàn)證實(shí)際控制效果，以五新重工生產(chǎn)的WX600型水平定向鉆為實(shí)驗(yàn)機(jī)，其中電控泵為薩奧90系列閉式泵，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定經(jīng)濟(jì)模式進(jìn)行測(cè)試，記錄推拉系統(tǒng)壓力、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況來(lái)反映控制系統(tǒng)的控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.可以看出，雖然外界負(fù)載變化劇烈，但由記錄的轉(zhuǎn)速曲線圖可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速雖有波動(dòng)，但都在系統(tǒng)控制的±50 r/min小范圍內(nèi)，控制效果比較理想，達(dá)到了預(yù)期的要求.同時(shí)與仿真結(jié)果相比，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)存在一個(gè)滯后，且調(diào)節(jié)時(shí)間比仿真時(shí)要長(zhǎng)，主要是因?yàn)榉抡鏁r(shí)建立的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速模型僅為其靜態(tài)模型，而實(shí)際中發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程.

圖6 加載實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig.6 The experiment curve of load

5 結(jié)論

(1)分析了現(xiàn)有水平定向鉆功率匹配的局限性，提出了將液壓泵的最大功率曲線設(shè)定在發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線之上，采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制的功率匹配方法，建立了水平定向鉆AMESim仿真模型，從仿真及試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此功率匹配方法有效可行，使水平定向鉆能合理的利用發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率.

(2)在仿真和實(shí)驗(yàn)中可以看出，雖然外界負(fù)載變化劇烈，但是發(fā)動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)均控制在±50 r/min小范圍內(nèi)，有效的穩(wěn)定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)導(dǎo)致的油耗增加，達(dá)到了預(yù)期的效果.

(3)這項(xiàng)研究對(duì)于設(shè)計(jì)水平定向鉆電子節(jié)能控制系統(tǒng)，在降低設(shè)備能耗，提高設(shè)備能源利用率，節(jié)約成本等方面具有重大的意義，同時(shí)也為類似的工程機(jī)械節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考.

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