蔣 強(qiáng)

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230001)

液壓挖掘機(jī)由于其效率高，使用壽命長(zhǎng)，工作環(huán)境要求低，已成為使用最廣泛的工程機(jī)械設(shè)備之一，并在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要的作用.另外，由于液壓挖掘機(jī)的耗油較高，排放較差，逐漸成為節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的研究重點(diǎn).但是，大型礦用液壓采掘機(jī)動(dòng)臂質(zhì)量大，升降頻繁，在其運(yùn)行周期內(nèi)在下降過程中所釋放的重力勢(shì)能，通過熱量的形式流失到氣孔中，導(dǎo)致能量浪費(fèi)的同時(shí)使液壓系統(tǒng)油溫升高，降低了液壓元件的可靠性.因此，研究挖掘動(dòng)臂勢(shì)能能量回收的穩(wěn)定控制方法是一個(gè)迫切需要解決的問題.

文獻(xiàn)[1]研究了液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收與控制技術(shù)，該技術(shù)主要分析了新型勢(shì)能回收系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了針對(duì)該系統(tǒng)的控制策略和系統(tǒng)控制方法，建立了該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.文獻(xiàn)[2]研究了液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂勢(shì)能回收利用方法，主要分析了重力勢(shì)能回收和再利用過程能量的轉(zhuǎn)換方式與傳遞路徑，并以此為基礎(chǔ)對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收進(jìn)行穩(wěn)定控制.但是上述控制方法存在控制效果差的問題，為此本文提出礦用單斗液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收穩(wěn)定控制方法.

1 平衡負(fù)載波動(dòng)

采用液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)，使動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)可以同時(shí)在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)下工作，通過減速器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速[3].當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與外部轉(zhuǎn)速之間的差值與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度之比定義為滑差率S，則

(1)

式中：ns為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度；no為電動(dòng)機(jī)外部轉(zhuǎn)速.

當(dāng)電動(dòng)機(jī)滑差率為S時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩為

(2)

式中：Tm為挖掘機(jī)電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Sm為電動(dòng)機(jī)臨界滑差率.

在挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收穩(wěn)定控制中，利用電動(dòng)機(jī)平衡負(fù)載波動(dòng)，改變電動(dòng)機(jī)輸出或吸收的轉(zhuǎn)矩.

2 確定勢(shì)能回收壓力控制目標(biāo)

依據(jù)挖掘機(jī)動(dòng)臂空載和重載，分別采用上、下腔壓力控制，根據(jù)負(fù)載變化和壓力波動(dòng)之間的關(guān)系，得到回收穩(wěn)定控制目標(biāo).

在確定回收穩(wěn)定控制目標(biāo)過程中，可以將上腔壓力控制在一個(gè)很低的正數(shù)上，而下腔壓力則始終保持不變[4].實(shí)際上，即使控制的上腔壓力非常穩(wěn)定，挖掘機(jī)動(dòng)臂回收中仍會(huì)有波動(dòng).為了確保在降低吊臂時(shí)，系統(tǒng)的原始工作性能保持不變，即利用操作手柄控制的液壓輸出流量確定下降速度，液壓位置下腔壓力始終與自重負(fù)荷相匹配[5-6].為實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓增壓的控制，提出了一種綜合控制方案，其目的是控制液壓包上腔壓力，使壓力盡量保持在非負(fù)值，從而進(jìn)一步提高控制效果.液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂上升過程如圖1所示.

圖1 液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂上升過程

為保證挖掘機(jī)機(jī)械臂的穩(wěn)定運(yùn)行，控制目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列條件：

1) 液壓缸上、下腔壓力不為負(fù)數(shù).若壓強(qiáng)為負(fù)數(shù)或過小，氣穴就會(huì)形成，引起噪聲及其他不良影響；

當(dāng)電池工作時(shí)，外電路中的電子不再是自由電子，而是承擔(dān)著輸送電荷的“重任”，只有在停止工作時(shí)，才能恢復(fù)其自由狀態(tài)，內(nèi)電路無(wú)電子通過，靠離子的定向移動(dòng)形成了內(nèi)電流。綜上分析可總結(jié)出原電池的構(gòu)成要素：1.電極材料（正極和負(fù)極）；2.電解質(zhì)溶液或熔融狀態(tài)離子化合物；3.自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)；4.內(nèi)外電路必須閉合（外電路用導(dǎo)線或用電器連接，內(nèi)電路用鹽橋溝通）。

2) 吊臂的加速度和下降速度取決于流入液壓缸的流量[7]，即工作液壓缸的輸出流量大小決定液壓缸的自重負(fù)荷.

基于上述分析，忽略內(nèi)泄漏與粘性、彈性阻力的影響，提出上腔壓力控制方案，其表達(dá)式為

p1A1=p2A2+(Fp-mp)，

(3)

式中：Fp為外力負(fù)載參數(shù)；mp為彈性系數(shù)；p2為上腔壓力值；p1為下腔壓力值；A1、A2分別為動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的活塞面積.

由于液壓缸內(nèi)泄漏遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)流量，忽略內(nèi)泄漏的影響[8]，同樣，忽略彈性阻力和非彈性阻力，得到下腔壓力控制方案，即

(4)

基于上述計(jì)算，完成動(dòng)臂勢(shì)能回收壓力控制目標(biāo)確定.

3 勢(shì)能回收穩(wěn)定控制實(shí)現(xiàn)

通過確定上述懸臂勢(shì)能回收的壓力控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)液壓挖掘式懸臂勢(shì)能回收的穩(wěn)定控制，主要關(guān)注控制動(dòng)臂的下降速度.傳統(tǒng)的液壓挖掘機(jī)的節(jié)流閥主要控制液壓缸的速度，同時(shí)節(jié)流閥也會(huì)產(chǎn)生能量消耗，這一節(jié)能系統(tǒng)并非最佳[9].因此從保證吊臂平穩(wěn)下降的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一套具有良好節(jié)能效果的吊臂勢(shì)能回收控制方法.

在此基礎(chǔ)上，提出了液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收系統(tǒng)穩(wěn)定控制的最終設(shè)計(jì)目標(biāo).設(shè)計(jì)符合挖掘機(jī)實(shí)際工況下液壓系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)，用合理的方法減小動(dòng)臂，使液壓缸返回油腔后的能量及其他損失得到回收[10-11].另外，回收盡可能多的勢(shì)能，而不影響正常的工作性能，從而提高能量回收.通過速度反饋控制，保證吊臂下降速度的穩(wěn)定性，避免下降速度加速給系統(tǒng)帶來(lái)的剛性沖擊[12-14].首先對(duì)動(dòng)臂液壓缸進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，有

F+P2A2-A1P2-bcx′-Ff-Mx″=0，

(5)

式中：x′、x″為動(dòng)臂下降速度和加速度；F為動(dòng)臂外負(fù)載參數(shù)；bc為動(dòng)臂活動(dòng)過程中的粘性阻尼；Ff為動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)過程中所受的摩擦力；P1為斗桿勢(shì)能；P2為鏟斗勢(shì)能；M為桿件數(shù)量.

考慮到本研究是對(duì)于回收臂的穩(wěn)定控制效果，沒有考慮桿腔壓力對(duì)回收臂的影響[15].假定懸臂下降時(shí)僅受重力影響，建立力矩平衡方程，其表達(dá)式為

DmP1-Jω′-bmω-Tf-Tg=0，

(6)

式中：Tg為回收發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩；J為動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；bm為液壓馬達(dá)粘性阻尼系數(shù)；Tf為動(dòng)臂摩擦轉(zhuǎn)矩；Dm為阻臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為阻力臂長(zhǎng)；ω′為動(dòng)力臂長(zhǎng).

綜上所述，能夠控制動(dòng)臂下降速度，最后實(shí)現(xiàn)礦用單斗液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收穩(wěn)定控制，控制流程如圖2所示.

圖2 勢(shì)能回收穩(wěn)定控制流程

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文礦用單斗液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收穩(wěn)定控制方法的有效性，并保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將文獻(xiàn)[1]液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂勢(shì)能回收與控制技術(shù)研究方法、文獻(xiàn)[2]液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂勢(shì)能回收利用研究方法與本文研究方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比3種方法的控制效果.

此次試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，蓄能器是主要的能量存儲(chǔ)裝置，用于回收液壓挖掘臂下降時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能.電機(jī)利用分動(dòng)箱與2個(gè)馬達(dá)連接，2個(gè)固定馬達(dá)之間裝有轉(zhuǎn)矩速度傳感器，計(jì)量電動(dòng)機(jī)用液壓馬達(dá)軸系力矩與速度，并且每個(gè)油口處安裝流量與壓力測(cè)量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).試驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)參數(shù)

當(dāng)測(cè)試結(jié)束時(shí)，將獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Cmdshuju目錄下，該目錄含有當(dāng)前的可執(zhí)行文件，并將其自動(dòng)保存在“data. txt”的文本文件中.

由于液壓挖掘機(jī)的實(shí)際操作非常復(fù)雜，在動(dòng)臂的每個(gè)提升過程中都難以實(shí)際測(cè)量到鏟斗的負(fù)荷.所以，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，對(duì)鏟斗的空載(0 kg)、半載(250 kg)和滿載(500 kg)進(jìn)行了動(dòng)臂上升試驗(yàn)，以對(duì)比不同方法的控制效果.

油耗是對(duì)比動(dòng)臂勢(shì)能回收穩(wěn)定控制方法有效性的一個(gè)重要指標(biāo)，為更直觀顯示3種方法控制后的節(jié)能情況，將試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在1 650 r/min，通過油耗進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì).

4.1 空載

空載(0 kg)時(shí)，本文方法與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]方法的油耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 空載油耗試驗(yàn)對(duì)比曲線

由圖4可知：當(dāng)時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法的空載油耗為70 L/h；文獻(xiàn)[2]方法的空載油耗為77 L/h；本文方法的空載油耗僅為62 L/h.對(duì)比可知，相對(duì)于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，本文方法的油耗較少，這是因?yàn)樵摲椒刂坪竽軌蚴箘?dòng)臂穩(wěn)定地工作在高效區(qū)，從而降低了油耗.

4.2 半載(250 kg)

本文方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法在半載(250 kg)動(dòng)臂上升情況下油耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 半載(250 kg)油耗試驗(yàn)對(duì)比曲線

由圖5可知：在時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，3種方法控制后的油耗均有所提高.對(duì)比可知，相對(duì)于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，本文方法控制后的油耗較低.

4.3 滿載(500 kg)

本文方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法在滿載(500 kg)動(dòng)臂上升情況下油耗對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 滿載(500 kg)油耗試驗(yàn)對(duì)比曲線

由圖6可知，當(dāng)時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，本文方法的油耗相對(duì)于其他2種方法仍然較少.對(duì)比可知，相對(duì)于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，本文方法的油耗較少，具有較好的節(jié)能效果，證明了本文控制方法的有效性.

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦井單斗液壓采掘臂勢(shì)能回收的穩(wěn)定控制問題，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本文控制方法的有效性.該項(xiàng)研究?jī)H進(jìn)行了部分討論，仍有不足之處.在動(dòng)臂下降時(shí)，動(dòng)臂液壓缸上腔室壓力控制提前介入，使動(dòng)臂上背壓緩慢升高，對(duì)初期降速的影響更大.因此，在穩(wěn)定地控制動(dòng)臂液壓缸上腔壓力的同時(shí)，識(shí)別并判斷動(dòng)臂的下降狀態(tài)，從而提高動(dòng)臂下降過程的自適應(yīng)控制和動(dòng)態(tài)可持續(xù)性是未來(lái)動(dòng)臂能量回收控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn).