王大衛(wèi), 丁海港,2, 弓智強(qiáng), 王云飛, 李亞龍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇徐州 221116; 2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建), 江蘇徐州 221116)

引言

我國工程機(jī)械整體呈現(xiàn)“大而不強(qiáng),多而不精”的局面[1],提高工程機(jī)械性能降低系統(tǒng)能耗是發(fā)展重點(diǎn)[2]。泵控差動缸直驅(qū)是提高電液系統(tǒng)能效最直接的方法[3],較于閥控系統(tǒng)節(jié)能達(dá)40%[4],具有無節(jié)流損失、節(jié)能、成本低、可靠性高等優(yōu)勢,但存在響應(yīng)慢、流量不平衡、低速平穩(wěn)性差、控制模式單一等問題。

針對上述問題,姚靜等[5]設(shè)計(jì)了開式泵控非對稱缸負(fù)載容腔獨(dú)立控制系統(tǒng),并針對其非對稱缸兩腔采用不同控制算法時(shí)的參數(shù)耦合問題進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[6-8]提出一種具有3個(gè)吸排油口的非對稱軸向柱塞泵,用以補(bǔ)償非對稱缸兩腔不平衡流量;王翔宇等[9]將非對稱泵控單出桿缸應(yīng)用于裝載機(jī),與原有閥控系統(tǒng)相比,最高可降低系統(tǒng)能耗47.19%;陳明動等[10]采用并聯(lián)驅(qū)動的2個(gè)變排量泵補(bǔ)償液壓缸的不對稱流量,并增加了蓄能器平衡負(fù)載重量和回收重力勢能;劉華等[11]提出了協(xié)調(diào)控制泵的轉(zhuǎn)速和進(jìn)出閥開口的節(jié)能控制系統(tǒng),并針對不同工況設(shè)計(jì)了不同的控制策略;梁濤等[12]提出了泵閥雙源協(xié)同驅(qū)動非對稱液壓缸系統(tǒng),并將其應(yīng)用于某大型挖掘機(jī)斗桿系統(tǒng);呂立彤等[13]提出并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)的原理方案,并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度、高能效,顯著降低系統(tǒng)能效;汪成文等[14]提出一種泵閥并聯(lián)系統(tǒng),并研究了該系統(tǒng)的智能控制方法,仿真結(jié)果表明泵閥并聯(lián)智能控制方法有效改善了系統(tǒng)的控制性能;王成賓等[15]提出了一種排量、轉(zhuǎn)速復(fù)合控制方法,通過仿真和試驗(yàn),結(jié)果表明,排量、轉(zhuǎn)速復(fù)合控制模式下,可有效提高泵控差動缸系統(tǒng)的響應(yīng)速度,降低能耗。

本研究提出了一種并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)及泵閥協(xié)同控制策略,以解決泵控差動缸系統(tǒng)存在的響應(yīng)慢、流量不平衡、低速平穩(wěn)性差、控制模式單一等問題。

1 泵控差動缸電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)由泵控差動缸主回路及并聯(lián)旁路閥控制單元組成。泵控差動缸主回路由伺服電機(jī)、定量泵/馬達(dá)、大流量比例換向閥、單向閥1、單向閥2、位置傳感器和差動缸組成;并聯(lián)旁路閥控制單元采用高頻響伺服閥進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)控。

圖1 并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)圖Fig.1 Electro-hydraulic control system diagram of pump-controlled differential cylinder with parallel bypass valve

泵控差動缸主回路由伺服電機(jī)控制定量泵/馬達(dá)調(diào)控輸出流量(或回收能量),實(shí)現(xiàn)差動缸直接容積控制,通過大流量換向閥代替昂貴的四象限泵實(shí)現(xiàn)低節(jié)流損失下主油路換向。差動缸通過2個(gè)連通油箱的單向閥實(shí)現(xiàn)換油及系統(tǒng)散熱,保證壓力油性能。泵與油箱連通,差動缸產(chǎn)生不平衡流量可直接補(bǔ)償。位置傳感器采集油缸位移信號實(shí)時(shí)反饋給控制器,為并聯(lián)旁路閥調(diào)控提供參數(shù),伺服電機(jī)的三環(huán)反饋保證伺服電機(jī)控制精度。

并聯(lián)伺服旁路閥控制單元對泵控缸主回路進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié),保證低速平穩(wěn)性,基本工作原理為:阻力負(fù)載時(shí),若執(zhí)行器動作所需流量低于泵最低穩(wěn)定輸出流量時(shí),多余流量可通過并聯(lián)旁路閥卸荷,既保證泵輸出穩(wěn)定壓力,又可在執(zhí)行器低速范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié);在超越負(fù)載時(shí)系統(tǒng)同時(shí)具備能量回收與速度的補(bǔ)償調(diào)節(jié)能力。

2 多模式工作原理

本研究提出的并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)具備的多模式工作能力, 適應(yīng)工程機(jī)械直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見的工況,實(shí)現(xiàn)大流量區(qū)間高能效高速度,小流量區(qū)間高精度高頻響。

2.1 阻力負(fù)載伸出模式

阻力負(fù)載伸出工作模式時(shí),比例換向閥左位得電,維持最大開口,實(shí)現(xiàn)主油路節(jié)流損失最小化。低速工作模式下,如圖2a所示,為保證系統(tǒng)低速平穩(wěn)性,泵需工作在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,調(diào)控并聯(lián)旁路閥開口即可實(shí)現(xiàn)低速模式下執(zhí)行器速度的快速補(bǔ)償調(diào)節(jié),增大旁路閥開口即可降低執(zhí)行器速度,減小旁路閥開口即可增大執(zhí)行器速度,低速工作模式可解決泵控差動缸系統(tǒng)存在的低速穩(wěn)定性問題;當(dāng)執(zhí)行器需工作在高速模式下,如圖2b所示,此時(shí)并聯(lián)旁路閥全閉,為泵控差動缸直驅(qū),通過直接泵控實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器速度控制,系統(tǒng)工作在高速高效模式。

圖2 阻力伸出模式Fig.2 Resistance extension mode

2.2 阻力負(fù)載縮回模式

阻力負(fù)載縮回工作模式時(shí),比例換向閥右位得電,有桿腔為高壓腔,整體工作原理與阻力負(fù)載伸出模式相同。當(dāng)執(zhí)行器工作在低速模式時(shí),如圖3a所示,為保證系統(tǒng)壓力,泵仍工作在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下,執(zhí)行器速度受并聯(lián)旁路閥補(bǔ)償調(diào)節(jié);當(dāng)工作在高速模式時(shí),如圖3b所示,此時(shí)并聯(lián)旁路閥不工作,系統(tǒng)處于泵控直驅(qū)的高效工作模式。

圖3 阻力縮回模式Fig.3 Resistance retraction mode

2.3 超越負(fù)載縮回模式

超越負(fù)載縮回工作模式時(shí),伺服電機(jī)-泵工作在發(fā)電模式,可對能量進(jìn)行回收,比例閥左位得電,此時(shí)無桿腔為高壓腔,輔助活塞桿縮回。低速模式時(shí),如圖4a所示,伺服電機(jī)抱死,此時(shí)執(zhí)行器縮回速度僅受并聯(lián)旁路閥控制,可在低速范圍內(nèi)穩(wěn)定調(diào)節(jié);中速模式時(shí),如圖4b所示,此時(shí)并聯(lián)旁路閥不工作,此階段為泵控差動缸直驅(qū)能量回收階段,超越負(fù)載的能量可全部回收,但速度為中速模式;高速模式時(shí),如圖4c所示,此時(shí)泵閥協(xié)同控制,執(zhí)行器可達(dá)到最大速度,但能量部分回收。

圖4 超越縮回模式Fig.4 Override Retract Mode

2.4 超越負(fù)載伸出模式

在超越負(fù)載伸出工作模式時(shí),伺服電機(jī)-泵工作在發(fā)電模式,比例電磁閥工作在右位,與超越負(fù)載縮回工作模式相近,此時(shí)有桿腔為高壓腔,輔助活塞桿伸出,可進(jìn)行能量回收,提高能效。在低速模式時(shí),如圖5a所示,有桿腔全部流量通過并聯(lián)旁路閥進(jìn)入無桿腔,無桿腔的不平衡流量通過單向閥補(bǔ)充,執(zhí)行器速度受并聯(lián)旁路閥控制,可實(shí)現(xiàn)低速范圍的高頻響調(diào)節(jié);工作在中速模式時(shí),如圖5b所示,此時(shí)旁路閥全閉,所有流量均通過泵流回油箱,此階段可回收全部能量,執(zhí)行器速度受電機(jī)轉(zhuǎn)速控制;工作在高速模式時(shí),如圖5c所示,此階段泵閥協(xié)同控制,可達(dá)到最大速度,能量可實(shí)現(xiàn)部分回收。

圖5 超越伸出模式Fig.5 Overrun extension mode

3 泵閥協(xié)同工作機(jī)制

多工作模式下泵閥協(xié)同工作機(jī)制不同,核心機(jī)制是以泵控差動缸直驅(qū)電液控制系統(tǒng)為主,并聯(lián)旁路閥控制單元為補(bǔ)償調(diào)節(jié)功能,解決泵控缸系統(tǒng)低速穩(wěn)定性問題及效率-響應(yīng)平衡。在低速模式下,泵為單一工作狀態(tài),保持最低轉(zhuǎn)速或抱死,執(zhí)行器由并聯(lián)旁路閥控制,保證低速階段穩(wěn)定性與精確位置控制;在高速阻力負(fù)載工作模式下,旁路閥保持關(guān)閉,為全泵控階段,系統(tǒng)處于高速高效模式;在中速超越負(fù)載工作模式下,旁路閥保持關(guān)閉,為全泵控直驅(qū)能量回收階段,系統(tǒng)可回收全部能量,降低燃油消耗提高系統(tǒng)能效;在高速超越負(fù)載工作模式下,為泵閥協(xié)同控制階段,最大速度時(shí)旁路閥達(dá)到最大開口,此階段部分能量回收。在應(yīng)用于實(shí)際工程機(jī)械時(shí)可不用高速階段,最大速度降低但提高了系統(tǒng)的能量回收效率,實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能作業(yè)效果。

啟停階段的泵閥協(xié)同控工作機(jī)制可實(shí)現(xiàn)液壓缸的平穩(wěn)快速啟停和精確位置控制:在啟動階段開始時(shí),并聯(lián)旁路閥保持最大開口,實(shí)現(xiàn)泵流量全部卸荷,通過旁路閥開口的逐漸減小,液壓缸逐漸建立壓力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動;在停止階段開始時(shí),泵維持最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,通過旁路閥逐漸關(guān)小閥口實(shí)現(xiàn)液壓缸平穩(wěn)停止,同時(shí)經(jīng)過旁路閥閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器精確位置控制。

泵閥協(xié)同控制難點(diǎn)在于控制環(huán)過渡階段,由于泵-閥靈敏度不同,控制器需對泵閥采用不同的控制參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)效果,且控制參數(shù)受泵、閥、負(fù)載及系統(tǒng)影響;過渡階段需進(jìn)行合理權(quán)重分配,實(shí)現(xiàn)泵-閥過渡段信號無突變,執(zhí)行器速度曲線平滑無沖擊。

針對以上問題,開發(fā)了基于調(diào)速曲線的泵閥權(quán)重分配策略,如圖6所示,由于實(shí)時(shí)速度波動可能會造成權(quán)重誤判,故權(quán)重分配采用期望速度曲線讀取當(dāng)前速度,并結(jié)合此時(shí)工作模式進(jìn)行泵-閥權(quán)重線性分配。控制過渡區(qū)間選取為泵-閥各工作速度區(qū)間的局部交叉范圍,即在過渡區(qū)間內(nèi)泵-閥均仍有部分速度調(diào)節(jié)能力,此過渡階段權(quán)重線性分配,達(dá)到此消彼長的分配效果,實(shí)現(xiàn)控制環(huán)平滑過渡。例如,在阻力負(fù)載伸出工作模式下,由低速模式過渡至高速模式,并聯(lián)旁路閥開口將由大關(guān)小,泵由最低轉(zhuǎn)速逐漸增大,以調(diào)速曲線為當(dāng)前讀取速度,當(dāng)此速度接近旁路閥調(diào)控上限時(shí)進(jìn)入過渡階段,控制權(quán)重依據(jù)當(dāng)前讀取速度進(jìn)行線性分配,旁路閥控制權(quán)重線性減小, 泵控權(quán)重線性增加, 當(dāng)閥達(dá)到補(bǔ)償調(diào)控上限時(shí),過渡完成,進(jìn)入全泵控直驅(qū)階段,即為高速模式。其他工作模式下權(quán)重分配同理。

圖6 權(quán)重分配策略圖Fig.6 Weight distribution strategy

4 仿真分析

進(jìn)行阻力負(fù)載伸出工作模式下泵-閥協(xié)同控制仿真分析,仿真模型如圖7所示,仿真模型參數(shù)如表1所示,仿真結(jié)果如圖8所示。其表明并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)解決了泵控缸直驅(qū)系統(tǒng)存在的低速穩(wěn)定性差和流量不平衡的問題,泵閥協(xié)同控制機(jī)制及基于調(diào)速曲線的權(quán)重分配策略可以改善控制環(huán)切換階段的速度波動問題。

表1 阻力負(fù)載伸出工作模式仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of resistance load extension working mode

圖7 阻力負(fù)載伸出工作模式仿真模型Fig.7 Simulation model of resistance load extension working mode

圖8 阻力負(fù)載伸出工作模式仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of resistance load extension working mode

5 結(jié)論

本研究提出了一種并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸電液控制系統(tǒng)及泵閥協(xié)同控制策略, 通過并聯(lián)旁路閥控制單元解決了泵控差動缸直驅(qū)系統(tǒng)存在的低速穩(wěn)定性差、流量不平衡、控制模式單一及效率-響應(yīng)相協(xié)調(diào)的問題。建立了變速電機(jī)和旁路閥的協(xié)同工作機(jī)制,開發(fā)了基于調(diào)速曲線的權(quán)重分配策略。研究結(jié)果表明,通過泵閥協(xié)同控制,并聯(lián)旁路閥的泵控差動缸系統(tǒng)能夠在多種工作模式下工作,具有良好的工況適應(yīng)性和低速穩(wěn)定性,可實(shí)現(xiàn)小流量區(qū)間液壓缸的平穩(wěn)快速啟停和精確位置控制,大流量區(qū)間高能效高速度控制效果。