大型礦用液壓挖掘機(jī)節(jié)能模糊控制系統(tǒng)研究

劉志成　齊松

摘 要：我國工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，科技水平較低。相比國外同類產(chǎn)品，國內(nèi)的液壓挖掘機(jī)仍有很大差距，挖掘機(jī)工作環(huán)境極為惡劣，具有明顯的載荷變化，這就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)偏離低油耗區(qū)，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的能源消耗。為更好地節(jié)約能源，提升國內(nèi)液壓挖掘機(jī)在全球市場中的競爭力，推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：大型礦用；液壓挖掘機(jī)；節(jié)能；模糊控制；系統(tǒng)

引言

液壓挖掘機(jī)，多數(shù)情況下是進(jìn)行土石采掘。特征：作業(yè)相對靈活，適用于多工種。它有助于降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也能改進(jìn)工程品質(zhì)，提升勞動(dòng)生產(chǎn)率。能源、環(huán)保，這是世界各國關(guān)注的要點(diǎn)。液壓挖掘機(jī)無法科學(xué)地排放，消耗的能源多，這些缺點(diǎn)相當(dāng)突出。因此，探討節(jié)能和減排技術(shù)和方法，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。作為工程機(jī)械的典型產(chǎn)品，探討液壓挖掘機(jī)如何進(jìn)行節(jié)能，也可以為同類機(jī)械提供比較可靠的處理方案。論文中的節(jié)能控制理論，所選的控制方法均具有較強(qiáng)的可行性，對實(shí)際開發(fā)國內(nèi)挖掘機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)有極為關(guān)鍵的參考價(jià)值。在保證我國液壓挖掘機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還能提升系統(tǒng)的動(dòng)力性和競爭力，兼具理論、實(shí)用雙重價(jià)值。

1 國內(nèi)研究概況

在中國，液壓挖掘機(jī)可以追溯的時(shí)間并不長。1954年，撫順挖掘機(jī)廠研發(fā)和生產(chǎn)了第一臺(tái)單斗挖掘機(jī)，其具體的容量為1m3。即便是現(xiàn)在，很多國產(chǎn)產(chǎn)品相較于西方國家，仍不具備很好的節(jié)能效果。國產(chǎn)液壓挖掘機(jī)在自身的節(jié)能指標(biāo)和性能上也有很大的改觀。貴州詹陽機(jī)械生產(chǎn)的JY320型履帶式挖掘機(jī)，它的多路閥以及液壓泵都是從川崎公司進(jìn)行采購（日本）。

1995年10月，廣西玉柴股份嘗試生產(chǎn)了液壓挖掘機(jī)，數(shù)量為2臺(tái)。不過，柴油機(jī)以及液壓系統(tǒng)都是從國外進(jìn)口所得；控制系統(tǒng)，為變量雙泵+MEC電子控制；如此，挖掘機(jī)才能夠進(jìn)行自動(dòng)降檔，對故障進(jìn)行檢測，同時(shí)也能自動(dòng)調(diào)節(jié)電子功率，并提出報(bào)警。很快，國內(nèi)有不少大專院校紛紛開始對液壓挖掘機(jī)及其技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行研究。馮培恩和高峰（浙江大學(xué)）共同設(shè)計(jì)和推出的液壓挖掘機(jī)機(jī)器人，可以將正流量、交叉功率以及負(fù)流量等進(jìn)行聯(lián)合控制[1]。通過構(gòu)建相應(yīng)的控制模型，根據(jù)機(jī)器人來對作業(yè)展開了試驗(yàn)，并證實(shí)有理想的節(jié)能效果。另外，他們還建議對變參數(shù)壓力進(jìn)行切斷控制。通過對切斷值進(jìn)行調(diào)整，減輕系統(tǒng)自身的工作強(qiáng)度，降低回轉(zhuǎn)功率損失。

2 混合動(dòng)力挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與能量損失分析

液壓挖掘機(jī)主要由動(dòng)力裝置以及傳動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成，還包括操縱機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及行走機(jī)構(gòu)等，此外還有工作裝置以及輔助設(shè)備。

2.1 動(dòng)力裝置

挖掘機(jī)中含有一種動(dòng)力裝置，其一般采用的是直立式多缸類型的柴油機(jī)。為了體現(xiàn)出大型液壓鏟的節(jié)能效果，通常液壓挖掘機(jī)主要以電驅(qū)動(dòng)式為主。

2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是為了使設(shè)備支架、上部轉(zhuǎn)臺(tái)能夠左右移動(dòng)，由此達(dá)到挖掘、卸料等目的?；剞D(zhuǎn)支撐主要包括轉(zhuǎn)柱式、滾動(dòng)軸承式這兩種結(jié)構(gòu)類型，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共有兩種傳動(dòng)型式，一種是直接傳動(dòng)，另一種是間接傳動(dòng)。

2.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)作為挖掘機(jī)的重要支撐，是保證行走任務(wù)得以完成的關(guān)鍵，大多數(shù)礦用挖掘機(jī)主要采用的是履帶式。這種行走機(jī)構(gòu)與其他類型的機(jī)構(gòu)具有相同的結(jié)構(gòu)，都是通過挖掘機(jī)兩側(cè)的液壓馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)履帶，類似于回轉(zhuǎn)裝置，可選擇高速大扭矩、低速大扭矩這兩種馬達(dá)[2]。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

反鏟挖掘機(jī)擁有不同類型的傳動(dòng)系統(tǒng)，按照挖掘機(jī)的主泵或是回路等具體數(shù)量，也可按照其功率調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)等方式，可對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分類。定量系統(tǒng)中的執(zhí)行器只要不發(fā)生溢流，液壓油泵可得到固定的流量供給，根據(jù)工作壓力的最大值、固定流量可確定出油泵功率；變量系統(tǒng)主要包括分功率變量、全功率變量這兩種。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)研究

3.1 液壓系統(tǒng)的改造

為控制液壓挖掘機(jī)總的成本，本課題選取了2臺(tái)變量柱塞泵（斜盤式，軸向）。系統(tǒng)中，三位四通換向閥部件起到對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中相關(guān)執(zhí)行元件的選擇和閉合作用。該系統(tǒng)與本次所研究的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)基本相同，其區(qū)別之處在于該系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)和鏟桿液壓缸不能同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作[3]，以及鏟斗液壓缸和起重臂液壓缸亦不能同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作。液壓系統(tǒng)中包含了五個(gè)獨(dú)立泵，且分別由單獨(dú)的液壓泵控制四個(gè)執(zhí)行元件，這可以保證該臺(tái)液壓挖掘機(jī)具備更好的操作性能。該液壓系統(tǒng)能夠有效節(jié)省進(jìn)回油、旁路中的油料，也能有效回收工作機(jī)構(gòu)的勢能和轉(zhuǎn)臺(tái)的制動(dòng)能。

3.2 液壓元件的參數(shù)設(shè)定

該液壓挖掘機(jī)的主要構(gòu)件選用的斜盤式軸向柱塞液壓泵的相關(guān)參數(shù)為：需求功率89.5kW、額定壓力32MPa、最大流量2*214L/min、額定轉(zhuǎn)速2000r/min、最大排量100cm3/r。該系統(tǒng)中的軸向定量柱塞液壓馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)為：額定輸出扭矩450Nm、最大排量90cm3/r、額定壓力32MPa、額定轉(zhuǎn)速2000r/min。

3.3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)（115kW）參數(shù)以及前文對液壓挖掘機(jī)參數(shù)進(jìn)行匹配的結(jié)果，最終將混合動(dòng)力型挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率確定為30kW，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)額定功率確定為110hp。

（1）體現(xiàn)挖掘機(jī)變頻器性能的參數(shù)包括可調(diào)頻率范圍、額定功率以及電壓等級。結(jié)合液壓挖掘機(jī)對超級電容器和發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求[4]，選擇可調(diào)頻率范圍參數(shù)為0-100Hz、額定功率為85kW、電壓等級為600-750V的變頻器。

（2）選用380V電壓等級、1800r/min額定轉(zhuǎn)速的繞線式三相交流發(fā)電機(jī)，作為液壓挖掘機(jī)的發(fā)電機(jī)元器件。

（3）將液壓挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)定為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率擇額定轉(zhuǎn)速neN=1900r/min、穩(wěn)態(tài)調(diào)速率？啄eN=1.2，轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)Temax=157Nm，轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)？椎eT=7.9%。

（4）超級電容器SOC對挖掘機(jī)性能有影響的幾個(gè)參數(shù)為總、電壓等級以及最大充放電電流。根據(jù)實(shí)際，在滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速2000r/min工作狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)所能達(dá)到的最大工作電壓約為600V。而該液壓挖掘機(jī)發(fā)電機(jī)是由超級電容器提供電能，因此要求超級電容器的電壓要高于600V，以此確定超級電容器的額定電壓等級為700V，最大充放電電流為300A。根據(jù)液壓挖掘機(jī)降本增效性能要求，最終將超級電容器容量確定為16F。

4 結(jié)束語

本文分析了國內(nèi)外挖掘機(jī)節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀和當(dāng)今液壓挖掘機(jī)存在的主要能量損失，結(jié)合液壓挖掘機(jī)的工作特性，將發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵和負(fù)載作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)來全面研究其節(jié)能問題。論文借鑒先進(jìn)的模糊控制理論，提出新的挖掘機(jī)節(jié)能控制方法，并開發(fā)出節(jié)能模糊控制器。論文建立了系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、閥和缸的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)和仿真的要求簡化模型，用比例溢流閥模擬 系統(tǒng)負(fù)載變化，得到系統(tǒng)試驗(yàn)的簡化加載模型。

參考文獻(xiàn)

[1]國香恩.液壓挖掘機(jī)節(jié)能模糊控制系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué)，2004.

[2]金立生，趙丁選，丁德勝，等.液壓挖掘機(jī)節(jié)能參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（6）：87-90.

[3]國香恩，趙丁選，尚濤，等.模糊控制在液壓挖掘機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004，34（2）：217-221.

[4]趙丁選，尚濤，張紅彥，等.液壓挖掘機(jī)模糊節(jié)能控制策略及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程，2006，17（2）：177-179.

作者簡介：劉志成（1986，09-），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭市，內(nèi)蒙古科技大學(xué)在讀碩士，工業(yè)自動(dòng)化工程師。