淺析EBZ300型掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)流量分配特性

張常青

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

自2016年底，隨著煤炭經(jīng)濟(jì)的持續(xù)回暖，煤礦機(jī)械行業(yè)再次迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。然而，面對更為激烈的市場競爭對節(jié)能提效提出了更高的要求，掘進(jìn)機(jī)需在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，向主機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能化和控制智能化的方向發(fā)展[1～3]，應(yīng)用負(fù)載敏感控制技術(shù)的煤礦機(jī)械正適應(yīng)了這種發(fā)展需要。

掘進(jìn)機(jī)的使用工況環(huán)境惡劣，功能與動作日趨多元化，負(fù)載變化大，沖擊和振動頻繁，所以，要求液壓系統(tǒng)具有良好的控制特性。負(fù)載敏感控制技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用，通過感應(yīng)負(fù)載信號的變化來調(diào)節(jié)泵的流量和壓力從而適應(yīng)負(fù)載需求，避免了一般液壓系統(tǒng)中由于溢流閥帶來的壓力損失，是目前最節(jié)能的控制方式[4，5]，而且在有限的空間內(nèi)高度集成，使得掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)更為緊湊，布局更為合理。

本文利用多體動力學(xué)仿真軟件SimulationX對EBZ300型掘進(jìn)機(jī)兩種不同的液壓系統(tǒng)完成了動態(tài)仿真，分析并對比了兩種系統(tǒng)的流量分配特性。

1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)基本形式

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)為負(fù)載敏感變量泵驅(qū)動多執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合動作。當(dāng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合動作時，為使變量泵的輸出壓力足以驅(qū)動負(fù)載較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過梭閥網(wǎng)絡(luò)將最高負(fù)載壓力反饋至泵，此時，泵只能在負(fù)載壓力較高的回路保持流量匹配特性。為使系統(tǒng)正常工作，通過在各回路設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，以保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)均具有流量匹配特性，根據(jù)壓力補(bǔ)償閥的位置，負(fù)載敏感系統(tǒng)可以分為閥前補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)（LS）和閥后補(bǔ)償?shù)呢?fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)（LUDV）[6，7]。

1.1 閥前補(bǔ)償原理

閥前補(bǔ)償是負(fù)載敏感系統(tǒng)傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償法[8]，壓力補(bǔ)償閥基于定差減壓原理，位于主閥節(jié)流口前，補(bǔ)償閥彈簧腔引入的壓力為本回路負(fù)載壓力，負(fù)載敏感變量泵引入的壓力為最高負(fù)載壓力[9，10]，見圖 1。

當(dāng)流量未飽和時，進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量為：q1=CdA1式中：Cd—流量常數(shù)；A1、A2—主閥節(jié)流口開度；ρ—油液密度，主閥節(jié)流口兩端的壓差△p1=p1'-p1，△p2=p2'-p2，p1'、p2'為節(jié)流口前壓力，p1、p2為負(fù)載壓力?！鱬1、△p2為壓力補(bǔ)償閥事先調(diào)定，且△p1=△p2，壓力補(bǔ)償閥通過其內(nèi)部閥口開度的變化來調(diào)整節(jié)流口前的壓力 p1＇、p2＇，使節(jié)流口兩端的壓差△p1、△p2保持恒定，因此各節(jié)流口的流量只取決于對應(yīng)的閥口開度而與負(fù)載無關(guān)，故上述流量方程可簡化為 q1=f（A1）、q2=f（A2），且 q1/q2=A1/A2， 系統(tǒng)達(dá)到 “按需供給”和“按比例分配”的控制特性。泵的出口壓力ps=pmax+△p，ps為泵出口壓力；pmax為最大負(fù)載壓力（p1＞p2），△p 為變量泵負(fù)載敏感設(shè)定壓力。△p由變量泵負(fù)載敏感閥的彈簧設(shè)定，正常工作時，△p1＝△p2≠△p，因此△p大小與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量無關(guān)。

圖1 LS液壓控制系統(tǒng)Fig.1 LS Hydraulic control system

當(dāng)流量飽和時，即通過所有節(jié)流口的所需流量大于泵所能提供的最大流量，高負(fù)載側(cè)節(jié)流口兩端壓差下降，達(dá)不到補(bǔ)償閥的設(shè)定壓力，補(bǔ)償閥的壓差調(diào)節(jié)失效，系統(tǒng)將進(jìn)入流量飽和狀態(tài)。此時如果繼續(xù)加大高負(fù)載側(cè)的閥口開度，高負(fù)載側(cè)的流量不會增加并將保持恒定；如果繼續(xù)加大低負(fù)載側(cè)的閥口開度，低負(fù)載側(cè)的流量將會繼續(xù)增加，同時高負(fù)載側(cè)的流量將降低直至為零，這種流量飽和現(xiàn)象為傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

1.2 閥后補(bǔ)償原理

閥后補(bǔ)償是具有抗飽和功能的負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)（LUDV），壓力補(bǔ)償閥基于比例溢流原理，位于主閥節(jié)流口之后，補(bǔ)償閥彈簧腔和負(fù)載敏感變量泵引入的壓力均為最高負(fù)載壓力[11，12]，見圖 2。

圖2 LUDV液壓控制系統(tǒng)Fig.2 LUDV hydraulic control system

當(dāng)流量未飽和時，主閥節(jié)流口兩端的壓差為△p1＝psp1＇，△p2＝ps-p2＇，ps為泵出口壓力 ，p1＇、p2＇為節(jié)流口后壓力 。在壓力補(bǔ)償閥的作用下，兩節(jié)流口后的壓力 p1＇=p2＇， 此時△p1=△p2=△p，即主閥節(jié)流口兩端的壓差近似等于變量泵負(fù)載敏感設(shè)定壓差△p，因此各節(jié)流口的流量只取決于對應(yīng)的閥口開度而與負(fù)載無關(guān)，且q1/q2=A1/A2，此時△p的大小會直接影響系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量大小。

當(dāng)流量飽和時，高負(fù)載側(cè)的壓力補(bǔ)償閥全開，節(jié)流口后的壓力等于負(fù)載壓力，同時最高負(fù)載壓力反饋至低負(fù)載側(cè)壓力補(bǔ)償閥的彈簧腔內(nèi)，其節(jié)流口后的壓力也等于最高負(fù)載壓力。隨著不飽和度的增加，泵的出口壓力減小，各節(jié)流口兩端的壓差隨之減小并始終保持一致，其值不是定值而與最高負(fù)載壓力相關(guān)，此時△p1=△p2＜△p，系統(tǒng)仍會按閥口開度的比例將流量分配給各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而不是流向低負(fù)載側(cè)，各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相對速度不會變化，由此實(shí)現(xiàn)了飽和狀態(tài)下流量的比例分配，從而保證了動作的協(xié)調(diào)性，避免沖擊。

2 流量分配特性仿真分析

SimulationX是德國ITI公司開發(fā)的一款多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析軟件，是一種基于物理模型的圖形化、基元化的建模方式，使得用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計，不需要編寫任何程序代碼。SimulationX包含的標(biāo)準(zhǔn)元件庫有1D力學(xué)、3D多體系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、液力學(xué)、氣動力學(xué)、熱力學(xué)電磁學(xué)和控制等[13～15]。

2.1 LS系統(tǒng)控制特性分析

為了分析負(fù)載敏感系統(tǒng)流量分配特性，以EBZ300型掘進(jìn)機(jī)雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路為例，根據(jù)負(fù)載敏感閥前補(bǔ)償原理，在SimulationX中建立LS控制系統(tǒng)，如圖3所示，模型右側(cè)為負(fù)載敏感恒功率變量泵模型，左側(cè)為雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥前補(bǔ)償模型。

圖3 LS控制系統(tǒng)模型Fig.3 LS control system model

圖4 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力Fig.4 Double actuator load pressure

設(shè)定變量泵的最大排量為190ml/r，負(fù)載敏感壓力為2MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485r/min；主閥閥芯直徑為18mm；壓力補(bǔ)償閥彈簧設(shè)定壓力均為0.8MPa；執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載和主閥開度均為可變函數(shù)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主閥開度比為 2：1，負(fù)載壓力如圖4所示時，系統(tǒng)為流量未飽和狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥口壓差和流量分配如圖5、圖6所示。如圖5、6可知，當(dāng)系統(tǒng)流量未飽和時，兩側(cè)流量均與負(fù)載無關(guān)并只取決于自身的閥口開度；在壓力補(bǔ)償閥的作用下，各閥口壓差與負(fù)載壓力無關(guān)并始終等于補(bǔ)償閥的彈簧設(shè)定壓力；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的流量分配特性。同時，負(fù)載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制特性不同，低負(fù)載側(cè)的流量響應(yīng)速度較快，穩(wěn)態(tài)誤差較?。辉谪?fù)載突變的情況下，不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量均會產(chǎn)生小幅的波動且低負(fù)載側(cè)的抗干擾能力較強(qiáng)。

圖5 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口壓差Fig.5 Pressure difference of Valve outlet of double actuator

圖6 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量Fig.6 Dual executing agency traffic

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力分別為 10MPa、20MPa，主閥開度如圖7所示時，系統(tǒng)從流量未飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥口壓降和流量分配分別如圖8、圖9所示。如圖8、9可知，當(dāng)突然增加低負(fù)載側(cè)閥口開度，使系統(tǒng)達(dá)到流量飽和狀態(tài)后，低負(fù)載側(cè)閥口壓差經(jīng)補(bǔ)償閥調(diào)整后基本保持不變，流量將隨著閥口開度的增大而增大；高負(fù)載側(cè)閥口壓差迅速減小，流量也隨之減小至零，此時系統(tǒng)喪失流量分配特性。

圖7 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口開度Fig.7 Double actuator valve opening

2.2 LUDV系統(tǒng)控制特性分析

圖8 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口壓差Fig.8 Pressure difference of Valve outlet of double actuator

圖9 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量Fig.9 Dual executing agency traffic

根據(jù)負(fù)載敏感閥后補(bǔ)償原理，在SimulationX中建立LUDV控制系統(tǒng)，如圖10所示。模型右側(cè)為負(fù)載敏感恒功率變量泵模型，左側(cè)為雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥后補(bǔ)償模型。

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主閥開度比為2：1，負(fù)載壓力如圖4所示時，系統(tǒng)為流量未飽和狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥口壓差和流量分配如圖 11、圖12所示。如圖 11、12可知，當(dāng)系統(tǒng)流量未飽和時，閥后補(bǔ)償系統(tǒng)同樣具有良好的流量分配特性。與閥前補(bǔ)償系統(tǒng)不同的是閥后補(bǔ)償系統(tǒng)主閥閥口壓差始終等于變量泵負(fù)載敏感設(shè)定壓力而不受補(bǔ)償閥彈簧設(shè)定壓力限制；負(fù)載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制特性一致；閥后補(bǔ)償系統(tǒng)較閥前補(bǔ)償系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，穩(wěn)態(tài)誤差較??；在負(fù)載突變時，系統(tǒng)的波動更小，具有更優(yōu)的控制特性。

圖10 LUDV控制系統(tǒng)模型Fig.10 Model of LUDV control system

圖11 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口壓差Fig.11 Pressure difference of Valve outlet of double actuator

圖12 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量Fig.12 Double Executor Traffic

圖13 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口壓差Fig.13 Pressure difference of Valve outlet of double actuator

圖14 雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量Fig．14 Double executing agency traffic

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載壓力分別為 10MPa、20MPa，主閥開度如圖7所示時，系統(tǒng)從流量未飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥口壓降和流量分配分別如圖 13、圖14所示。如圖13、14可知，當(dāng)突然增加低負(fù)載側(cè)閥口開度，使系統(tǒng)達(dá)到流量飽和狀態(tài)后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥口壓差經(jīng)補(bǔ)償閥調(diào)整后同時減小并保持一致，低負(fù)載側(cè)的流量將隨著閥口開度的增大而增大，高負(fù)載側(cè)的流量隨著閥口壓差的減小而減小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量仍按閥口開度比例分配，系統(tǒng)具有良好的抗飽和控制特性。

3 結(jié)論

本文通過采用SimulationX仿真軟件搭建了掘進(jìn)機(jī)負(fù)載敏感閥前補(bǔ)償和閥后補(bǔ)償兩種控制系統(tǒng)模型，通過曲線直觀的分析并比較了兩者的流量分配特性。在閥前補(bǔ)償系統(tǒng)中，負(fù)載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制特性不同，低負(fù)載側(cè)的流量響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差小。在閥后補(bǔ)償系統(tǒng)中，負(fù)載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制特性相同；較閥前補(bǔ)償系統(tǒng)響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差小，即在實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時工作而不受負(fù)載影響的同時，LUDV系統(tǒng)在流量分配方面具有更好的抗飽和控制特性，為掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。