正流量挖掘機動臂液壓系統(tǒng)仿真與實驗研究

(1．徐州工程學(xué)院 機電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018； 2．北京精密機電控制設(shè)備研究所， 北京 100076；3．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

液壓挖掘機是工程建設(shè)中不可或缺的裝備之一，廣泛應(yīng)用于軍事、礦山、水利、交通和市政工程建設(shè)等領(lǐng)域。液壓挖掘機的作業(yè)工況復(fù)雜多變，載荷變化大，造成挖掘機的燃油消耗大、排放差。挖掘機在工作過程中，動臂與鏟斗、斗桿的復(fù)合動作實現(xiàn)挖掘和裝卸，動臂動作頻繁、消耗能量大，動臂在下降時，重力勢能經(jīng)過閥口節(jié)流作用轉(zhuǎn)化為熱量而浪費掉， 造成極大的能量損失[1]。

國內(nèi)外眾多的科研人員進行了挖掘機動臂系統(tǒng)方面的研究。徐兵等[2]進行了泵閥協(xié)同比例控制的研究，其原理類似于正流量，可以按需供給流量，研究表明比負載敏感系統(tǒng)的壓力裕度減小0.7 MPa，同時具有很好的流量精度和操控手感。王慶豐[3]為了改善動臂的操作性，提出了復(fù)合型動臂勢能回收系統(tǒng)，采用節(jié)流閥和液壓馬達-發(fā)電機串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，通過控制發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，使得節(jié)流閥進出口壓降保持在較小的恒定值，根據(jù)手柄調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度即可控制液壓缸的下放速度，試驗結(jié)果表明動臂勢能回收方案能夠取得較好的動臂控制性能，在標準作業(yè)工況下，動臂勢能回收效率可達到50%左右。權(quán)龍等[4-5]進行了在原有負載敏感驅(qū)動回路的基礎(chǔ)上基于三腔液壓缸的工作裝置自重液氣平衡勢能回收利用方法，建立了基于三腔液壓缸的液壓挖掘機測試樣機，測試結(jié)果表明增加液氣儲能容腔后，提高了系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，動臂運行過程中的能耗降低48.5%，峰值功率降低64.7%，節(jié)能效果顯著。何清華等[6]研究了混合動力挖掘機勢能回收，采用蓄能器與電池雙儲能元件，通過參數(shù)匹配和總體控制策略后系統(tǒng)具有較好的操控性能和能量回收效果。趙丁選等[7]研究了蓄能器回收重力勢能，通過與普通挖掘機動臂下降過程能耗的比較，可以實現(xiàn)節(jié)能比率14.8%。葉月影等[8]研究了采用閉式系統(tǒng)的動臂節(jié)能方案， 其原理是采用容積控制，避免了采用閥控的節(jié)流損失，可提高效率50%。于安才[9]采用二次元件實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和動臂勢能的回收，并設(shè)計了智能PID控制策略進行能量管理方面的研究。

TAFAZOLI S等[10]對挖掘機動臂的運動關(guān)節(jié)和不同姿態(tài)下的慣量參數(shù)計算進行了研究，可以為液壓系統(tǒng)的動力分析提供依據(jù)，但是沒有結(jié)合液壓動力系統(tǒng)進行研究，也沒有進行實驗測試。HAGA M等[11]研究了挖掘機的智能挖掘控制系統(tǒng)，安裝了激光測距儀，通過位置閉環(huán)控制動臂運動實現(xiàn)對挖掘深度的自動控制。FELIX NG等[12]進行了挖掘機動力匹配方面的研究，對發(fā)動機和鏟斗的大小的匹配進行了研究，通過鏟斗大小的匹配可以實現(xiàn)最佳的工作效率，實現(xiàn)節(jié)能。STENTZ A等[13]研究了挖掘機的自動裝載，通過設(shè)置掃描傳感器自動識別卡車的位置，通過控制器自動控制動臂進行裝載動作，避免了挖掘機動臂與卡車的碰撞。

1 正流量挖掘機動臂液壓系統(tǒng)原理

正流量控制液壓挖掘機動臂回路的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

先導(dǎo)泵P3為操控系統(tǒng)提供先導(dǎo)壓力，操控手柄出口的先導(dǎo)壓力控制動臂閥1和動臂閥2的閥芯位置，同時提供給主泵的變量機構(gòu)，實現(xiàn)主泵的排量隨著先導(dǎo)油壓力的大小而變化。先導(dǎo)油的壓力越高， 泵的排量越大，即實現(xiàn)了正流量挖掘機液壓系統(tǒng)。當主閥沒有先導(dǎo)控制信號時，主閥工作在中位，液壓泵出口的液壓油經(jīng)過主閥后流回液壓油箱，屬于開中心液壓系統(tǒng)。

圖1 正流量挖掘機動臂系統(tǒng)液壓原理圖

為了保護動臂液壓缸的進回油管路壓力不超過額定值和避免吸空現(xiàn)象，在動臂液壓缸的進出油口都設(shè)置了溢流補油閥。為實現(xiàn)補油功能，回油管路設(shè)計了4 MPa 的回油背壓。當管路壓力超過彈簧所調(diào)定的壓力時，液壓油克服彈簧力實現(xiàn)溢流閥的開啟，起到保護系統(tǒng)安全的功能。當高壓管路壓力低于補油背壓時，液壓油從補油背壓流向吸空的管路，實現(xiàn)補油防吸空的功能。為避免動臂在重力作用下自由下落，設(shè)置了單向鎖止閥，在沒有落臂先導(dǎo)信號時，無桿腔的壓力同時作用在單向閥芯的彈簧側(cè)，單向閥芯壓緊在閥座上，動臂無桿腔的液壓油無法流向主閥。當有落臂信號時，單向閥的彈簧腔與液壓油箱相連，壓力油可以打開單向閥，實現(xiàn)動臂無桿腔的壓力油經(jīng)過主閥流回油箱的功能。

2 正流量控制挖掘機動臂液壓系統(tǒng)建模與仿真

挖掘機動臂機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，為簡化動臂液壓缸的動作過程的特性，假定斗桿液壓缸最大縮回，鏟斗液壓缸最大伸出，鏟斗里面土石量固定，即載荷固定。

圖2 挖掘機動臂結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)余弦定量，動臂液壓缸與動臂和機體構(gòu)成的三角形ΔABC中，邊lAB與邊lAC的夾角為θ，公式為：

(1)

lAB為點A與B之間的距離，由挖掘機上車的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是確定值。lAC為點A與C之間的距離，由挖掘機動臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是確定值。lBC是動臂液壓缸的長度，是變量，由液壓系統(tǒng)控制動臂液壓缸的伸縮量來決定，通過控制動臂液壓缸的伸出長度來控制動臂的旋轉(zhuǎn)角度，即控制了動臂的起落。

以動臂的旋轉(zhuǎn)中心為原點建立直角坐標系，邊lAB與x軸的夾角為β，β為已知的定值，由挖掘機在結(jié)構(gòu)設(shè)計時已經(jīng)確定，起臂時動臂的力矩平衡方程為：

(2)

落臂工況動臂的扭矩平衡方程為：

(3)

式中，GD為臂架機構(gòu)結(jié)構(gòu)件和鏟斗物料的重力之和。LD為臂架機構(gòu)重心對旋轉(zhuǎn)中心的力臂，LD=lADcos(θ-γ-β)。FC為動臂液壓缸的推力，F(xiàn)C=pAAA-pBAB。LC為動臂液壓缸對動臂的驅(qū)動力臂，LC=lACcos(θ-β)。Mf為動臂繞旋轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩。

根據(jù)能量守恒，動臂起落過程中液壓能轉(zhuǎn)化為動臂的動能和勢能，公式為：

(4)

(5)

動臂液壓缸無桿腔的流量為：

QA(t)=vAA

(6)

動臂液壓缸有桿腔的流量為：

QB(t)=vAB

(7)

式中，QA(t)為動臂液壓缸無桿腔的流量，L/min；QB(t)為動臂液壓缸有桿腔的流量，L/min；AA為動臂液壓缸無桿腔截面積，mm2；AB為動臂液壓缸有桿腔截面積，mm2。在液壓閥的起閉瞬間閥口處存在局部節(jié)流壓力損失，起到節(jié)流調(diào)速的目的，在動臂下落時起到平衡重力負載的作用，節(jié)流壓力差為：

(8)

式中，ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為液壓油密度，kg/m3；v為液壓油的流動速度，m/s。正流量挖掘機主要元件的參數(shù)表如表1所示。

正流量液壓挖掘機給定手柄的信號正比例于先導(dǎo)油的信號，液壓泵的排量正比例于給定的液壓先導(dǎo)信號，忽略發(fā)動機的特性，假定發(fā)動機為恒轉(zhuǎn)速，則輸出的流量正比例于給定的信號，仿真給定的信號如圖3所示。

表1 挖掘機樣機主要技術(shù)參數(shù)

圖3 給定信號

根據(jù)建立的正流量液壓挖掘機動臂液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，動臂液壓缸的位移仿真曲線如圖4所示。

圖4 動臂液壓缸位移

從圖4中可以看出，動臂液壓缸在正流量時能夠平穩(wěn)的伸出和縮回，很好的體現(xiàn)操作意圖，操控性好。

起臂過程的無桿腔的壓力仿真曲線如圖5所示。從圖5中可以看出動臂液壓缸在起始位置時壓力較大，因為此時的動臂液壓缸的力臂小，重力產(chǎn)生的力臂大，隨著動臂起升角度的變化下腔壓力在降低。

起臂的末端由于力臂的減小無桿腔的壓力又開始增大。落臂過程無桿腔的壓力曲線如圖6所示。

圖5 起動臂無桿腔壓力仿真曲線

圖6 落臂時無桿腔壓力仿真曲線

從圖6中可以看出落臂過程無桿腔的壓力由節(jié)流損失產(chǎn)生的，落臂的回油節(jié)流面積由手柄先導(dǎo)壓力油和無桿腔的壓力控制，構(gòu)成容積節(jié)流調(diào)速回路，手柄先導(dǎo)壓力油壓力高則主閥的開口面積大，節(jié)流損失小。無桿腔的壓力高時單向鎖止閥的開口面積大，落臂速度加快。圖6可以看出，由于存在反饋控制，在落臂起始階段存在壓力抖動。結(jié)合圖1可以看出，當無桿腔壓力小于彈簧力時，單向鎖止閥關(guān)閉，回油路封閉，產(chǎn)生困油，壓力急速升高。當壓力升高到大于彈簧力時，單向鎖止閥開啟，無桿腔的壓力急速下降，產(chǎn)生了壓力波動。

3 正流量挖掘機動臂液壓系統(tǒng)測試

在挖掘機樣機上進行了測試，壓力傳感器用來測量泵出口壓力和動臂液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力，采用德國REXROTH公司生產(chǎn)的HM17-1X/400壓力傳感器，壓力傳感器測量范圍為0～40 MPa，輸出信號類型為4～20 mA。測量動臂液壓缸的位移采用KEYENCE公司生產(chǎn)的位移傳感器，型號LR-TB5000，測量范圍為60～5000 mm。挖掘機樣機測試如圖7所示。

正流量液壓挖掘機的主泵反饋壓力測試曲線如圖8所示。

圖7 挖掘機樣機測試

圖8 主泵的反饋壓力測試曲線

測試壓力即圖1中節(jié)流閥的閥前壓力。當沒有先導(dǎo)信號時，主閥工作在中位，泵的出口通過節(jié)流閥連通油箱，可以看出多路閥在中位時泵的出口壓力為4 MPa，泵的出口壓力反饋給泵的變量機構(gòu)，使泵的排量為最小，實現(xiàn)待機時能耗最小。

正流量液壓挖掘機在動臂起落兩次時，泵的出口流量測試曲線如圖9所示。

圖9 泵的出口流量測試曲線

可以看出，起臂時通過雙泵合流提高起臂的速度，落臂時僅泵1提供流量，在中位時泵提供較小的流量保持待機狀態(tài)。泵提供的流量與操作手柄成正比例關(guān)系，操控性好。

動臂起落兩次動作時動臂液壓缸的位移與泵的出口壓力測試曲線如圖10所示。

測試曲線中可以看出先建立壓力，然后動臂液壓缸才開始動作，這是由于液壓油的可壓縮性和動臂的慣性決定的。兩次起臂時泵出口的壓力是不一樣的，這是由于操作手柄兩次的操作不完全一樣，由于人在操作手柄時存在抖動，額外的增加了加速度，表現(xiàn)為泵出口壓力的波動。下落時泵的出口壓力為4.5 MPa，比系統(tǒng)的補油壓力高0.5 MPa。正流量挖掘機起落臂時動臂液壓缸的壓力測試曲線如圖11所示。

圖10 缸位移與泵出口壓力曲線

圖11 挖掘機動臂液壓缸壓力測試曲線

結(jié)合圖10和圖11可以看出，起臂時無桿腔的壓力比泵的出口的壓力低1.5 MPa，這是由主閥閥口壓力損失和管路的沿程壓力損失造成的；下落時無桿腔的壓力是由單向鎖止閥和主閥芯的節(jié)流作用產(chǎn)生的，起到平衡負載的作用，由于勢能以節(jié)流的形式損失掉了，存在著能量浪費，因此動臂勢能回收再利用技術(shù)和負載口獨立控制成為了節(jié)能研究的方向。

4 結(jié)論

通過對動臂液壓系統(tǒng)的仿真和實驗測試表明，正流量液壓挖掘機起臂過程傳動效率高，泵的出口壓力裕度為1.5 MPa，能量損失較小，因此正流量控制在中大噸位挖掘機上得到了廣泛的應(yīng)用。落臂時主泵的出口壓力僅僅升高了0.5 MPa，動臂下落時泵的輸出功率很小。仿真給定的信號是平穩(wěn)的，實際操作時由于手的抖動造成給定的信號是有波動的，造成額外的加速度干擾，產(chǎn)生主泵出口壓力的波動和沖擊。下落時無桿腔存在比較高的背壓用來平衡和控制動臂下落的速度，重力勢能以節(jié)流的形式損失掉了，下落時由于單向鎖止閥存在負反饋控制造成無桿腔的壓力波動，嚴重時表現(xiàn)為動臂下落抖動。由于動臂主閥進油口和回油口的聯(lián)動關(guān)系，動臂主閥在起閉階段存在較大的節(jié)流壓力損失。