工程機械高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制技術

盧 燃，龐 博

（內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市國能北電勝利能源有限公司，錫林郭勒盟 026000）

高壓柱塞泵通過柱塞在缸體內上下往復運動，從而產生高壓液壓能量，用于驅動工程機械的液壓執(zhí)行機構[1]。高壓柱塞泵通常由柱塞、缸體、進油口、出油口等組成[2]，通過將液壓油從低壓區(qū)域抽入高壓區(qū)域，并隨后將高壓液壓油輸出來實現(xiàn)液壓傳動[3]。高壓柱塞泵在工程機械中提供了穩(wěn)定而高效的液壓能量，用于控制各種液壓驅動系統(tǒng)，如液壓缸、液壓馬達等[4]。然而，由于工程機械環(huán)境復雜、工作強度大，傳統(tǒng)的手動潤滑方法存在著潤滑量不均勻等問題，無法滿足工程機械高效運行的需求，導致柱塞泵中的滑靴副、柱塞副和配流副是3 個關鍵的摩擦副的磨損，進而造成摩擦表面間隙增大，引起柱塞泵泄漏等問題[5]。因此，研發(fā)一種智能化集中潤滑自動控制技術，對工程機械的運行和維護具有重要意義。

文獻[6]提出航空柱塞泵關鍵摩擦性能增強研究，基于柱塞泵關鍵摩擦副的潤滑理論和實驗，分析機械設備表面改性和性能增強技術，完成潤滑控制；文獻[7]提出基于雙面平均6 點推導法的柱塞泵滑靴副潤滑控制方法，建立柱塞泵滑靴副雙面平均6 點推導方法，在恒溫、變溫、振動與非振動工況下，對柱塞泵測點變量進行精確測量，進而獲得滑靴副變化規(guī)律，檢驗滑靴副液體潤滑性能，實現(xiàn)柱塞泵潤滑控制。上述方法均具有一定的應用性，但依舊存在摩擦副磨損面積較大，導致柱塞泵泄漏，設備壽命周期短的問題。

針對上述研究，提出工程機械高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制技術。

1 工程機械高壓柱塞泵組件受力情況分析

在工程機械高壓柱塞泵數(shù)學模型中，不計柱塞滑靴組件的離心力[8]和底端的摩擦，此時，在Fny力的作用下，柱塞與氣缸之間的線接觸點始終是垂直的。將柱塞與氣缸的間接觸力分布長度設定為lo與li，并用當量集中力Fo和Fi來取代，滿足表達式為

式中：lf表示柱塞與氣缸之間的接觸長度，柱塞作往復運動時，柱塞與氣缸之間的接觸長度也隨之改變。

對帶銅套筒的柱塞副，用分段函數(shù)求出接觸長度lf，表達式為

式中：long為最長接觸距離；lsht為最短接觸距離，即：

式中：R 表示柱塞套筒的直徑；lb表示銅套長度；lcnd表示柱塞球到柱塞末端的距離；lcp表示從柱塞球到柱塞頸端面的距離；γmax表示最大傾斜圓盤的傾斜角度；lcbv表示銅套端面與柱塞球的距離；lcbs表示柱塞球與銅套表面的距離；dp 表示柱塞位移量。

對于不帶銅套筒的柱塞副，也就是長接觸柱塞，lf表達式為

根據(jù)力的平衡關系，可以得出y 方向和z 方向的結果分別如式（7）、式（8）所示：

式中：Fn表示反推力；Fr表示柱塞副組件所受的回程作用力；fi、fo表示柱塞兩端的庫倫摩擦系數(shù)；μ表示潤滑油粘度；vp表示柱塞在軸向上的往復式速度；hp表示柱塞副的潤滑油膜厚度；Fa表示慣性力。

2 基于油膜分析結果獲取潤滑動態(tài)負載壓力參數(shù)

根據(jù)上述計算，可得對于柱塞泵雙線集中潤滑控制，使用庫倫摩擦力進行計算更符合實際情況。因為庫倫摩擦力主要描述的是固體接觸情況下的摩擦力，與柱塞和氣缸之間的實際接觸面有關。在柱塞泵中，由于受力點分布不均勻，可能存在一些局部接觸和固體摩擦的情況。因此考慮庫倫摩擦力，可以更準確地反映實際摩擦狀態(tài)。

在此基礎上，進行雙線集中潤滑下高壓柱塞泵油膜分析。在工程機械高壓柱塞泵發(fā)生偏心運動時，柱塞與柱塞套筒間的空隙中，會形成一層偏心的柱塞泵潤滑油層。假設柱塞與柱塞套都是理想的柱體，則柱塞的潤滑油膜厚度h 表達式為

式中：r 表示柱塞的直徑；K、B 表示均為柱塞軸向偏心率。

柱塞面的圓柱形的表達式為

式中：L0表示柱塞總長度。在此基礎上，根據(jù)柱塞的柱面方程，確定了K、B 的數(shù)值，從而得到柱塞潤滑油膜厚度的偏心位置。

柱塞泵槽內流場的壓力場分布可以用雷諾方程來表示：

式中：p 表示油膜壓力；vpx表示柱塞面在圓周方向上的速度；vpy表示柱塞往復式的速率。

在柱塞偏心的情況下，柱塞處于一種傾斜狀態(tài)，因柱塞前、后兩個端部的壓力差，使得間隙油膜產生動態(tài)負載，從而支撐導致動態(tài)壓力，如圖1 所示。

圖1 柱塞泵間隙圖Fig.1 Clearance diagram of plunger pump

由此可以得出在柱塞泵中的任何一點上由于動態(tài)負載壓力支撐而產生的壓力，表達式為

式中：a=h1/h2，h1、h2表示柱塞泵2 個端部處的間隙油膜厚度；Δp=ps-p0，ps、p0表示柱塞兩端的壓力值；pk表示動態(tài)支撐所產生的壓力值；U 表示柱塞移動速率值；L 表示柱塞在柱塞套筒中的剩余長度；z 表示任一點的坐標。

3 工程機械高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制

通過油膜分析，可以了解潤滑劑在高壓柱塞泵的柱塞與氣缸之間形成的油膜情況。根據(jù)PID 潤滑自動控制原理，確定PID 神經網絡每一層的神經元數(shù)目、連接模式以及連接權重初值；利用誤差反向傳播算法對連接權重進行修正，并在線學習調節(jié)比例、積分和微分參數(shù)KP、KI、KD，從而在雙線集中潤滑控制下令高壓柱塞泵的目標函數(shù)趨于最佳。

根據(jù)PID 潤滑自動控制器的特性，選擇適合PID 神經網絡的連接權重初值。

PID 潤滑自動控制器的輸入量是由系統(tǒng)給出的輸入量o 與系統(tǒng)輸出y 誤差值e 構成，也就是：

式中：k 表示采樣時間，其中，系統(tǒng)輸入為負載壓力pk和油膜厚度h1、h2。

PID 控制器的輸出是比例、積分和微分動作的線性疊加數(shù)v，PID 高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制律表達式為

式中：T 表示取樣周期；TI表示積分時間常數(shù)；TD表示微分時間常數(shù)；e（i）表示誤差值取值。

柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制流程，如圖2 所示。

圖2 柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制流程Fig.2 Intelligent centralized lubrication automatic control flow chart for dual line plunger pump

針對單一輸出PID 神經網絡，基于PID 自動控制的特性，選擇其輸入層與隱含層之間的連接權重初值，實現(xiàn)（o，y）→e 函數(shù)的映射。對于真實（o，y）→e的映射，從輸入層到隱含層的連接權重初值選擇為

式中：w1j、w2j表示輸入層到隱含層的連接權重數(shù)值，其中j=1，2，3。

PID 神經網絡的連接權是通過對輸入層與隱含層的初始權重進行選取來確定的，則：

式中：w1′、w2′、w3′表示PID 神經網絡輸入層到隱含層的連接權重數(shù)值變量標記。

（1）輸入層

PID 神經網絡輸入層中節(jié)點設定包括油膜厚度、潤滑動態(tài)負載壓力、柱塞軸向偏心率等潤滑控制參數(shù)。將控制參數(shù)設定為數(shù)值net1（k），真實數(shù)值設定為net2（k），則有：

對于每個隱含層的神經元，輸入之和netj′（k）為

式中：xi（k）表示輸入層神經元的輸出總數(shù)。

（2）隱含層

（o，y）→e 映射是由隱含層輸入之和而得到的。

神經元的比例輸出表達式為

式中：u1′（k）表示隱含層的神經元比例元狀態(tài)。

神經元積分的輸出表達式為

式中：u2′（k）表示隱含層的神經元積分元狀態(tài)。

神經元的微分輸出表達式為

式中：u3′（k）表示隱含層的神經元微分元狀態(tài)。

（3）輸出層

對于輸出層，輸入之和為

當PID 神經網絡的連接權重被設定為初始值時，該神經網絡的輸出潤滑控制指標為

PID 神經網絡中的連接權重初值即為初始等效PID 控制器。進一步對PID 神經網絡進行在線學習，調節(jié)連接權重，實現(xiàn)高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制。

4 柱塞泵潤滑自動控制實驗

為了驗證所提技術的潤滑控制有效性，設計對比實驗。以MCY14-1B 型號高壓柱塞泵作為實驗對象，設置實驗參數(shù)為

柱塞直徑：20 mm。

柱塞長度：100 mm。

氣缸內徑：50 mm。

潤滑劑參數(shù)：選擇礦物油作為潤滑劑。

實驗方法步驟如下：

（1）制備實驗裝置，配置潤滑系統(tǒng)、安裝柱塞副和壓力傳感器測量設備；

（2）設定柱塞泵的動態(tài)負載壓力分別為18 MPa、25 MPa、30 MPa 三個等級，選用3 種柱塞副間隙油膜厚度為10 μm、17 μm、22 μm 作為實驗變量；

（3）在上述條件下開始實驗，并記錄相關數(shù)據(jù)，如摩擦力、間隙油膜厚度、潤滑劑供給參數(shù)等；

（4）在上述實驗步驟下，分別分析動態(tài)負載和間隙油膜厚度對柱塞副潤滑控制性能的影響。通過電動驅動設備施加動態(tài)負載，并進行控制和調整，驗證所設計高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制技術的性能。

4.1 動態(tài)負載壓力

柱塞泵的動態(tài)負載壓力分別為18 MPa、25 MPa、30 MPa 三個等級，15 MPa 作為實驗動態(tài)負載壓力界限，動態(tài)負載對柱塞泵壓力的影響，如圖3 所示。

圖3 動態(tài)負載對柱塞泵壓力的影響Fig.3 Effect of dynamic load on the plunger pump pressure

通過圖3 能夠看出，隨著負載的增加，柱塞泵的壓力也逐漸變大。但可以觀察到，18 MPa 效果是3 個等級中最佳的。因此，為了驗證潤滑控制效果，選擇壓力為18 MPa 作為實驗參數(shù)。

4.2 柱塞副間隙油膜厚度

選用3 種柱塞副間隙油膜厚度為10 μm、17 μm、22 μm 作為實驗變量，如圖4 所示。能夠看出22 μm的油膜壓力最大。隨著運行時間的增長，柱塞副間隙油膜厚度會隨之改變，由于工程機械高壓柱塞泵屬于一項大型工程，油膜壓力會較大，因此選用22 μm 作為控制約束，驗證所提技術的性能。

圖4 油膜峰值壓力Fig.4 Peak oil film pressure

柱塞副控制前后的變化如圖5 所示。通過圖5（a）能夠看出，未控制時柱塞副的混合摩擦面積較大，會導致設備使用周期縮短，潤滑效果較差，設備磨損嚴重，經過控制后，摩擦面積較小，基本上在0 mm2浮動，證明潤滑的自動控制作用，降低了設備的損耗，提高其運行周期時間；從圖5（b）可以看出，未控制時的柱塞副油膜間隙厚度較大，導致油液速度梯度增加，摩擦力增加。經過控制后，雖然柱塞副油膜間隙厚度較大，但是油液速度梯度變小，致使摩擦力降低；從圖5（c）可以看出，經過控制后柱塞副泄漏量隨之減少，明顯優(yōu)于未控制的機械設備狀態(tài)。

圖5 柱塞副控制前后的變化Fig.5 Changes in plunger pair control before and after

綜上所述，所提方法柱塞泵潤滑控制效果俱佳，減少設備磨損，加強使用壽命。

5 結語

本文提出了工程機械高壓柱塞泵雙線智能化集中潤滑自動控制技術。通過建立工程機械高壓柱塞泵組件模型，計算柱塞油膜厚度偏差，得到動態(tài)負載支撐產生的壓力，采用PID 神經網絡算法潤滑控制柱塞泵，設置連接權重初值，輸出潤滑控制指標。實驗結果表明，通過智能化集中潤滑自動控制技術，工程機械運行過程中的高壓柱塞泵可以實時監(jiān)測并自動調節(jié)潤滑劑負載壓力和油膜厚度，確保每個潤滑點都能得到均勻適量的潤滑，柱塞泵潤滑控制效果較好，從而延長設備的使用壽命，減少故障率，降低維修成本。