张树忠,刘 意,郑祥盘,张雪峰
(1.福建理工大学 福建省智能加工技术及装备重点实验室,福建 福州 350108;2.闽江学院 福建省教育厅先进运动控制重点实验室,福建 福州 350108)
液压挖掘机作为一种重型工程机械,广泛应用于建筑、矿山、道路建设和农业等领域。目前的液压挖掘机大都采用阀控液压系统,这种系统存在能量损失大、结构复杂、噪声和振动大等缺点[1]。随着电控和变频技术的发展,一种新型泵控液压系统备受关注[2]。差动液压缸是目前液压系统使用最为广泛的执行器,解决其两腔面积不对称引起的流量不平衡和多象限切换导致的速度波动成为两大主要问题。
针对两腔面积不对称引起的流量不平衡问题,IVANTYSYNOVA M[3]首先提出采用2个液控单向阀对两腔进行补放油;权龙等[4-5]根据进出口独立控制思路提出了6种不同的控制方案,包括多泵组合以及单泵与蓄能器组合等;景健等[6]从泵的排量角度着手,提出了一种三配流口泵控差动缸方案。
针对多象限切换导致的速度波动问题,葛磊等[7]对采用液控单向阀的泵控差动缸系统展开分析,受两腔压力变化的影响,均会产生速度波动;黄豪杰[8]对单电机控制定量泵的液压缸负载力方向突变引起的速度波动问题进行分析,在覆盖四象限的挖掘机挖掘过程中,当负载力方向改变时,均会产生不同程度的波动情况;IMAM A等[9]对比了多个流量补偿阀对泵控差动缸系统的影响,采用比例溢流阀提高补偿系统压力,避免速度波动;WANG L等[10]提出采用一种基于奇异点摄动理论,有效抑制多象限情况下的速度波动情况;CALISKAN H等[11]设计了新的补油阀,降低了泵速与差动缸速度之间的变压比,有效的避免了速度波动;WILLIAMSON C等[12]提出一种预测观测器,对双腔压力的提前观测,通过试验和仿真验证可以有效抑制速度波动;张树忠等[13]提出采用加入速度前馈和双泵控双腔的系统方案,采用速度开环或闭环控制,均可以消除速度波动。
根据液压缸负载力和速度方向的不同,将系统分为四象限工况。挖掘机动臂主要受工作装置和负载力的作用,工况单一;斗杆及铲斗则存在四象限工况切换,若采用单泵控液压系统,液控单向阀不能稳定平衡两侧的流量差。对此,本研究提出一种单双泵混合分布式泵控挖掘机液压系统,动臂采用单泵控液压系统,而斗杆及铲斗采用双泵并联式泵控液压系统。
1.1 单泵控液压系统
单泵控液压系统主要由伺服电动机/发电机、双向定量泵/马达、蓄能器、一对用于低压侧补油的液控单向阀、一对用于限定系统最高压力的溢流阀以及差动液压缸组成,如图1所示。
1.蓄能器 2.伺服电机 3.双向定量泵/马达 4.液控单向阀 5.溢流阀 6.差动缸
根据差动液压缸所受负载力和运动情况,可将泵控系统分为泵工况和马达工况。忽略液压缸泄漏,假设双向定量泵/马达分别处于马达工况和泵工况时泄漏量相同,对单泵控差动缸液压系统进行原理分析,其速度-负载特性如图2所示。
图2 速度-负载特性
液压缸活塞杆伸出过程(Ⅰ和Ⅱ象限)或活塞杆缩回过程(Ⅲ和Ⅳ象限)中,由于工作装置姿态的变化,造成负载力方向改变,液压缸高压腔也发生改变。由于差动缸两腔有效面积不相等,不仅造成液压缸速度发生突变,产生速度波动;而且由于高压腔与低压腔压力接近,造成2个液压控单向阀频繁逆向开启,影响系统稳定性。假设,负载力方向发生变化,而泵/马达角速度不变的情况下,则液压缸速度比为:
(1)
式中,Ds——泵/马达排量
ω——泵/马达角速度
qL——泵/马达泄漏流量
vi——液压缸不同象限下的速度,i为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ
A1——液压缸大腔有效面积
A2——液压缸小腔有效面积
由于泵/马达泄漏量相对较小,在泵工况与马达工况切换时可忽略其对速度变化的影响,若A2/A1≈0.64(差动缸杆径为30 mm,缸径为50 mm),则速度波动率(1-α)约为36%。因此,采用单泵控液压系统,在四象限循环工况切换时,并不能很好的解决差动缸流量补偿问题。
1.2 双泵并联式泵控液压系统
为解决液压执行器在伸出或缩回过程中由于负载力方向改变导致泵/马达工况切换造成速度大幅度波动问题,可用双泵并联式泵控差动缸方案,其原理如图3所示。该方案在原有双向定量泵3.1的基础上,在电机传动轴上并联一个排量较小的单向定量泵3.2(液压缸伸出时给大腔补油;液压缸缩回时给大腔排油),并将液控单向阀改为普通单向阀。
1.蓄能器 2.伺服电机 3.双向定量泵 4.单向阀 5.溢流阀 6.差动缸 7.联轴器
忽略液压泵和液压缸泄漏,对液压缸活塞杆伸出和缩回过程中工况变化进行分析。当液压缸伸出时,液压缸伸出速度ve和泵角速度ω的关系为:
ve=ω(D1+D2)/A1=ωD1/A2
(2)
式中,D1——双向定量泵排量
D2——单向定量泵排量
当液压缸缩回时,液压缸缩回速度vr和泵角速度ω的关系为:
vr=ωD1/A2
(3)
由式(2)和式(3)可知,当速度方向不变时,无论负载力的方向是否变化,活塞速度与泵/马达角速度之比不变,即该双泵并联式泵控液压系统较单泵控液压系统能更有效的实现非对称液压缸的流量补偿,具有更好的速度控制性能。
1.3 单双泵控混合分布式挖掘机液压系统
综上所述,单泵控液压系统适用于二象限工况,而并联泵控系统适用于四象限工况。为此,考虑挖掘机各液压缸速度-负载特性,提出一种单双泵控混合分布式挖掘机液压系统,其原理如图4所示。该系统中二象限工况的动臂采用单泵控液压系统,四象限工况的斗杆及铲斗采用双泵并联式泵控液压系统。
图4 单双泵控混合分布式挖掘机液压系统
2.1 动力学模型
对实验室1 t级微型挖掘机进行拆卸、称重得到挖掘机各零部件质量和重心,运用三维坐标扫描仪对其进行扫描,结合逆向工程和正向设计得到各零部件三维模型,并装配得到挖掘机模型。对泵控单元进行建立三维模型,主要包括蓄能器、电机、泵/马达及阀组等元件,并将3个泵控单元分别搭载于动臂、斗杆结构件相关装配位置。最后,将三维模型导入MATLAB/Simscape中,建立如图5所示的挖掘机机械结构多体动力学模型[14]。
图5 混合分布式泵控挖掘机多体动力学模型
泵控单元各组件的主要参数和质量,如表1所示。考虑辅助元件的质量,每个泵控单元质量约20 kg。
表1 挖掘机各泵控单元各元件参数
2.2 液压系统模型
在Simulink中分别建立单泵控液压系统和双泵并联式泵控液压系统模型[15],如图6和图7所示,并与挖掘机动力学模型联合,为后续仿真分析做准备。
图6 单泵控液压系统
图7 双泵并联式泵控液压系统
3.1 典型挖掘循环
为合理模拟挖掘机工作过程,建立了一个基于JCMAS (日本建筑机械化协会标准) 的空铲挖掘循环作为模型的输入。该循环包括下降→挖掘→提升→放铲→回位,时间为22 s,其中动臂、斗杆以及铲斗的液压缸位置曲线和速度曲线,如图8所示。
图8 挖掘机典型工作循环下的位置、速度信号
3.2 两种结构在动臂上的能耗对比
为分析对比单泵控和双泵并联式泵控液压系统在动臂上的能耗情况,开展仿真研究。仿真中,虽然两种结构泵个数不同,但总排量一致,故采用同一组PID参数。在不考虑能量回收的情况下,根据表2中的公式来计算电机、泵/马达、液压缸的功率能耗。
表2 功率能耗计算公式
计算结果如图9和表3所示,可知两种结构在动臂上的能耗和效率几乎相当。考虑安装成本和复杂性,则动臂采用单泵控液压系统更为合理。
表3 能耗效率
图9 两种结构在动臂上的能耗对比
3.3 单双泵混合分布式挖掘机性能分析
1) PID控制
采用PID位置控制对考虑各泵控单元质量的挖掘机进行仿真分析。仿真中,动臂、斗杆及铲斗的PID参数如表4所示。
表4 PID参数
2) 位移/速度跟踪特性
以JCMAS典型挖掘循环为输入,通过仿真得到如图10所示的位置跟踪曲线和图11的跟踪误差曲线。可知,由于系统的非线性影响,位置跟踪存在延迟,但整体稳定性良好。此外,动臂受到单泵控液压系统以及作用力大的影响,误差相对略大。
图10 动臂、斗杆及铲斗的位置跟踪曲线
图11 动臂、斗杆及铲斗跟踪误差
由图12所示的动臂、斗杆及铲斗速度动态性能可知,在四象限工况运行的斗杆中,双泵并联式液压系统能有效的减少速度的波动且响应更快。
图12 动臂、斗杆及铲斗的速度动态性能
3) 功率与能耗对比
根据表2中的公式进行计算,得到如图13所示的单双泵控混合分布式挖掘机总能耗和如图14所示的3个工作装置在系统中的能耗占比情况,可知系统总能耗为4.1 kJ,其中动臂、斗杆及铲斗的能耗占比分别为32%,23%及7%,系统总效率为62%。
图13 电机、泵及液压缸总能耗
图14 能耗分布图
基于工作装置各液压缸的速度负载特性,结合单泵控液压系统和双泵并联式泵控液压系统的速度性能分析,设计了一种单双泵混合分布式泵控挖掘机液压系统,通过仿真研究,结果表明:
(1) 双泵并联式比单泵控式系统效率略低1.2%,但并联泵控系统在负载力突变时,几乎不产生速度波动,具有良好的速度控制性能。
(2) 在一个典型挖掘循环下,所提出的分布式泵系统总能耗为4.1 kJ,总效率为62%。
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