基于電比例馬達(dá)的旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭多擋控制

焦生杰，葛 鵬，孔慶華，于 飛，夏 北

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221001）

旋挖鉆機(jī)是一種取土成孔灌注樁施工機(jī)械［1］，具有機(jī)動(dòng)靈活，施工效率高，環(huán)境保護(hù)性能好等特點(diǎn)［2］.液壓系統(tǒng)在整機(jī)中傳遞和分配合適的動(dòng)力至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)工作裝置包括動(dòng)力頭、動(dòng)力頭加壓裝置、主卷、副卷、傾缸、回轉(zhuǎn)、行走裝置、履帶伸縮油缸、液壓支腿等.而動(dòng)力頭作為最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的負(fù)載適應(yīng)能力對(duì)施工效率起著至關(guān)重要的作用.目前動(dòng)力頭大多采用液壓驅(qū)動(dòng)，鉆進(jìn)速度一般都具有多擋，適合在多種工況下作業(yè)［3－5］.本文基于電比例控制（Electric Proportion，EP）方式對(duì)動(dòng)力頭馬達(dá)排量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)力模式、標(biāo)準(zhǔn)模式、高效模式和甩土模式的四擋控制，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的.

1 動(dòng)力頭多擋控制原理

動(dòng)力頭馬達(dá)的控制方式很多，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各大主機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家一般在小型旋挖鉆機(jī)上采用液壓兩點(diǎn)式控制，在大中型旋挖鉆機(jī)上采用高壓自動(dòng)變量（Highpress Automatic，HA）控制.液壓兩點(diǎn)馬達(dá)相當(dāng)于具有2個(gè)擋位的定量馬達(dá)，負(fù)載變化時(shí)壓力沖擊較大，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力相對(duì)較低.高壓自動(dòng)變量控制對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力較好，但馬達(dá)排量隨壓力變化的斜率不可調(diào)，而且對(duì)變量的控制起點(diǎn)和控制終點(diǎn)有限制.

1.1 設(shè)計(jì)思想

普通HA馬達(dá)的壓力－排量比曲線(xiàn)如圖1所示，在一定的范圍內(nèi)，排量與負(fù)載壓力呈線(xiàn)性關(guān)系.而EP馬達(dá)的排量只與控制電流有關(guān)，與負(fù)載壓力沒(méi)有直接聯(lián)系［6］，如圖2所示.因此可通過(guò)對(duì)電流的控制使不同工況下的排量－壓力比曲線(xiàn)具有不同的斜率，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)HA馬達(dá)工作范圍和能力的擴(kuò)展.

通過(guò)安裝在動(dòng)力頭馬達(dá)進(jìn)油閥塊上的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)工作壓力，將壓力信號(hào)輸入控制器，根據(jù)控制器內(nèi)預(yù)存的各擋位下的壓力－排量比曲線(xiàn)計(jì)算此工況下的最佳排量，然后根據(jù)EP馬達(dá)的電流－排量比曲線(xiàn)計(jì)算最佳排量對(duì)應(yīng)的電流值，通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)馬達(dá)電磁閥實(shí)現(xiàn)排量的實(shí)時(shí)跟隨.

圖1 HA馬達(dá)排量與壓力的關(guān)系Fig.1 Relationship between displacement and pressure of HA motor

圖2 電比例馬達(dá)排量與電流的關(guān)系Fig.2 Relationship between displacement and currency of EP motor

1.2 各工況的工作模式

控制器根據(jù)操作員選擇的模式設(shè)定EP馬達(dá)排量的變化范圍.

強(qiáng)力模式下，控制器輸出的電流值為零，使馬達(dá)保持在滿(mǎn)排量，輸出轉(zhuǎn)速最低，系統(tǒng)壓力隨負(fù)載的增大升高，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溢流壓力時(shí)，輸出扭矩達(dá)到最大值.

標(biāo)準(zhǔn)模式下，在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)，馬達(dá)排量比為0.5至全排量變化，低于此模式下最小設(shè)定壓力時(shí)，馬達(dá)排量比維持在0.5，高于最高設(shè)定壓力，馬達(dá)維持全排量.標(biāo)準(zhǔn)模式是工作時(shí)的常用模式，動(dòng)力頭輸出扭矩可滿(mǎn)足負(fù)載在最大范圍內(nèi)的變化.

高效模式下，在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)，馬達(dá)排量比為0.35～0.60，低于此模式下最小設(shè)定壓力時(shí)，馬達(dá)排量比維持在0.35，高于最高設(shè)定壓力，馬達(dá)維持排量比為0.60.此模式可實(shí)現(xiàn)較高的工作轉(zhuǎn)速.

甩土模式下，馬達(dá)始終保持排量比為0.35，輸出轉(zhuǎn)速更高，動(dòng)力頭通過(guò)左右反轉(zhuǎn)可將鉆具內(nèi)的土順利甩出，系統(tǒng)壓力隨負(fù)載變化.

公式推導(dǎo)如下：

將起調(diào)點(diǎn)的壓力和排量值Vsmin，psmin代入可得

同時(shí)由EP馬達(dá)的電磁閥比例特性（見(jiàn)圖2），可得電流值與排量比的關(guān)系為

式中：βm為馬達(dá)排量比，βm＝V/Vmax，Vmax為馬達(dá)標(biāo)定的最大排量.

由式（2），（3）可求得電流與壓力的關(guān)系為

2 動(dòng)力頭多擋控制設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 元件參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用康明斯QSM系列渦輪增壓電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 100r·min－1，額定功率為441kW；主泵為開(kāi)式變量泵，排量為135ml·r－1，馬達(dá)采用力士樂(lè)A6VM 系列斜軸式柱塞馬達(dá)，排量為200ml·r－1；馬達(dá)行星減速機(jī)的減速比為33.75，效率為0.94；動(dòng)力箱減速比為5.235，效率為0.92.系統(tǒng)工作壓力為30MPa，溢流壓力為32MPa.

2.2 工作模式參數(shù)設(shè)定

設(shè)計(jì)中需要考慮馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速與減速機(jī)允許的最大輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系，一般取二者中的較小值.根據(jù)力士樂(lè)樣本資料，排量在28～200ml·r－1范圍內(nèi)的馬達(dá)所能承受的極限轉(zhuǎn)速一般在排量比為0.63時(shí)取得，且為滿(mǎn)排量時(shí)額定轉(zhuǎn)速的1.58倍左右，如圖3所示.樣本中馬達(dá)滿(mǎn)排量時(shí)的轉(zhuǎn)速為2 900r·min－1，因此可達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速為4 600r·min－1，而減速機(jī)允許輸入的最高轉(zhuǎn)速為4 000r·min－1，所以馬達(dá)的排量不能設(shè)置得太小，存在排量下限.

在考慮轉(zhuǎn)速限制并兼顧效率的前提下，將馬達(dá)的最小排量比設(shè)置為0.35，經(jīng)計(jì)算得此排量下的轉(zhuǎn)速約為3 800r·min－1，滿(mǎn)足要求.各工作模式參數(shù)如表1所示.

表1 各工作模式參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of various operation modes

圖3 與轉(zhuǎn)速有關(guān)的允許排量比Fig.3 Alowed displacement related to rotate speed

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

將上述參數(shù)代入式（4）可得如下函數(shù)關(guān)系：

強(qiáng)力模式（見(jiàn)圖4）：

標(biāo)準(zhǔn)模式（見(jiàn)圖5）：

高效模式（見(jiàn)圖6）：

甩土模式（見(jiàn)圖7）：

2.4 極限負(fù)荷控制

通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可將負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)化為泵排量控制信號(hào)，調(diào)節(jié)泵的吸收功率隨負(fù)載變化而與發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配，實(shí)現(xiàn)極限負(fù)荷控制［7－8］.系統(tǒng)的溢流壓力設(shè)定為32MPa，理論上（此時(shí)泵排量為135ml·r－1，馬達(dá)排量為200ml·r－1，同時(shí)考慮各部件效率）可輸出458kN·m的轉(zhuǎn)矩和7.55r·min－1的轉(zhuǎn)速，但此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)輸出462kW功率，超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率.假定發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入主泵的功率為400kW，采用極限負(fù)荷控制來(lái)減小泵的吸收功率（泵的排量），在泵的排量為115～117ml·r－1時(shí)可使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到額定點(diǎn)附近，此時(shí)的動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速為6.4r·min－1.如果存在其他復(fù)合動(dòng)作，動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速還會(huì)相應(yīng)降低，但是可達(dá)到的最大扭矩值不變.

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用電比例馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力頭的多擋位控制，方式靈活，馬達(dá)各擋位排量的變化范圍和對(duì)應(yīng)的起調(diào)壓力可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，主機(jī)廠(chǎng)商還可根據(jù)用戶(hù)施工地區(qū)的具體地質(zhì)狀況利用車(chē)載GPS實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)整，從而使旋挖鉆機(jī)對(duì)地層的適應(yīng)性更強(qiáng)，滿(mǎn)足不同工況對(duì)扭矩的需求，實(shí)現(xiàn)高效施工、節(jié)能減排.

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