張樹(shù)忠， 黃豪杰， 晏 岱

(1. 福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 福建福州 350108;2. 福建省機(jī)床行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新公共服務(wù)平臺(tái), 福建福州 350108)

引言

液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械中最常用的機(jī)械設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用途廣泛，但其存在耗油高、排放差、能量利用率低等問(wèn)題。在全世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重形勢(shì)下，如何實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的節(jié)能和降低排放，越來(lái)越受到人們重視，成為目前研究的熱點(diǎn)[1]。

當(dāng)前挖掘機(jī)仍采用發(fā)動(dòng)機(jī)-變量泵-多路閥-執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。由于節(jié)能環(huán)保要求， 部分研究采用電動(dòng)機(jī)替代內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)，但系統(tǒng)效率仍有待提高[3]。隨著相繼成功研制出了交流伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)-液壓泵/馬達(dá)-執(zhí)行器的直驅(qū)已開(kāi)展工程應(yīng)用，如注塑機(jī)上采用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的定量泵系統(tǒng)具有較高能量效率[4]。這些液壓系統(tǒng)節(jié)能方法對(duì)于提高挖掘機(jī)效率方面將會(huì)起到十分重要的作用。本研究結(jié)合了伺服機(jī)電和定量泵容積調(diào)速液壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單定量泵的分布式直驅(qū)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，用導(dǎo)線代替液壓管路傳遞動(dòng)力的分布式智能控制，避免了節(jié)流損失，同時(shí)達(dá)到更寬的轉(zhuǎn)速范圍和獲得較大的轉(zhuǎn)矩輸出，降低了伺服電機(jī)的性能要求，移動(dòng)與安裝靈活，達(dá)到了挖掘機(jī)節(jié)能減排與性能提升的有效融合。

小型挖掘機(jī)以其小巧、多功能、靈活、高效益的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，日益成為土木工程應(yīng)用的理想設(shè)備。本研究的研究對(duì)象為某公司生產(chǎn)的型號(hào)為7 t級(jí)小型液壓挖掘機(jī)，將定排量直驅(qū)液壓技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)臂、斗桿和鏟斗，并對(duì)其跟蹤性能和能耗進(jìn)行仿真分析。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 傳統(tǒng)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)油泵輸出動(dòng)力轉(zhuǎn)換成液壓能經(jīng)過(guò)管路及換向閥驅(qū)動(dòng)油缸或油馬達(dá)，在轉(zhuǎn)遞分配過(guò)程中能量損失很大,一般高達(dá)2/3，實(shí)際利用率很低，在液壓元件工作時(shí)，內(nèi)摩擦、油液泄漏等將導(dǎo)致流量和壓力損失，其中以作為能量轉(zhuǎn)換元件的發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)和液壓缸的能量損失最為嚴(yán)重，其次是各種閥和管道等液壓元件的能量損失，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)挖掘機(jī)的能耗流向分析

日本的神鋼公司研究表明了在傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)實(shí)際總能量利用率只有約20%[5]，如圖2所示，亟需采用一種新的結(jié)構(gòu)，以減少系統(tǒng)能量損耗，以提高系統(tǒng)效率。

1.2 采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸的挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)原理

本研究主要研究伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵/馬達(dá)來(lái)控制差動(dòng)液壓缸在挖掘機(jī)上的應(yīng)用效果，即分別為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗提供獨(dú)立伺服直驅(qū)容積調(diào)速液壓系統(tǒng)。如圖3所示，系統(tǒng)主要包括液壓執(zhí)行元件、雙向定量泵/馬達(dá)、伺服電機(jī)、控制器、液控單向閥，其中控制器接收通過(guò)駕駛室輸入的控制各個(gè)液壓執(zhí)行元件速度的信號(hào)，并計(jì)算出各個(gè)液壓執(zhí)行元件的控制信號(hào)，再傳輸?shù)阶冾l器，變頻器輸出相應(yīng)頻率的電壓來(lái)控制驅(qū)動(dòng)泵的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)速方向，從而來(lái)控制與其連接的雙向泵/馬達(dá)的輸出的流量、壓力和轉(zhuǎn)向，對(duì)各個(gè)液壓執(zhí)行元件的速度、位移和方向控制。結(jié)合2個(gè)液控單向閥解決不對(duì)稱活塞缸容積控制過(guò)程中出現(xiàn)的非對(duì)稱液壓缸流量不平衡問(wèn)題，以及系統(tǒng)的泄油和補(bǔ)油問(wèn)題，以防止出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象和空氣滲入系統(tǒng)[6]。

圖2 傳統(tǒng)挖掘機(jī)的能耗流程圖

1.執(zhí)行液壓缸 2.溢流閥 3.液控單向閥 4.雙向定量泵/馬達(dá) 5.伺服電機(jī) 6.變頻器 7.液壓油箱 8.電源與控制器

如圖4所示，相比傳統(tǒng)挖掘機(jī)閥控液壓系統(tǒng)，盡管伺服電機(jī)泵控缸系統(tǒng)中的定量泵的效率與閥控變量泵相當(dāng)，但液壓系統(tǒng)效率由于避免了節(jié)流損失和溢流損失且管路大大縮短，其液壓系統(tǒng)效率可達(dá)90%左右，系統(tǒng)最終能量利用率可達(dá)64%。

圖4 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸方案的能耗流程圖

1.3 采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸的優(yōu)點(diǎn)

(1) 將單變量泵和伺服電機(jī)直接連接，來(lái)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)非對(duì)稱液壓缸，通過(guò)2個(gè)液控單向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸的流量平衡，系統(tǒng)避免了系統(tǒng)的節(jié)流損失和溢流損失，系統(tǒng)效率較高；

(2) 用導(dǎo)線代替液壓管路傳遞動(dòng)力的分布式智能控制，本系統(tǒng)主回路很短且沒(méi)有節(jié)流元件，因此壓力損失少、發(fā)熱量少，不需要冷卻裝置；

(3) 相比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，本系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)用油少、所需油箱容積很小， 可把伺服電動(dòng)機(jī)、油泵、油箱等組成一體， 做成液壓包形式；

(4) 伺服電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵，系統(tǒng)效率大大提高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排和降噪。傳統(tǒng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后工作， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作也不停機(jī)，電機(jī)和油泵照常運(yùn)行，耗能大。本系統(tǒng)執(zhí)行件需要工作時(shí)，電機(jī)即運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行件不工作時(shí)，電機(jī)即停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)按需驅(qū)動(dòng)，節(jié)約電能。

2 系統(tǒng)模型

通過(guò)AMESim中的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)建立閥控液壓系統(tǒng)挖掘機(jī)仿真模型圖如圖5所示；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸的挖掘機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真模型如圖6所示， 把伺服電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)比例環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，計(jì)算得出兩者的差值，對(duì)應(yīng)差值通過(guò) PID 控制器處理，作為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)。由于本研究主要研究工作裝置的液壓系統(tǒng)，故未涉及挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)和行走部分。因此該挖掘機(jī)系統(tǒng)模型，其工作裝置主要由鏟斗、斗桿和動(dòng)臂組成，通過(guò)3組液壓缸的伸縮聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖5 閥控的挖掘機(jī)模型

圖6 伺服電機(jī)泵控缸的挖掘機(jī)模型

在2種驅(qū)動(dòng)方式中挖掘機(jī)模型共用一套主要參數(shù)，參數(shù)按照上述的7 t級(jí)液壓挖掘機(jī)的實(shí)際資料設(shè)定，如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

3 仿真分析

為模擬更合理的負(fù)載，并較準(zhǔn)確體現(xiàn)挖掘機(jī)的工作特征，選取現(xiàn)今國(guó)際上通用的一個(gè)典型循環(huán)工況:下降→挖掘→提升→旋轉(zhuǎn)90°→放鏟→旋轉(zhuǎn)回位[7-8]。仿真時(shí)間周期設(shè)置為20 s以符合液壓挖掘機(jī)的典型循環(huán)工況周期，其鏟斗、斗桿和動(dòng)臂液壓缸活塞的仿真位移曲線結(jié)果如圖7所示，即在挖掘機(jī)整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中，系統(tǒng)輸入的位移信號(hào)。

圖7 液壓桿位移控制信號(hào)

通過(guò)軟件仿真運(yùn)行，可以得到閥控和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸系統(tǒng)的位移跟蹤誤差曲線，其中鏟斗的跟蹤曲線如圖8所示。

圖8 典型挖掘循環(huán)的鏟斗跟蹤性能

在液壓挖掘機(jī)一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)，由圖8可知在加速、等速、減速各個(gè)工作階段，如表2所示，系統(tǒng)位移跟蹤精度較高，穩(wěn)態(tài)誤差不大，控制效果較好。

通過(guò)計(jì)算泵輸出到液壓缸的流量和壓力之積得到其功率分布，并對(duì)一個(gè)工作循環(huán)中的各液壓缸消耗功率進(jìn)行積分，得到所消耗的能量。其3個(gè)液壓缸的能量消耗累積分別如圖9和圖10所示。一個(gè)典型挖掘循環(huán)中，工作裝置所消耗的能量為鏟斗、斗桿和動(dòng)臂3個(gè)液壓缸之和：

(1)

Etotal=E1+E2+E3

(2)

式中，t1，t2為系統(tǒng)運(yùn)行始末時(shí)間；pi為各液壓缸主泵所供油壓力；Qi為各液壓缸主泵所供油流量，i為1，2和3，分別表示鏟斗、斗桿和動(dòng)臂。

圖9 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸系統(tǒng)能量消耗分布

圖10 閥控系統(tǒng)能量消耗分布

從上面圖中比較可見(jiàn)，雖然伺服電機(jī)泵控缸系統(tǒng)的位移跟蹤進(jìn)度性能比閥控系統(tǒng)稍差，但其系統(tǒng)節(jié)能特性明顯比閥控系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該伺服電機(jī)泵控缸技術(shù)的挖掘機(jī)一個(gè)典型循環(huán)工況下消耗能量約203.0 kJ，而傳統(tǒng)液壓閥控約589.2 kJ，節(jié)能65%左右。這部分能量大都損失在液壓閥的閥口上，不僅造成大量的能量浪費(fèi)，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱和元件壽命的降低。

雖然數(shù)據(jù)表明伺服電機(jī)泵控缸系統(tǒng)的位移跟蹤精度性能比閥控系統(tǒng)略差，但其位移跟蹤均方誤差相比閥控系統(tǒng)小，控制相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)出現(xiàn)特大或特小誤差波動(dòng)。而且通過(guò)改進(jìn)控制算法以及優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)可進(jìn)一步提高伺服電機(jī)泵控缸系統(tǒng)的控制性能。

表2 兩種控制方式下位移跟蹤的標(biāo)準(zhǔn)差與均方誤差表

因此采用基于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵控缸技術(shù)的挖掘機(jī)系統(tǒng)，能夠基本滿足系統(tǒng)的控制性能的同時(shí)減少能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱量，是一種有效的提高液壓挖掘機(jī)節(jié)能降耗的措施。