吳 璇， 陳俊翔， 訚順寬， 馬軍輝， 艾 超,2

(1.燕山大學(xué) 河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 先進鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；3.三一集團有限公司， 湖南 長沙 410000； 4.三一重機有限公司， 江蘇 蘇州 215300)

引言

目前，隨著國家“十四五”計劃的實施，挖掘機在基礎(chǔ)建設(shè)方面仍有較大的市場需求[1]。正流量挖掘機作為工程機械領(lǐng)域代表性機械設(shè)備，因其具有復(fù)雜工況下適應(yīng)性強、能量密度大且工作靈活性高等優(yōu)點，在土木建筑和礦山挖掘工程領(lǐng)域被廣泛使用[2]。日常作業(yè)中，正流量挖掘機的作業(yè)工況復(fù)雜而多變，作業(yè)中可能會出現(xiàn)吸空、壓力沖擊等動作協(xié)調(diào)性問題尤其是復(fù)合動作時，加入或減去一個動作產(chǎn)生的速度突變，會影響操作體驗感以及精控性，這一問題是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對挖掘機復(fù)合動作，執(zhí)行機構(gòu)增減時產(chǎn)生的速度突變的問題，國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)進行了相關(guān)的研究。德國亞琛工業(yè)大學(xué)的ZAHE B[3]提出了流量總和控制(Sum of Flow Control，SSR)系統(tǒng)，對執(zhí)行機構(gòu)的速度進行閉環(huán)控制，通過對泵的排量控制來調(diào)節(jié)各執(zhí)行機構(gòu)的速度，并且使負(fù)載力最大的執(zhí)行機構(gòu)閥口全開，但其高昂的控制成本及傳感器限制了該系統(tǒng)的發(fā)展。徐小龍等[4]為解決動臂斗桿復(fù)合動作時動臂無法提升、合理分配多路閥內(nèi)流量的問題，設(shè)計了一種節(jié)流閥，通過改變優(yōu)先節(jié)流孔的尺寸來調(diào)節(jié)壓力分布，解決流量分配問題，不僅增加成本，且對于不同機型需設(shè)計不同的節(jié)流閥，無法實現(xiàn)普遍適用。盧書湘等[5]通過分析液壓系統(tǒng)流量分配原理，以實現(xiàn)動臂提升和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動作為例，介紹了幾種改善液壓挖掘機多動作協(xié)調(diào)性的方法，但是均需從結(jié)構(gòu)改變，難以普遍適用。趙小飛[6]針對負(fù)載敏感液壓挖掘機動臂上升、斗桿內(nèi)收、鏟斗內(nèi)收三動作復(fù)合時鏟斗內(nèi)收速度小的問題，通過增大鏟斗壓力補償器節(jié)流面積提高了鏟斗內(nèi)收動作速度，改善了動臂斗桿鏟斗協(xié)調(diào)復(fù)合動作特性，但僅適用于負(fù)載敏感系統(tǒng)。文獻[7-9]針對挖掘機復(fù)合動作的動作協(xié)調(diào)性問題提出了實驗與仿真方法，通過搭建準(zhǔn)確的AMESim模型，改進仿真模型，改進后的仿真結(jié)果顯示復(fù)合動作的動作協(xié)調(diào)性有了較大改善，但是沒有進行理論以及實驗分析，可靠性有待驗證。為解決挖掘機復(fù)合動作的不協(xié)調(diào)性問題，一些學(xué)者采取了添加流量閥的方法，從而實現(xiàn)復(fù)合動作的協(xié)調(diào)控制，達到較高的能量利用率，但成本較高，難以實現(xiàn)大量使用[10-12]。吳云展等[13]為改善裝載動作的協(xié)調(diào)性，構(gòu)建了基于響應(yīng)面法和帶精英策略的非支配排序遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法，結(jié)合AMESim軟件和Motion軟件搭建仿真模型，深入研究馬達排量、溢流壓力、減速比以及動臂液壓缸直徑等關(guān)鍵參數(shù)與裝載動作協(xié)調(diào)性之間的關(guān)系，對液壓挖掘關(guān)鍵參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化后，其協(xié)調(diào)性提升了26.42%，但對于已出廠的整機，這些關(guān)鍵參數(shù)難以修改。

本研究以全電控正流量挖掘機為研究對象，針對復(fù)合動作時，加入或減去一個動作產(chǎn)生的速度突變問題，理論分析了執(zhí)行機構(gòu)速度與變量泵輸出流量之間的定量匹配，提出調(diào)整正流量挖掘機前后泵輸出初始排量并留一部分排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號的變化調(diào)整輸出的控制策略，有效改善了挖掘機復(fù)合動作時，增減動作產(chǎn)生的速度突變協(xié)調(diào)性問題。

1 正流量挖掘機液壓及控制系統(tǒng)原理分析

全電控正流量挖掘機動臂斗桿液壓回路原理如圖1所示，控制流程如圖2所示。

圖1 動臂斗桿液壓回路原理圖

圖2 動臂斗桿控制流程

對動臂提升和斗桿挖掘復(fù)合動作進行分析，當(dāng)挖掘機無動作時，電手柄處于中位，前后泵處于最小排量，泵口的液壓油經(jīng)卸荷閥1，2流回油箱。當(dāng)挖掘機進行動臂斗桿復(fù)合動作時，手柄信號傳輸至控制器，控制器將手柄信號處理，并輸出動臂聯(lián)、斗桿聯(lián)電比例減壓閥信號以及前后泵對應(yīng)的電比例減壓閥信號，繼而控制動臂聯(lián)、斗桿聯(lián)閥芯運動，同時控制變量泵排量調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)前后泵排量，動臂、斗桿液壓缸運動，且動臂斗桿復(fù)合動作優(yōu)先是通過電比例減壓閥控制斗桿聯(lián)主閥的開度實現(xiàn)的。

當(dāng)進行動臂或斗桿單動作時，前后泵液壓油供單執(zhí)行機構(gòu)運動；當(dāng)進行動臂、斗桿復(fù)合動作時，前后泵液壓油需同時供動臂、斗桿執(zhí)行機構(gòu)運動，其中前泵液壓油90%供動臂液壓缸，10%供斗桿液壓缸，后泵液壓油100%供斗桿液壓缸。在動臂與斗桿液壓缸復(fù)合動作穩(wěn)態(tài)運動中，若減去斗桿動作控制信號，斗桿流量需求瞬時降低，此時前后泵輸出排量基本不會隨動作增減變化，無法對增減動作做相應(yīng)調(diào)整，前后泵供斗桿的液壓油流向動臂液壓缸，動臂的速度發(fā)生突增。在動臂液壓缸穩(wěn)態(tài)運動中，若加入斗桿動作控制信號，斗桿聯(lián)主閥芯移動，因為斗桿液壓缸流量需求增加，前后泵供動臂的流量因此被動分流至斗桿液壓缸，主泵流量無法跟隨系統(tǒng)流量需求變化，動臂的速度發(fā)生突降。

2 數(shù)學(xué)模型

對于電控正流量系統(tǒng)， 主泵的排量與手柄信號呈正相關(guān)，圖3為主泵正流量曲線。當(dāng)有動作時，電手柄信號傳輸至控制器進行比較，將最大的電信號傳輸至前后泵電比例減壓閥，從而控制前后泵排量，前后泵排量V1，V2和各動作手柄信號函數(shù)關(guān)系為：

圖3 主泵正流量曲線

V1=max(f1(I1),f2(I2)…fn(In))

(1)

V2=max(f1(I1),f2(I2)…fn(In))

(2)

式中，V1—— 前泵排量，mL/r

V2—— 后泵排量，mL/r

I1～In—— 挖掘機各動作手柄信號，mA

以空載工況下動臂提升與斗桿挖掘動作為例進行分析，假設(shè)各動作手柄推到底，忽略內(nèi)泄漏及節(jié)流口的影響，前后泵流量Q1，Q2為：

Q1=V1×n

(3)

Q2=V2×n

(4)

式中，Q1—— 前泵流量，L/min

Q2—— 后泵流量，L/min

n—— 發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min

當(dāng)進行動臂提升單動作時，動臂液壓缸的速度計算為：

q1=A1vDB

(5)

Q1+Q2=2q1

(6)

(7)

式中，q1—— 動臂液壓缸大腔流量，L/min

A1—— 動臂液壓缸大腔面積，mm2

vDB—— 單動作動臂液壓缸速度，mm/s

當(dāng)動臂單動作中加入斗桿挖掘動作時，動臂液壓缸以及斗桿液壓缸的速度計算為：

q11=A1vDB1

(8)

q3=A3vDG

(9)

Q1+Q2=2q11+q3

(10)

(11)

(12)

(13)

式中，q11—— 復(fù)合動作動臂液壓缸大腔流量，L/min

q3—— 斗桿液壓缸大腔流量，L/min

A3—— 斗桿液壓缸大腔面積，mm2

vDG—— 斗桿液壓缸速度，mm/s

vDB1—— 復(fù)合動作動臂液壓缸速度，mm/s

ΔvDB—— 動臂液壓缸速度變化量，mm/s

在空載工況下，動臂提升動作加入斗桿挖掘動作時，前后泵通過電比例減壓閥調(diào)節(jié)斗桿主閥開口實現(xiàn)優(yōu)先作用，但其效果有限，因為此時前后泵輸出排量基本不會隨動作增減變化，且斗桿負(fù)載小，動臂負(fù)載大，此時動臂聯(lián)的閥口已經(jīng)開到最大，隨著斗桿液壓缸流量需求增加， 供動臂的液壓油q3被分配去供斗桿，動臂速度有一個很大的變化量ΔvDB； 若動臂和斗桿復(fù)合動作中減去斗桿動作，動臂聯(lián)的閥口已經(jīng)開到最大，供斗桿的液壓油q3被分配去供動臂，同理，動臂速度變化量也為ΔvDB。

3 解決方案

對于全電控正流量挖掘機，挖掘機有動作時，手柄信號傳輸?shù)娇刂破?，控制器將最大信號傳輸至主泵上電比例減壓閥，從而控制主泵排量。由于單動作不是作業(yè)工況，在滿足復(fù)合動作指標(biāo)的前提條件下，提出調(diào)整正流量挖掘機前后泵輸出初始排量并留一部分排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號的變化調(diào)整輸出的控制策略，使前后泵輸出的總排量與驅(qū)動動臂、斗桿動作的各液壓缸流量需求匹配。

對應(yīng)挖掘機每一單一動作和每一復(fù)合動作，將挖掘機前后泵的輸出排量分為前、后泵動作初始排量V前初，V后初和前、后泵排量余量V前余，V后余兩部分；前泵及后泵動作初始排量為前泵及后泵對應(yīng)該動作的最大輸出排量的50%～80%；前、后泵排量余量為前、后泵對應(yīng)該動作的最大輸出排量減去前、后泵動作初始排量后的余量，用于跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號的變化調(diào)整輸出，以便驅(qū)動各液壓缸動作。

以前泵為例進行介紹，前泵泵控策略如圖4所示。首先， 在程序中預(yù)先設(shè)定各動作手柄輸入信號的最大排量余量。在挖掘機動作中，各電手柄信號變化，系統(tǒng)流量需求變化，控制器采集各手柄信號，根據(jù)最大排量余量表設(shè)定輸入電信號下的最大排量余量值。隨著手柄信號的變化，控制器計算理想正流量排量數(shù)值，再將此排量數(shù)值轉(zhuǎn)為電流信號值，最后將此電流信號輸出至前后泵上的電比例減壓閥，比例減壓閥的二次輸出壓力對應(yīng)調(diào)整前后泵的排量調(diào)節(jié)機構(gòu)從而改變泵排量。前泵具體計算如式(14)～式(17)，后泵原理及計算公式同前泵。

圖4 前泵泵控控制策略

前泵初始排量的計算公式為：

V前初=V前max×k1

(14)

式中，V前初—— 前泵初始排量，mL/r

V前max—— 對應(yīng)該動作前泵的最大輸出排量，mL/r

k1—— 排量限制系數(shù)，可取50%～80%，表示對應(yīng)該動作前泵只輸出其最大排量的50%～80%，預(yù)留20%～50%的排量作為排量余量

前泵余量的計算公式為：

(15)

式中，I動臂—— 動臂手柄的控制信號，mA

I斗桿—— 斗桿手柄的控制信號，mA

I鏟斗—— 鏟斗手柄的控制信號，mA

Imax—— 手柄控制信號的最大量程，mA

排量余量和斗桿手柄控制信號之間的函數(shù)關(guān)系V(I斗桿)為：

(16)

式中，A—— 斗桿液壓缸剛開始運動時的手柄電流值，mA

D—— 斗桿液壓缸速度剛達到最大時的手柄電流值，mA

a—— 對應(yīng)于該動作最大的前泵排量余量，即(1-k1)×V前max，mL/r

排量余量和鏟斗手柄控制信號之間的函數(shù)關(guān)系V(I鏟斗)為：

(17)

式中，B—— 鏟斗液壓缸剛開始運動時的手柄電流值，mA

E—— 鏟斗液壓缸速度剛達到最大時的手柄電流值，mA

未實施控制策略時，前后泵的最大可用排量為V，進行動臂提升單動作時，前后泵沒有排量余量，2V的液壓油全部進入動臂液壓缸，當(dāng)加入斗桿挖掘動作時，有將近的排量將流入斗桿液壓缸，此時動臂液壓缸就會出現(xiàn)速度的大幅度變化。

實施上述控制策略，前泵和后泵的最大可用排量為k1·V，前泵和后泵各留有(1-k1)·V的排量余量，當(dāng)加入斗桿挖掘動作時，隨著斗桿挖掘控制信號的不斷增大，前后泵的排量余量線性地從k1·V增加到V。此時雖然仍有V的排量會流入斗桿液壓缸，但動臂液壓缸的速度變化幅度就會減小。

4 仿真分析

以某公司37 t全電控正流量挖掘機為研究對象進行機械液壓聯(lián)合仿真。其中機械模型仿真根據(jù)挖掘機實際結(jié)構(gòu)和各零部件幾何尺寸，采用Creo進行零部件建模，導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Motion通過約束各零部件的運動副得到挖掘機虛擬樣機的運動學(xué)模型。機械模型具體搭建流程如圖5所示，搭建出的挖掘機三維模型如圖6所示。

圖5 機械建模流程

圖6 挖掘機三維模型

液壓模型根據(jù)液壓泵、多路閥實際參數(shù)以及各閥口過流面積曲線采用AMESim軟件進行搭建。

機電液聯(lián)合仿真以AMESim為主要軟件，將機械系統(tǒng)的LMS Virtual.Lab Motion模型通過接口導(dǎo)出文件導(dǎo)入AMESim中， 聯(lián)合仿真液壓模型參數(shù)及機械模型參數(shù)如表1、表2所示，AMESim與Motion的相互傳輸關(guān)系如圖7所示，動臂斗桿聯(lián)合仿真模型如圖8所示。

圖7 AMESim-Motion接口傳輸

圖8 動臂斗桿聯(lián)合仿真模型

表1 聯(lián)合仿真模型液壓仿真模型參數(shù)

表2 聯(lián)合仿真模型機械仿真模型參數(shù)

速度突變量計算公式如下：

(18)

式中， Δv—— 速度突變量

v改善前—— 改善前的速度值，mm/s

v改善后—— 改善后的速度值，mm/s

動臂斗桿仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，動臂和斗桿復(fù)合動作時前泵基本供動臂后泵供斗桿。動臂斗桿同時動作，在2.7 s左右斗桿先導(dǎo)信號退出，動臂依舊繼續(xù)動作，后泵供斗桿的液壓油轉(zhuǎn)向供動臂，此時動臂液壓缸的速度從180 mm/s突增到320 mm/s，改善后，動臂液壓缸的速度從180 mm/s變?yōu)?5 mm/s，速度突變量減小47.2%，主泵在斗桿動作退出后無法對應(yīng)調(diào)整排量，從而造成速度沖擊。

圖9 動臂斗桿仿真結(jié)果

5 實驗及結(jié)果分析

針對挖掘機復(fù)合動作時，增減執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生速度突變的問題，將解決方案進行實驗驗證，以圖10a所示某公司某型號液壓挖掘機為實驗測試機，實驗場地為空曠的平地。挖掘機整機實驗采用的數(shù)據(jù)采集儀器為西門子綜合數(shù)據(jù)采集儀，各測試點采用傳感器如圖10b～圖10d所示，設(shè)備參數(shù)如表3所示。

圖10 測試準(zhǔn)備

表3 測試設(shè)備規(guī)格參數(shù)表

在加入泵控策略的實機上進行驗證，圖11為動臂和斗桿復(fù)合動作實驗改善對比， 當(dāng)斗桿動作加入動臂動作時，斗桿的速度從474 mm/s變?yōu)?30 mm/s，速度突變量減小10.56%。圖12為斗桿和鏟斗復(fù)合動作實驗改善對比，當(dāng)斗桿動作加入鏟斗動作后，斗桿液壓缸的速度從685 mm/s變?yōu)?94 mm/s，速度突變量減小38.7%；當(dāng)減去斗桿控制信號后，鏟斗液壓缸的速度從462 mm/s變?yōu)?17 mm/s，速度突變量減小10.63%。實驗結(jié)果表明，提出的解決方案可以有效改善復(fù)合動作時，增減動作產(chǎn)生的速度突變問題。

圖11 動臂斗桿實驗改善對比

圖12 斗桿鏟斗實驗改善對比

6 結(jié)論

針對某公司37 t全電控正流量挖掘機復(fù)合動作時，執(zhí)行機構(gòu)增減而產(chǎn)生的速度突變這一協(xié)調(diào)性問題，重點分析了單動作與復(fù)合動作各執(zhí)行機構(gòu)速度與主泵流量分配之間的關(guān)系，提出了調(diào)整正流量挖掘機前后泵初始輸出排量并留有20%～50%排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號的變化調(diào)整輸出的控制策略，建立了高精度AMESim-Motion機械液壓聯(lián)合仿真模型。仿真結(jié)果表明，動臂提升與斗桿挖掘復(fù)合動作增減動作時速度突變量減小40%以上；實驗結(jié)果表明，動臂與斗桿以及斗桿與鏟斗復(fù)合動作增減動作時速度突變量減小10%以上，其動作協(xié)調(diào)性有顯著提升。