肖前龍

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100)

1 前言

閉式液壓系統(tǒng)由于傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)安裝緊湊，具有無(wú)極調(diào)速功能，節(jié)能性和操控平穩(wěn)性好等顯著優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械行走控制[1-4]。工程機(jī)械行走系統(tǒng)負(fù)載變化劇烈，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的載荷沖擊，往往出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，功率不匹配導(dǎo)致熄火等問(wèn)題，因此需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓系統(tǒng)的功率匹配控制，以自動(dòng)調(diào)節(jié)行走速度與外界負(fù)荷變化相適應(yīng)。

礦山巷道空間狹小，設(shè)備要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，因而鑿巖臺(tái)車行走系統(tǒng)一般采用靜液壓閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。閉式液壓系統(tǒng)具有多種功率匹配控制方式，一種是通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)壓力和流量計(jì)算實(shí)際功率，并與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率相比較進(jìn)而對(duì)液壓系統(tǒng)控制；一種是通過(guò)全液壓式功率閥感應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)載壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵的先導(dǎo)控制油，實(shí)現(xiàn)流量、功率自適應(yīng)匹配；還有的以發(fā)動(dòng)機(jī)掉速比為控制目標(biāo)，根據(jù)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)指令轉(zhuǎn)速計(jì)算掉速比，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量實(shí)現(xiàn)功率匹配控制。這幾種方式基本都是通過(guò)電控方法或者增加額外的功率控制閥組完成，成本較高，控制算法復(fù)雜。DA(Drive＆Anti stall control)控制即自動(dòng)變速和防熄火控制，通過(guò)DA控制閥感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)需額外的傳感器信號(hào)，控制功能完全集成在泵上，具有集成度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需增加電控系統(tǒng)即能完成行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率匹配控制，尤其在一些非電控比例控制系統(tǒng)里面應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)[5-6]。

2 DA控制原理及在鑿巖臺(tái)車上的應(yīng)用

DA控制是一種與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或自動(dòng)行駛速度有關(guān)的控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，液壓泵的排量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載扭矩與額定扭矩相匹配，以獲得較高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)[7-8]：

(1)自動(dòng)(變速)驅(qū)動(dòng)控制：與汽車的自動(dòng)擋類似，車輛的速度只通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)踏板來(lái)控制，具有較好的操作性和舒適性。

(2)防熄火控制：實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的極限負(fù)載保護(hù)，與液壓系統(tǒng)恒功率控制功能類似，車輛在工作時(shí)，為了滿足牽引力的要求自動(dòng)降低車輛的速度以防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

2.1 DA控制原理

圖1為DA控制原理及DA閥結(jié)構(gòu)示意圖，DA控制閥能夠感知發(fā)動(dòng)機(jī)速度，產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的變量泵控制壓力PS，從而對(duì)變量泵排量進(jìn)行無(wú)級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)行駛的自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)控制。

閉式系統(tǒng)里的補(bǔ)油泵為齒輪泵，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，輸出流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。補(bǔ)油泵流量通過(guò)DA控制閥內(nèi)部的節(jié)流孔，節(jié)流孔兩端的壓差與通過(guò)的流量大小和孔徑有關(guān)，節(jié)流孔檢測(cè)到補(bǔ)油泵流量的變化而產(chǎn)生不同的壓差，從而產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的控制壓力PS，推動(dòng)閉式變量泵的斜盤(pán)，使泵的排量發(fā)生變化[9-12]。

圖1 DA控制原理及DA閥結(jié)構(gòu)示意

2.2 DA控制在鑿巖臺(tái)車行走系統(tǒng)中的應(yīng)用

中深孔鑿巖臺(tái)車行走系統(tǒng)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)控制，圖2為帶DA控制閥的鑿巖臺(tái)車行走閉式液壓系統(tǒng)原理，采用力士樂(lè)A4VG56變量柱塞泵和A6VM80變量柱塞馬達(dá)，馬達(dá)具有高低兩檔排量控制以實(shí)現(xiàn)高低速行駛控制。

圖2 行走閉式液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由變量泵、補(bǔ)油泵、變量缸、變量控制閥、DA閥、補(bǔ)油溢流閥、變量馬達(dá)和沖洗閥等組成。鑿巖臺(tái)車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 200 r/min時(shí)功率為45 kW，爬坡能力要求大于30%，行駛速度要求大于8 km/h。

根據(jù)行駛要求和發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩曲線，計(jì)算出整機(jī)的行駛牽引力和速度關(guān)系曲線，如圖3所示。

A-B段曲線馬達(dá)工作在最大排量，液壓泵的排量逐漸加大，行駛速度增大；B-C段液壓泵工作在最大排量，馬達(dá)排量逐漸加大，行駛速度增大。鑿巖臺(tái)車在A、B、C各工作點(diǎn)的工作參數(shù)如表1所示。

圖3 行使?fàn)恳?速度關(guān)系曲線

表1 鑿巖臺(tái)車關(guān)鍵工作點(diǎn)的計(jì)算參數(shù)

對(duì)DA控制功能進(jìn)行配置，DA閥的Block-curve控制起點(diǎn)為轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力50 bar，控制終點(diǎn)1 600 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力為320 bar，Q-curve控制起點(diǎn)為2 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力250 bar。

3 鑿巖臺(tái)車DA控制功能試驗(yàn)

圖4所示為礦用中深孔鑿巖臺(tái)車樣機(jī)實(shí)物，為驗(yàn)證液壓系統(tǒng)DA控制功能，對(duì)行走系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試時(shí)鑿巖臺(tái)車支腿伸出，輪胎離地，通過(guò)剎車制動(dòng)模擬負(fù)載行駛，安裝速度傳感器，通過(guò)檢測(cè)輪胎轉(zhuǎn)速，計(jì)算鑿巖臺(tái)車的行駛速度。

圖4 鑿巖臺(tái)車測(cè)試實(shí)物

圖5為DA控制閥的Block-curve測(cè)試，Block曲線體現(xiàn)系統(tǒng)的壓力增益，反映的是車輛的牽引力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

圖5 DA控制閥Block curve測(cè)試

試驗(yàn)過(guò)程踩死剎車，緩慢增大發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓力，液壓泵斜盤(pán)擺角基本為零，僅輸出很小的流量用來(lái)補(bǔ)充自身泄漏，隨著泵轉(zhuǎn)速的提高，控制壓力也隨著上升。測(cè)試的結(jié)果為轉(zhuǎn)速1 180 r/min時(shí)候?qū)?yīng)壓力50 bar，1 600 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)壓力320 bar，基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖6為DA控制閥的Q-curve測(cè)試曲線圖，Q曲線反映了液壓系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)特性，當(dāng)泵的負(fù)載功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率時(shí)液壓系統(tǒng)進(jìn)行功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)最大，緩慢踩剎車，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到230 bar時(shí)，DA控制閥開(kāi)始調(diào)節(jié)，泵輸出流量減小，車輛的行駛速度下降，以滿足系統(tǒng)功率匹配。

圖6 DA控制閥Q-curve測(cè)試

4 總結(jié)與結(jié)論

(1)分析了液壓系統(tǒng)DA控制的工作原理及特性，并介紹了其在鑿巖臺(tái)車行走閉式液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

(2)以鑿巖臺(tái)車行走閉式液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)帶DA控制閥的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)模擬工況測(cè)試，DA控制閥較好地實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功率自調(diào)節(jié)功能，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)要求基本吻合。