郭 浩

（江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

海洋面積約占地球總面積的2/3，隨著陸地礦產(chǎn)資源日漸枯竭，海底賦存的大量礦產(chǎn)資源逐漸成為各國關注的重點。海底采礦裝備作為海底采礦的基礎，其發(fā)展始于二十世紀七十年代[1-3]，起初主要面向海底賦存的多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼等礦產(chǎn)。近年來，隨著海底賦存的稀土、可燃冰等各種“高技術礦產(chǎn)”不斷被發(fā)現(xiàn)，發(fā)展海底采礦裝備逐漸成為各國爭取海洋資源開發(fā)優(yōu)先權的關鍵。目前，德國、美國、韓國、日本、印度和中國等國家均已大力開展深海采礦裝備技術研究[4-5]，特別是加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司于2012年開始實施了其海底資源商業(yè)開采裝備研究計劃[6]，預計于2020年實現(xiàn)海底礦產(chǎn)商業(yè)化開采，表明海底采礦裝備研制的競爭愈加激烈。

海底重載無人車面臨著環(huán)境高壓、海底地質(zhì)條件惡劣和環(huán)保要求特殊等問題，一直是海底采礦裝備研究的重點。海底重載無人車發(fā)展經(jīng)歷了浮游式、拖曳式和自行式等3 個階段，由于自行式在采礦效率、驅(qū)動能力和地形適應性等方面優(yōu)勢明顯，目前的海底重載無人車均采用自行走方式。自行走方式由履帶與海底土壤之間的相互作用力提供車體運動的推力，而海底作業(yè)環(huán)境中的沉積物完全不同于陸地的極稀軟基質(zhì)，其剪切強度低，內(nèi)聚力極小，內(nèi)摩擦角幾乎為零，且具有流動特性[7]。因此，對行走機構(gòu)進行研究是海底重載無人車技術開發(fā)的關鍵。目前國外有關海底重載無人車行走機構(gòu)的研究較少，我國的海底重載無人車研究重點集中在整體結(jié)構(gòu)和車體仿真等方面[8-11]，對行走機構(gòu)的研究不多。在已有研究中：中南大學研究的深海集礦機[12]采用了定量電機加變量泵的容積調(diào)速閉式系統(tǒng)，由比例閥控制變量泵的排量來控制電機轉(zhuǎn)動；李小飛等[13]設計的鈷結(jié)殼采礦車采用定量泵加比例減壓閥的閥控調(diào)速模式；羅光壽等[14]研究了變量泵控的容積調(diào)速控制系統(tǒng)，并對其進行了仿真分析；喬桂玲等[15]對負載敏感系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)多積分控制進行了研究。目前海底重載無人車行走機構(gòu)液壓驅(qū)動研究僅限于傳統(tǒng)的閥控或變量泵控系統(tǒng)，而變頻電機加定量泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的液壓驅(qū)控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和節(jié)能效果良好等特點，更適用于海底作業(yè)，但相關研究較少。對此，本文面向復雜的海底作業(yè)工況和地質(zhì)條件，針對江蘇科技大學海洋裝備研究院研究的海底采礦裝備，開展海底重載無人車行走機構(gòu)變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)研究，為我國海底采礦裝備的發(fā)展助力。

1 底盤總成及其特點

針對海底未知環(huán)境下的采礦工況，海底重載無人車底盤總成采用雙履帶剛性結(jié)構(gòu)，包括液壓電機、驅(qū)動輪、張緊裝置、負重輪、托鏈輪、引導輪、履帶和整體式剛性懸架等（見圖1）。

圖1 海底重載無人車底盤總成結(jié)構(gòu)組成

海底重載無人車底盤的驅(qū)動輪由雙向液壓電機通過減速器驅(qū)動，驅(qū)動輪的主軸通過聯(lián)軸器與傳動系統(tǒng)輸出軸連接，輪齒以嚙合的方式與履帶連接，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)與履帶鏈之間的動力傳輸，驅(qū)動海底重載無人車前進、后退和轉(zhuǎn)向。海底重載無人車采用整體式剛性行走機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大；其驅(qū)動輪后置，在車輛行駛時不僅能減少履帶行駛裝置的功率損失，而且能避免車體振動時驅(qū)動輪與地面之間的沖擊，更好地適應海底未知的工況條件。

2 液壓系統(tǒng)設計

海底重載無人車行走機構(gòu)的液壓系統(tǒng)采用變頻調(diào)速的液壓電機速度控制系統(tǒng)[16-17]，通過變頻電機直接控制定量泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量控制。與通過控制變量泵的斜盤傾角來調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量的方式相比[18-20]，該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能可靠的特點。

圖2 為海底重載無人車行走機構(gòu)的工作原理圖，其變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)由變頻電機、恒量泵、換向閥、液壓電機和速度傳感器組成。將速度傳感器采集的液壓電機轉(zhuǎn)速作為負反饋變量，將液壓泵轉(zhuǎn)速作為控制變量，構(gòu)成液壓電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)見圖3。該控制系統(tǒng)的工作原理是：控制器根據(jù)輸入的車體運動控制指令，由變頻器通過控制算法調(diào)節(jié)變頻電機的轉(zhuǎn)速；恒量泵輸出流量受電機轉(zhuǎn)速控制，可對液壓電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)；液壓電機通過減速器與驅(qū)動輪相連，最終實現(xiàn)對履帶運動速度的控制。2 套獨立的變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)構(gòu)成了對雙履帶的差速控制，實現(xiàn)了前進、轉(zhuǎn)彎和后退的車體運動。

圖2 海底重載無人車行走機構(gòu)的工作原理圖

圖3 液壓電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)

3 AMESim 仿真模型

在AMESim 中建立行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型。雙履帶結(jié)構(gòu)中的左履帶液壓系統(tǒng)與右履帶液壓系統(tǒng)完全相同，這里以單邊履帶為研究對象，其仿真模型主要由變頻電機、恒量液壓泵、換向閥、溢流閥和液壓電機組成（見圖4）[21-22]。

圖4 行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型

該模型的輸入控制量由PID（Proportion-Integration-Differentiation）控制器控制，換向閥由階躍信號控制，實現(xiàn)雙向液壓電機的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。液壓電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)負載，液壓電機的轉(zhuǎn)速為反饋信號，溢流閥控制系統(tǒng)的壓力，各主要參數(shù)見表1。

表1 深海采礦車液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

4 控制系統(tǒng)時域仿真分析

4.1 PID 控制參數(shù)整定

根據(jù)經(jīng)驗，通過仿真分析對PID 參數(shù)進行整定[23-25]。按先比例、后積分、再微分的步驟對參數(shù)進行整定，最終確定系統(tǒng)的PID 控制器參數(shù)為：比例參數(shù)0.10；積分參數(shù)2.00；微分參數(shù)0.08。圖5 為該控制器參數(shù)條件下的液壓電機階躍響應仿真結(jié)果，其中轉(zhuǎn)速為負表示液壓電機的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速為正的液壓電機的旋轉(zhuǎn)方向相反；表2 為PID 控制參數(shù)時域分析仿真結(jié)果。

圖5 液壓電機階躍響應仿真結(jié)果

表2 PID 控制參數(shù)時域分析仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，設計的PID 控制器無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差很小，上升時間最大為1.38s，滿足工程的要求。

4.2 動態(tài)換向響應過程分析

在輸入轉(zhuǎn)速為10r/min 和20r/min 的條件下，對液壓電機的轉(zhuǎn)動換向過程進行仿真，仿真結(jié)果見圖6，時域分析結(jié)果見表3。

圖6 動態(tài)換向過程仿真結(jié)果

表3 系統(tǒng)動態(tài)換向過程性能

仿真結(jié)果表明，設計的PID 控制器超調(diào)量最大為5%，穩(wěn)態(tài)誤差很小，上升時間最大為0.12s，均能滿足工程的要求。

5 結(jié) 語

本文研究設計了海底重載無人車行走機構(gòu)的變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)，基于仿真軟件AMESim 建立了由變頻電機、恒量液壓泵、換向閥、液壓電機和速度傳感器等元件組成的行走機構(gòu)液壓控制系統(tǒng)模型，通過仿真研究得到了該系統(tǒng)的PID 控制器參數(shù)，同時進行了液壓電機轉(zhuǎn)動換向過程時域仿真。結(jié)果表明，研究的行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應特性，該研究可為海底重載無人車行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計和控制策略研究提供理論參考。