徐萬鑫，李景恒，杜 海

中國電建集團(tuán)長春發(fā)電設(shè)備有限公司 吉林長春 130033

液壓傳動(dòng)具有體積小、輸出力量大、調(diào)速范圍廣、易于控制、傳動(dòng)平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展水平和普及程度，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志之一。斗輪堆取料機(jī) (以下簡稱“斗輪機(jī)”)作為一種廣泛應(yīng)用的散料裝卸輸送設(shè)備，其產(chǎn)品的技術(shù)升級創(chuàng)新也得益于液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展，有效地推動(dòng)了斗輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。液壓傳動(dòng)技術(shù)豐富了斗輪機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)形式，提高了其額定生產(chǎn)率。筆者分析了近年來斗輪機(jī)液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望，希望對斗輪機(jī)液壓技術(shù)的研究和探索有所幫助。

1 液壓技術(shù)在斗輪機(jī)應(yīng)用的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)斗輪機(jī)液壓技術(shù)歷程和現(xiàn)狀

國內(nèi)斗輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展一直受液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)發(fā)展水平的影響。20 世紀(jì) 60 年代，國內(nèi)開始自主開發(fā)了 DQ3025、DQ5030 等小型斗輪機(jī)，機(jī)型結(jié)構(gòu)形式為活動(dòng)配重四連桿搖臂式[2]。其主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(斗輪機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等)均采用機(jī)械傳動(dòng)，主要原因是當(dāng)時(shí)國內(nèi)液壓傳動(dòng)控制技術(shù)比較落后，加之發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖，國產(chǎn)液壓元件可靠性差，無法滿足斗輪機(jī)等重型機(jī)械的工程實(shí)際需要。

從20 世紀(jì)70 年代開始，隨著改革開放政策的深入，國內(nèi)液壓傳動(dòng)技術(shù)的研究步入正軌，技術(shù)水平得以提高。在此期間，國內(nèi)斗輪機(jī)制造企業(yè)為火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 DQ8030 系列斗輪機(jī)，已經(jīng)逐漸開始采用液壓傳動(dòng)方式，其機(jī)型結(jié)構(gòu)形式也開始出現(xiàn)整體俯仰式。斗輪機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)形式受主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式制約。若主機(jī)俯仰采用鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)械傳動(dòng)方式，由于鋼絲繩承載的單方向性，為保證鋼絲繩不出現(xiàn)過松脫槽、張力不均等問題，上部結(jié)構(gòu)只能作成門柱不參與變幅，前臂架及配重架通過拉桿連接繞門柱上的不同鉸點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)變幅的四連桿搖臂式。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是活動(dòng)鉸點(diǎn)眾多，且多在設(shè)備高處，優(yōu)點(diǎn)是變幅時(shí)上部結(jié)構(gòu)重心變化小。而液壓傳動(dòng)方式液壓缸可以承受拉壓兩方向載荷，上部結(jié)構(gòu)中門柱、前臂架、配重架及拉桿可通過固定鉸點(diǎn)連接成一個(gè)整體參與變幅。因此，液壓驅(qū)動(dòng)俯仰的斗輪機(jī)既可作成搖臂式，也可作成整體俯仰式。整體俯仰式除支撐鉸點(diǎn)外，沒有活動(dòng)鉸點(diǎn)，結(jié)構(gòu)形式更簡單，減少了設(shè)備高處活動(dòng)鉸點(diǎn)潤滑、檢修的難度和維護(hù)量。液壓技術(shù)在斗輪機(jī)上的應(yīng)用，豐富了其結(jié)構(gòu)形式。這期間長春發(fā)電設(shè)備總廠 (中國電建集團(tuán)長春發(fā)電設(shè)備有限公司的前身)為蘭州西固電廠一期工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 DQ800/1200·30斗輪機(jī)，機(jī)型為整體俯仰式，其斗輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)均采用液壓傳動(dòng)，其中斗輪機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用高速液壓馬達(dá)+行星減速器的驅(qū)動(dòng)形式[3]，俯仰機(jī)構(gòu)采用雙作用活塞液壓缸驅(qū)動(dòng)形式，3 個(gè)機(jī)構(gòu)的液壓控制回路分別獨(dú)立布置并集成于同一液壓站，3 個(gè)回路均采用開式控制。斗輪機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用高速液壓馬達(dá)+減速器驅(qū)動(dòng)方式的原因是當(dāng)時(shí)國內(nèi)低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)性能還無法達(dá)到市場要求。隨著低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)技術(shù)成熟，高速液壓馬達(dá)+減速器驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)逐漸被淘汰。

20 世紀(jì) 80 年代末，國內(nèi)斗輪機(jī)企業(yè)開始與國外知名散料設(shè)備制造公司 (如日本三井三池公司、德國MAN 公司、日本三菱重工、德國諾爾公司、法國凱亞公司、德國克虜伯公司、奧地利奧鋼聯(lián)公司等)合作或引進(jìn)技術(shù)，液壓傳動(dòng)技術(shù)在斗輪機(jī)上的應(yīng)用逐漸成熟。這期間國內(nèi)引進(jìn)和制造的斗輪機(jī)，主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)大多采用液壓傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)功率質(zhì)量比大的優(yōu)點(diǎn)為大型斗輪機(jī)的開發(fā)提供了有利條件。當(dāng)時(shí)的國家重點(diǎn)工程秦皇島煤碼頭二、三、四期取料機(jī)主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)及斗輪機(jī)構(gòu)均采用液壓傳動(dòng)方式，取料額定生產(chǎn)率達(dá)到 6 000 t/h。液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)應(yīng)用和普及，有效促進(jìn)了國內(nèi)斗輪機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)形式的更新?lián)Q代，使其向 2 個(gè)方向發(fā)展：中小型 (回轉(zhuǎn)半徑＜50 m)斗輪機(jī)的機(jī)型由鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的四連桿搖臂式逐漸發(fā)展成液壓驅(qū)動(dòng)的整體俯仰式[4]；大型及特大型斗輪機(jī)機(jī)型逐漸發(fā)展為液壓驅(qū)動(dòng)的臂架俯仰四連桿搖臂式，2 種結(jié)構(gòu)形式已發(fā)展為現(xiàn)在的行業(yè)主流。液壓傳動(dòng)技術(shù)同樣也豐富了斗輪機(jī)尾車的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)生了液壓半趴尾車、液壓全趴尾車、液壓驅(qū)動(dòng)變幅雙尾車等多種結(jié)構(gòu)形式，滿足各種料場不同輸送工藝的需要。

目前國產(chǎn)斗輪機(jī)各主要工作機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)方式非常普遍，技術(shù)已經(jīng)成熟，特別是主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)，中小機(jī)型斗輪機(jī)原鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)械傳動(dòng)方式幾近消失。斗輪機(jī)采用液壓傳動(dòng)方式的機(jī)構(gòu)主要有主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)張緊裝置、尾車變幅機(jī)構(gòu)、司機(jī)室調(diào)平裝置及導(dǎo)料槽翻板機(jī)構(gòu)等[5]，其主要元件及控制方式等基本情況如表 1 所列。

(1)斗輪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng) 目前斗輪機(jī)構(gòu)配套的液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件均為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。該類液壓馬達(dá)具有抗沖擊能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、輸出轉(zhuǎn)速范圍廣、易于調(diào)速和控制等特點(diǎn)，適合斗輪機(jī)取料運(yùn)行工況要求。當(dāng)斗輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行所需液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩小于 110 kN·m，排量小于 40 L/r 時(shí)，可以選用國產(chǎn) NJM 系列內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)，采用閉式常規(guī)閥回路驅(qū)動(dòng)控制；當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩大于 110 kN·m，排量大于40 L/r 時(shí)，國產(chǎn)液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)已經(jīng)無法滿足斗輪機(jī)工作要求。對于額定生產(chǎn)率高的斗輪機(jī)，目前首選力士樂公司生產(chǎn)的赫格隆品牌 CB 系列內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)[6]。該系列液壓馬達(dá)采用閉式伺服液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn) PID 閉環(huán)控制，并具備獨(dú)立的 SPIDER控制器。該控制器集合多種傳感器和編碼器，具有對液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、液壓泵壓力、排量，以及液壓系統(tǒng)油溫、補(bǔ)油壓力、油箱液位等工作參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)判及報(bào)警等多種功能，能有效控制和保護(hù)液壓馬達(dá)可靠運(yùn)行。該公司生產(chǎn)的大功率 CBM 系列液壓馬達(dá)，最大額定輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá) 1 200 kN·m，能實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)最大取料能力 20 000 t/h，可以涵蓋當(dāng)前國內(nèi)外各行業(yè)斗輪機(jī)項(xiàng)目需求。目前國內(nèi)使用該系列馬達(dá)的斗輪機(jī)最大額定生產(chǎn)率為 10 000 t/h，分別應(yīng)用于大連華銳重工生產(chǎn)的出口幾內(nèi)亞 DQK 10000/7500·40 斗輪機(jī)項(xiàng)目，以及上海振華重工生產(chǎn)的出口巴西淡水河谷投資的阿曼薩哈 QLK10000·50 取料機(jī)項(xiàng)目。

表1 斗輪機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要元件及控制方式Tab.1 Main components and control mode of hydraulic drive of bucket wheel stacker-reclaimer

(2)帶式輸送機(jī)張緊液壓系統(tǒng) 隨著斗輪機(jī)額定生產(chǎn)率不斷增大，原有斗輪機(jī)機(jī)載帶式輸送機(jī)的重錘張緊裝置無法滿足實(shí)際需求，國內(nèi)外斗輪機(jī)制造企業(yè)參照長距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)開始采用液壓張緊方式。目前斗輪機(jī)機(jī)載帶式輸送機(jī)張緊液壓系統(tǒng)有手動(dòng)張緊系統(tǒng)和自動(dòng)張緊系統(tǒng) 2 種方式[7]，手動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間保壓，需配合機(jī)械鎖緊裝置使用；自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能實(shí)現(xiàn)液壓缸力隨輸送帶張緊力變化，滿足張緊力變化要求[8]。目前大型斗輪機(jī)機(jī)載帶式輸送機(jī)主要采用手動(dòng)液壓張緊方式，如圖 1 所示。自動(dòng)張緊方式 2 個(gè)液壓缸同步及保壓性能的可靠性還有待提高，因此在大型斗輪機(jī)帶式輸送機(jī)上應(yīng)用并不多見。

圖1 帶式輸送機(jī)手動(dòng)張緊系統(tǒng)Fig.1 Manual tensioning system of belt conveyor

(3)主機(jī)俯仰及其他系統(tǒng) 主機(jī)俯仰及尾車變幅等其他液壓系統(tǒng)屬于異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵帶動(dòng)液壓缸工作的開式系統(tǒng)，液壓原理理論研究及生產(chǎn)配套在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟。系統(tǒng)液壓泵、控制閥件及附件，小型斗輪機(jī)一般采用國產(chǎn)元件，如北京華德、上海立新、榆次液壓等，大中型斗輪機(jī)采用進(jìn)口元件，如德國力士樂、美國派克、美國伊頓、日本油研等，各品牌市場占有率如圖 2 所示。力士樂進(jìn)入斗輪機(jī)行業(yè)較早，占有很大的市場份額，目前國內(nèi)生產(chǎn)的大型、超大型斗輪機(jī)幾乎均采用該品牌液壓系統(tǒng)。國內(nèi)斗輪機(jī)廠家很少自身組裝生產(chǎn)液壓系統(tǒng)，均由進(jìn)口知名品牌液壓公司的國內(nèi)投資工廠或指定代理商配套供貨[9]。每個(gè)品牌供應(yīng)商產(chǎn)品的種類和設(shè)計(jì)理念不盡相同，因此其提供配套的液壓系統(tǒng)也存在一定差異，需各斗輪機(jī)制造企業(yè)根據(jù)斗輪機(jī)具體工況要求宏觀協(xié)調(diào)把控。

圖2 斗輪機(jī)液壓品牌市場占有率Fig.2 Market share of hydraulic brand of bucket wheel stacker-reclaimer

1.2 國外斗輪機(jī)液壓技術(shù)歷程和現(xiàn)狀

國外斗輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造始于 20 世紀(jì) 50 年代。早期的斗輪機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)源自斗輪挖掘機(jī)，液壓技術(shù)在國外斗輪機(jī)應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，德國呂貝克公司早期制造的斗輪機(jī)可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)全液壓驅(qū)動(dòng)[10]。21 世紀(jì)初，國外斗輪機(jī)液壓技術(shù)水平相較于國內(nèi)優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)在液壓原理的合理性、制造質(zhì)量、檢修維護(hù)等方面，如表 2 所列。

近年來，隨著國內(nèi)斗輪機(jī)行業(yè)迅速崛起，承接國際大型斗輪機(jī)項(xiàng)目的機(jī)會(huì)增多，對液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)要求越來越高。目前國外知名斗輪機(jī)制造商德國克虜伯、德國 FAM 公司、奧鋼聯(lián)公司及日本三菱重工等生產(chǎn)的斗輪機(jī)配套液壓系統(tǒng)技術(shù)水平與國內(nèi)無明顯差異[9]。斗輪機(jī)配套液壓系統(tǒng)所選用的液壓元件屬于普通工業(yè)用途，不存在出口技術(shù)限制，因此國內(nèi)大型斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)原理、控制方式及液壓元件均采用進(jìn)口產(chǎn)品，為國外知名液壓供應(yīng)商配套，產(chǎn)品總體質(zhì)量上國內(nèi)外沒有太大差別，主要差距在于國內(nèi)基礎(chǔ)附件的研發(fā)與生產(chǎn)能力。

目前國外生產(chǎn)的斗輪機(jī)，除回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外與國內(nèi)沒有區(qū)別。德國 FAM 公司、克虜伯公司等生產(chǎn)的大型或特大型斗輪機(jī)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。國內(nèi)斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)幾乎沒有采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，而是采用變頻器控制變頻電動(dòng)機(jī)+行星減速器機(jī)械傳動(dòng)方式，主要原因在于國產(chǎn)低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)性能不能滿足要求，需要整機(jī)進(jìn)口，由于關(guān)稅原因進(jìn)口馬達(dá)價(jià)格昂貴，影響設(shè)備整體造價(jià)。目前變頻器質(zhì)量及變頻控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，兩者的性能差距也越來越小。

2 斗輪機(jī)液壓技術(shù)研究進(jìn)展

液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了斗輪機(jī)的技術(shù)升級，國內(nèi)學(xué)者對斗輪機(jī)液壓傳動(dòng)技術(shù)，如液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)、電液比例控制技術(shù)、安全可靠性及液壓同步控制等方面進(jìn)行了大量的研究工作，推動(dòng)了斗輪機(jī)液壓技術(shù)的發(fā)展。

2.1 液壓系統(tǒng)仿真

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用于各領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)仿真軟件不斷興起，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了強(qiáng)有力的工具。國內(nèi)學(xué)者也將流體領(lǐng)域的仿真軟件用于斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)及元件的研究，為斗輪機(jī)液壓傳動(dòng)技術(shù)水平提升助力。

于茂友[11]利用 AMESim 軟件對斗輪機(jī)主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，得到了 2 個(gè)液壓缸無桿腔外負(fù)載、活塞速度、有桿腔外負(fù)載隨時(shí)間的變化規(guī)律。該研究為進(jìn)一步研究斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)變化規(guī)律和載荷沖擊提供了理論支撐。

肖艷軍等人[12]利用 AMESim 軟件對斗輪機(jī)主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)同步問題進(jìn)行仿真研究，找到了 2 個(gè)液壓缸受力不均是運(yùn)動(dòng)不同步的主要原因。通過在系統(tǒng)上加裝分流閥，控制 2 個(gè)液壓缸進(jìn)出流量平分，實(shí)現(xiàn)了其工作同步。該研究為排除系統(tǒng)故障提供了新的思路。

吳野等人[13]利用 FLUENT 軟件對斗輪機(jī)液壓缸管路防爆閥進(jìn)行研究，可直觀了解閥內(nèi)和管路油液的流速和壓降的變化，對于研究閥件的動(dòng)作特性和元件選型有很大幫助。

仿真軟件應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，可以用于液壓系統(tǒng)及液壓元件的開發(fā)研究及故障原因?qū)ふ遥苟份啓C(jī)液壓系統(tǒng)研究更加直觀，為開發(fā)和研究特大型斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)提供了有效手段，可縮短研發(fā)周期，有利于提高斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)的產(chǎn)品性能。斗輪機(jī)制造企業(yè)也應(yīng)引進(jìn)應(yīng)用相關(guān)軟件，促進(jìn)斗輪機(jī)整體技術(shù)提升。

2.2 電液比例控制技術(shù)

電液比例控制技術(shù)屬于新興的液壓控制技術(shù)，是液壓技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[14]。電液比例控制能實(shí)現(xiàn)輸入按預(yù)定曲線規(guī)律變化的控制信號，閥芯隨之連續(xù)成比例地移動(dòng)開啟，實(shí)現(xiàn)對液壓閥的比例線性控制。隨著斗輪機(jī)設(shè)備的大型化與高端化，該技術(shù)也逐漸在斗輪機(jī)主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配套的液壓系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

(1)主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 電液比例控制技術(shù)用于主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)，其作用是控制俯仰動(dòng)作的啟停。斗輪機(jī)屬于體形龐大的重型機(jī)械，目前特大型斗輪機(jī)最大回轉(zhuǎn)半徑 (即懸臂長)已經(jīng)達(dá)到 65 m，因此液壓缸帶動(dòng)斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制俯仰動(dòng)作啟停的換向閥開閉瞬間都會(huì)產(chǎn)生一定的液壓沖擊，導(dǎo)致液壓缸活塞出現(xiàn)短時(shí)小幅振蕩，由于斗輪機(jī)懸臂長，液壓缸小幅伸縮運(yùn)動(dòng)在懸臂端部會(huì)放大為200～500 mm 的振幅，對斗輪機(jī)結(jié)構(gòu)和作業(yè)非常不利。大型斗輪機(jī)主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)采用電液比例換向閥，控制液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)的方向和啟停，并調(diào)節(jié)其運(yùn)行速度，液壓原理如圖 3 所示，工作時(shí)由控制單元提供 4～20 mA 的模擬電流信號控制比例閥閥芯的開口度并呈線性變化，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向、啟停和速度[15]。比例閥集成位移反饋單元，可按要求編輯電流曲線斜坡時(shí)間，使液壓缸動(dòng)作時(shí)減少?zèng)_擊，控制懸臂端部振幅，并能保證 2 個(gè)液壓缸動(dòng)作速度基本一致。

圖3 主機(jī)俯仰電液比例系統(tǒng)原理Fig.3 Working principle of electro-hydraulic proportional system for pitching of main body

(2)斗輪及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 電液比例控制技術(shù)在斗輪機(jī)構(gòu)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要用于閉式泵的流量控制[16-17]。斗輪機(jī)構(gòu)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均采用低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)作為執(zhí)行元件，為保證馬達(dá)工作特性，需采用閉式回路控制。大型斗輪機(jī)目前一般選用力士樂 A4CSG 系列變量軸向柱塞泵，該泵自帶 EP 電液比例控制單元，可以根據(jù)電磁鐵電流變化比例調(diào)節(jié)液壓泵的流量。斗輪機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作中，液壓泵需要帶載啟動(dòng)。該液壓泵 EP 電液比例控制單元可以有效控制斜盤的角度，保證液壓泵柱塞在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)被外載沖擊損壞。斗輪機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過載堵轉(zhuǎn)，EP 電液比例控制單元可以實(shí)現(xiàn)恒壓控制功能，調(diào)節(jié)流量以保證系統(tǒng)安全，并可以帶載快速恢復(fù)啟動(dòng)。此外，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)構(gòu)等量取料功能，設(shè)備的回轉(zhuǎn)速度需按 1/cosφ曲線變化，只需在 EP 電液比例控制單元的電磁鐵輸入相應(yīng)的控制曲線電流，就很容易實(shí)現(xiàn)所需的馬達(dá)轉(zhuǎn)速輸出，進(jìn)而滿足回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速要求。

電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用，使斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)的控制水平得到很大提升，對斗輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行非常有利。

2.3 安全可靠性

安全可靠性是對斗輪機(jī)所有配套液壓系統(tǒng)最基本的要求。在斗輪機(jī)各液壓系統(tǒng)中，主機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)俯仰運(yùn)動(dòng)，由于斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)體形與質(zhì)量大，且是其他工作機(jī)構(gòu)和輔助平臺(tái)的載體，因此對液壓系統(tǒng)的安全可靠性要求更高。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了提高系統(tǒng)超溫、超壓等保護(hù)開關(guān)的精度外，還要從以下 4 個(gè)方面加以考慮。

(1)冗余設(shè)計(jì) 對于服務(wù)于港口或冶金礦山的斗輪機(jī)，多數(shù)為大型或特大型設(shè)備，工作級別為全日制重型工作制[18]，對設(shè)備的可靠性要求高，設(shè)備的檢修時(shí)間很短，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要采用冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性。電動(dòng)機(jī)及液壓泵組為 1 用 1 備，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)切換，不影響斗輪機(jī)正常工作。

(2)防爆閥設(shè)計(jì) 斗輪機(jī)主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)液壓站和液壓缸之間通過硬管路連接，液壓缸下鉸點(diǎn)附近需要采用高壓軟管連接，如圖 4 所示。由于液壓缸在工作中繞其下鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此高壓軟管頻繁彎折。為避免高壓膠管老化破裂，油液外泄，導(dǎo)致斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)在重力作用下速度失控的嚴(yán)重事故，需要在斗輪機(jī)液壓缸進(jìn)出油口處安裝防爆閥[19]。若出現(xiàn)軟管破裂，系統(tǒng)失壓的情況，防爆閥及時(shí)關(guān)閉，防止缸內(nèi)油液外泄，對斗輪機(jī)起到安全保護(hù)作用。防爆閥的設(shè)置非常必要，是斗輪機(jī)主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)安全性的硬性要求。

圖4 防爆閥及膠管Fig.4 Explosion-proof valve and hose

(3)背壓閥設(shè)計(jì) 斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)繞支撐鉸點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)變幅時(shí)，其重心繞變幅鉸點(diǎn)前后擺動(dòng)，主機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)液壓缸的外負(fù)載會(huì)出現(xiàn)大小和方向的變化，這要求系統(tǒng)應(yīng)克服負(fù)載變化對液壓缸開鎖回路的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須在回路設(shè)置背壓閥[20]，在液壓缸非驅(qū)動(dòng)油路側(cè)施加背壓，抵御和緩沖變載沖擊。背壓閥可以由節(jié)流閥、順序閥、平衡閥等元件擔(dān)任，可根據(jù)不同系統(tǒng)要求選取。

(4)減速閥設(shè)計(jì) 斗輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)在俯仰運(yùn)動(dòng)過程中制動(dòng)的瞬間，慣性載荷和重力勢能會(huì)在液壓缸工作腔內(nèi)產(chǎn)生液壓沖擊，產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)及造成液壓缸密封件或缸體的疲勞損壞。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在液壓缸的進(jìn)出油口設(shè)置減速閥 (即雙溢流制動(dòng)閥)解決該問題[21]。減速閥由 2 個(gè)溢流閥和 2 個(gè)單向閥組合而成，溢流閥的設(shè)定壓力通常高于系統(tǒng)額定壓力 2～3 MPa，以過濾俯仰運(yùn)動(dòng)中各種載荷產(chǎn)生的液壓沖擊，保護(hù)液壓缸密封件、活塞及缸體；單向閥可以給非工作油腔補(bǔ)油，避免吸空而出現(xiàn)噪聲、氣蝕等影響運(yùn)行平穩(wěn)性的問題。

2.4 液壓同步控制

為提高斗輪機(jī)主機(jī)俯仰及尾車變幅運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，通常采用 2 根液壓缸支撐機(jī)架。所配液壓系統(tǒng)為單液壓泵驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)并聯(lián)液壓缸共同運(yùn)動(dòng)，存在雙液壓缸運(yùn)行的同步問題[22]。由于斗輪機(jī)主機(jī)上部結(jié)構(gòu)機(jī)架剛性大，機(jī)械剛性即可保證雙缸的同步運(yùn)動(dòng)，因此主機(jī)俯仰系統(tǒng)一般不考慮雙缸同步問題。但液壓半趴尾車和液壓變幅全功能尾車機(jī)架剛性相對較弱，需要考慮 2 個(gè)液壓缸的同步問題。

長春發(fā)電設(shè)備總廠研發(fā)了一種新型的液壓半趴尾車[23]，如圖 5 所示，可實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)同步及機(jī)械精準(zhǔn)定位。在尾車機(jī)架上對應(yīng)變幅輸送帶托架位置設(shè)置橫跨托架的弧形門架，變幅輸送帶托架上設(shè)置貫通軸，穿過對應(yīng)弧形門架上條形孔。貫通軸兩端分別固定擋板，擋板上安裝滾壓在門架邊柱上的擋輥。工作時(shí)，變幅輸送帶托架沿槽形軌道由擋輥制約在軌道上滑行，消除液壓缸運(yùn)行的偏擺側(cè)向力，有效杜絕了液壓缸的不同步問題。

陶楠[24]對液壓驅(qū)動(dòng)變幅的雙尾車 2 個(gè)液壓缸的同步機(jī)理進(jìn)行了分析，指出額定生產(chǎn)率＜500 t/h 的斗輪機(jī)，機(jī)架上對中布置的尾車可采用機(jī)械剛性強(qiáng)制同步方式；額定生產(chǎn)率＞1 500 t/h 的斗輪機(jī)，機(jī)架上對中布置的尾車可采用調(diào)速閥控制液壓缸同步；對于跨雙系統(tǒng)偏心布置的尾車，應(yīng)采用同步馬達(dá)控制液壓缸同步。并提出需要從機(jī)架和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面共同考慮，解決液壓缸不同步問題。該研究對尾車的設(shè)計(jì)提供了參考。

3 斗輪機(jī)液壓技術(shù)發(fā)展趨勢與建議

斗輪機(jī)所配液壓系統(tǒng)是為其堆取料作業(yè)的工作機(jī)構(gòu)服務(wù)，其發(fā)展受斗輪機(jī)技術(shù)發(fā)展方向的制約。目前斗輪機(jī)正向著大型化、智能化、綠色環(huán)保的方向發(fā)展[25]，因此斗輪機(jī)液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)將向以下方向發(fā)展。

(1)大型化與模塊化 斗輪機(jī)的大型化需要更大功率的液壓系統(tǒng)來保證其正常工作，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的工作壓力和流量等技術(shù)參數(shù)均需增大。液壓系統(tǒng)動(dòng)力、控制及執(zhí)行元件均需增大型號，液壓站、液壓馬達(dá)及液壓缸等零部件的體積增大，質(zhì)量增加，需要斗輪機(jī)提供足夠的布置空間，增加檢修和維護(hù)的難度，以及斗輪機(jī)承載結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。因此，在后續(xù)系統(tǒng)研發(fā)時(shí)，應(yīng)考慮在液壓元件可靠性允許的前提下，適當(dāng)提高液壓系統(tǒng)的額定壓力。目前國內(nèi)大型斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力已提至 25 MPa，俯仰液壓缸缸徑為 580 mm。若能進(jìn)一步提高系統(tǒng)額定壓力，則可以有效減小液壓元件體積和質(zhì)量。另外，隨著系統(tǒng)壓力和流量的增加，應(yīng)盡快引入模塊化設(shè)計(jì)思想，液壓元件應(yīng)盡量選用疊加閥和插裝閥，以利于提高系統(tǒng)集成度。液壓站及液壓缸旁控制閥塊模塊化，盡量減少連接管路，降低系統(tǒng)泄漏的概率，減少檢修和維護(hù)工作量。

圖5 液壓半趴尾車結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structural sketch of hydraulic semi-lifting trailer

(2)高效節(jié)能化 斗輪機(jī)的大型化會(huì)導(dǎo)致配套液壓系統(tǒng)能耗的增加。如今節(jié)能環(huán)保已成為全行業(yè)的主題，需要更加重視提高液壓系統(tǒng)傳動(dòng)效率[26]。在斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分引入節(jié)能的理念，選用變量泵、比例閥等液壓元件，優(yōu)化液壓回路，采用容積調(diào)速等負(fù)載功率匹配技術(shù)，同時(shí)在液壓系統(tǒng)能量回收再利用方面也需加大研發(fā)力度。

(3)智能化 斗輪機(jī)的智能化控制，實(shí)現(xiàn)無人值守是設(shè)備發(fā)展的必然要求。斗輪機(jī)整機(jī)的自動(dòng)化水平和可靠性程度均應(yīng)達(dá)到規(guī)定要求，液壓系統(tǒng)也需要技術(shù)升級以滿足整機(jī)智能化要求。因此斗輪機(jī)配套液壓系統(tǒng)需要提高壓力、溫度傳感器等檢測元件的精度與可靠度，并可實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)控制形式由開式系統(tǒng)變?yōu)殚]式系統(tǒng)，液壓控制閥件應(yīng)采用比例或伺服閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具有自檢和故障排查能力，提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，為實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)整機(jī)智能化打好基礎(chǔ)。

(4)環(huán)?；?目前國家政策對環(huán)保空前重視，斗輪機(jī)的環(huán)保要求日趨嚴(yán)格。斗輪機(jī)在封閉的煤棚環(huán)境內(nèi)工作已成新常態(tài)。封閉的環(huán)境工作會(huì)導(dǎo)致粉塵濃度增加，因此需要液壓系統(tǒng)在提高元件控制精度的同時(shí)，加大對粉塵敏感性的研究，研發(fā)提高液壓油清潔度的裝置，保證液壓系統(tǒng)可靠運(yùn)行。此外，封閉環(huán)境對液壓控制元件的防爆也提出新要求，也將是新的研究方向。

4 結(jié)語

液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)促進(jìn)了斗輪機(jī)技術(shù)革新，提高了斗輪機(jī)額定生產(chǎn)率，豐富了斗輪機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)形式。斗輪機(jī)研發(fā)人員多年來對液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)在斗輪機(jī)應(yīng)用的研究取得了較大的進(jìn)展，一定程度上滿足了斗輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的需求。

國內(nèi)外市場環(huán)境和政策的改變，對斗輪機(jī)發(fā)展提出了新的要求，也為斗輪機(jī)液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)指明了新的發(fā)展方向。斗輪機(jī)液壓技術(shù)將向著大型化、模塊化、高效節(jié)能化、智能化以及環(huán)?；确较虬l(fā)展，繼續(xù)為斗輪機(jī)整機(jī)技術(shù)提升和發(fā)展助力。