陳 俊，江 偉，何 林

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

1 引言

主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)是旋挖鉆機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)需要反復(fù)的抬高和降低，由于旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)結(jié)構(gòu)具有較大的重力勢(shì)能，下放過(guò)程中大部分能量都以熱能的形式消耗在液壓系統(tǒng)中，不僅造成了能量的浪費(fèi)，同時(shí)也對(duì)加大了液壓系統(tǒng)的熱負(fù)荷，并且影響了散熱系統(tǒng)的散熱效果。針對(duì)此種情況，學(xué)者們提出了很多具有針對(duì)性的解決方法。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了勢(shì)能回收節(jié)能系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)主卷?yè)P(yáng)下降85m 時(shí)能節(jié)能57.3%。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)全局功率匹配控制策略相比恒功率控制節(jié)省燃油約6%。文獻(xiàn)[3]分析了基于功率極限負(fù)荷前饋控制的旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)CAN 總線數(shù)據(jù)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)掉速提高燃油利用率。文獻(xiàn)[4]為了回收旋挖鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)過(guò)程的制動(dòng)能量，設(shè)計(jì)了包括二次調(diào)節(jié)元件和液壓蓄能器的能量回收系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于主軸轉(zhuǎn)速反饋的PID 控制算法的鉆機(jī)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]開(kāi)發(fā)了一種調(diào)節(jié)主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)排量、發(fā)電機(jī)控制扭矩以及節(jié)流閥開(kāi)口度的控制策略。綜上所述，盡管不同學(xué)者提出了不同的結(jié)構(gòu)方案，但是沒(méi)有對(duì)應(yīng)用于主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行具體的研究。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量，以某型號(hào)旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象設(shè)計(jì)了一套勢(shì)能回收系統(tǒng)，將釆用二次元件泵和蓄能器引入到勢(shì)能回收系統(tǒng)中，建立了主要元件的數(shù)學(xué)模型和勢(shì)能回收系統(tǒng)的一維機(jī)-液耦合仿真模型，并設(shè)計(jì)了邏輯門限控制策略，通過(guò)仿真模擬了節(jié)流孔徑、彈簧剛度對(duì)平衡閥性能的影響，分析了蓄能器的工作性能，研究了勢(shì)能回收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油效果，研究結(jié)果對(duì)于優(yōu)化勢(shì)能回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

2 主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收液壓系統(tǒng)

2.1 工作原理

旋挖鉆機(jī)的主卷?yè)P(yáng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要進(jìn)行上升和下降兩種工作過(guò)程，其中一條油路通過(guò)控制三位四通電磁換向閥將從主泵流出的液壓油引入到主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)制動(dòng)液壓缸中，從而解除制動(dòng)；另一條油路進(jìn)入平衡閥推動(dòng)閥芯右移，液壓油推動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，主卷?yè)P(yáng)開(kāi)始下降；主卷?yè)P(yáng)下放過(guò)程中驅(qū)動(dòng)二次元件泵，將泵出的液壓油經(jīng)過(guò)二位二通閥和單向閥后流入蓄能器中儲(chǔ)能；當(dāng)主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行提升作業(yè)時(shí)，液壓油進(jìn)入主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)左腔，同時(shí)，經(jīng)節(jié)流閥推動(dòng)平衡閥閥芯左移，主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)經(jīng)過(guò)平衡閥閥芯進(jìn)行回油，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主卷?yè)P(yáng)的升高作業(yè)；提升作業(yè)過(guò)程儲(chǔ)存在蓄能器中的液壓油會(huì)通過(guò)電磁換向閥進(jìn)行卸荷動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)二次元件泵運(yùn)轉(zhuǎn)從而輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)共同完成主卷?yè)P(yáng)的作業(yè)過(guò)程。勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理，如圖1 所示。

圖1 勢(shì)能回收系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working Principle of Potential Energy Recovery System

2.2 數(shù)學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[7]：

式中：Mem—最大轉(zhuǎn)矩；

nem—最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；

ne0—額定轉(zhuǎn)速；

ner1—最低怠速；

ner2—最高怠速。

根據(jù)以上式可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同油門開(kāi)度下的調(diào)速特性，如圖2 所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性曲線Fig.2 Engine Speed Characteristics

恒功率變量泵的比例閥閥芯動(dòng)態(tài)平衡方程[8]：

式中：ps—主泵出油口壓力；

p3—極限負(fù)荷控制壓力；

p4—先導(dǎo)壓力；

F01—彈簧的預(yù)作用力；

A1—調(diào)節(jié)器外端部面積；

A2、A3—活塞面積；

y—活塞位移；

x—閥芯位移；

kf—液動(dòng)力剛度；

m—閥芯質(zhì)量；

k—彈簧剛度；

B—阻尼系數(shù)。

變量調(diào)節(jié)缸活塞：

變量缸閥口流量方程：

式中：kq—流量變化率；kc—閥口的流量-壓力系數(shù)。

變量泵的輸出流量為：

式中：n—泵的轉(zhuǎn)速；ymax—變量活塞的最大位移。

液壓馬達(dá)的流量方程[9]：

式中：sw—斜盤傾角；pout—輸出壓力；pin—輸入壓力。

旋挖鉆機(jī)的勢(shì)能是通過(guò)蓄能器進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放的，蓄能器的力平衡方程為：

式中：Aa—油腔內(nèi)有效面積；ma—油液當(dāng)量質(zhì)量；Ba—當(dāng)量粘性阻尼系數(shù)；qa—流入的流量。

蓄能器的能量狀態(tài)：

式中：p—蓄能器的瞬時(shí)壓力；pmax、pmin—最高和最低壓力。

2.3 旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)傳統(tǒng)系統(tǒng)模型

與旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收系統(tǒng)有關(guān)的門限參數(shù)主要有需求功率Pr、蓄能器功率Pc以及蓄能器所剩能量ESOC等。根據(jù)不同的工作方式將勢(shì)能回收系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行劃分：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率模式：當(dāng)主卷?yè)P(yáng)處于上升狀態(tài)，此時(shí)蓄能器ESOCESOCmin，蓄能器輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，此種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄能器共同輸出功率，此階段蓄能器處于放能狀態(tài)，但是蓄能器中的壓力決定了輸出功率的大小，剩余所需功率由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)以上工作狀態(tài)進(jìn)行勢(shì)能回收狀態(tài)切換過(guò)程，如圖3所示。根據(jù)前文建立的旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)傳統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及邏輯門限控制策略，在AMESim中建立旋挖鉆機(jī)勢(shì)能回收的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖4 所示。主要運(yùn)動(dòng)閥的關(guān)鍵參數(shù)，如表1～表3 所示。

圖3 工作模式切換流程圖Fig.3 Flow Chart of Working Mode Switching

圖4 旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)傳統(tǒng)系統(tǒng)模型Fig.4 Traditional System Model of Main Winch for Rotary Drilling Rig

表1 壓力補(bǔ)償閥結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of Pressure Compensation Valve

表2 主閥結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural Parameters of Main Valve

表3 旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Structural Parameters of Rotary Drilling Rig

3 動(dòng)態(tài)性能分析

3.1 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)平衡閥性能的影響

由于整個(gè)勢(shì)能回收液壓系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)的液壓油需要通過(guò)平衡閥進(jìn)行回油，因此平衡的動(dòng)態(tài)特性與整個(gè)勢(shì)能回收系統(tǒng)的響應(yīng)速度至關(guān)重要。而決定平衡閥動(dòng)態(tài)性能的主要參數(shù)就是節(jié)流孔徑和彈簧剛度。首先，通過(guò)仿真模型分析在節(jié)流孔徑分別為1 mm、2 mm 和3 mm 時(shí)的閥芯運(yùn)動(dòng)加速度和馬達(dá)出口壓力仿真結(jié)果對(duì)比曲線，如圖5 所示。可以看出在運(yùn)動(dòng)初期即2s 之前不同節(jié)流孔徑下運(yùn)動(dòng)加速度大小相當(dāng)，但是隨著運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，節(jié)流孔徑越小閥芯的運(yùn)動(dòng)加速度的優(yōu)勢(shì)越明顯，但是，節(jié)流孔徑越小，出口壓力波動(dòng)越大，容易影響運(yùn)動(dòng)件的使用壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當(dāng)節(jié)流孔直徑為2mm 時(shí)，運(yùn)動(dòng)的前8s 內(nèi)出口壓力波動(dòng)較小，8s 以后出口壓力波動(dòng)較大，只有當(dāng)閥芯為3mm 時(shí)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的壓力波動(dòng)最小，因此通過(guò)對(duì)比，統(tǒng)合考慮運(yùn)動(dòng)速度和壓力波動(dòng)，節(jié)流孔徑取3mm 為最佳。

圖5 節(jié)流孔徑的影響Fig.5 Effect of Throttle Aperture

3.2 恒功率變量泵的模型驗(yàn)證

由于整個(gè)勢(shì)能回收液壓系統(tǒng)中，恒功率變量泵起到提供動(dòng)力和保壓的作用，因此恒功率變量泵的仿真模型的準(zhǔn)確性對(duì)于整個(gè)仿真系統(tǒng)的研究至關(guān)重要。通過(guò)仿真模型得到的結(jié)果與產(chǎn)品出廠數(shù)據(jù)的對(duì)比，如圖6 所示。變量泵在運(yùn)行初始時(shí)刻壓力上升后輸出流量不變維持在600L/min，之后壓力繼續(xù)上升，通過(guò)油液的流量則是逐漸呈指數(shù)降低，此階段得到的仿真值和實(shí)驗(yàn)值比較發(fā)現(xiàn)略有誤差，但是誤差較小，對(duì)應(yīng)的輸出功率變化規(guī)律在壓力低于7MPa 以下時(shí)曲線吻合較好均沿線性曲線上升。在變量泵的輸出油液壓力大于7MPa 以后，輸出功率不變，此階段仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值相差大約5kW，誤差在10%以內(nèi)，滿足對(duì)于仿真的精度要求，因此仿真模型的仿真結(jié)果可信度較高。

圖6 恒功率變量泵的模型驗(yàn)證Fig.6 Model Verification of Constant Power Variable Pump

3.3 主卷?yè)P(yáng)傳統(tǒng)系統(tǒng)分析

根據(jù)旋挖鉆機(jī)上鉆桿和鉆頭的重量，可以估算出系統(tǒng)的重力勢(shì)能，如圖7 所示。在主卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)下降10m 的距離即可釋放的勢(shì)能達(dá)到了800kJ，下降40m，能釋放重力勢(shì)能達(dá)到了2800kJ，如此巨大的能量具有很高的回收再利用價(jià)值，因此勢(shì)能回收系統(tǒng)的回收率對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的至關(guān)重要。

圖7 主卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)釋放的勢(shì)能Fig.7 Potential Energy Released by Main Winch System

一個(gè)工作周期內(nèi)蓄能器工作的動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果，如圖8所示。前半段時(shí)間內(nèi)蓄能器由于主卷?yè)P(yáng)下降的速度較慢，因此蓄能器的輸出功率較大，隨著所剩能量的逐漸升高，輸出的功率也逐漸下降，并且下降的速度較快，這是蓄能器所固有的特性，持續(xù)穩(wěn)定性較差。而在后半段工作時(shí)間內(nèi)，主卷?yè)P(yáng)提升，蓄能器的輸出功率逐漸上升，所剩的儲(chǔ)能也快速減少，蓄能器在前60s 完成了勢(shì)能的回收；在后100s 主卷?yè)P(yáng)提升工況中實(shí)現(xiàn)了能量的釋放。通過(guò)對(duì)輸出功率曲線所包含的面積進(jìn)行積分后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的勢(shì)能回收效率超過(guò)了50%，效果較好?？傮w來(lái)看，蓄能器能夠起到回收勢(shì)能和按需要釋放的功能，但是由于缺少自主的控制能力，在釋放過(guò)程中存在一定的不穩(wěn)定性。

圖8 蓄能器工作性能Fig.8 Working Performance of Accumulator

圖9 液壓系統(tǒng)壓力Fig.9 Hydraulic System Pressure

一個(gè)工作周期內(nèi)勢(shì)能回收系統(tǒng)液壓泵的工作壓力變化情況，如圖9 所示。在主卷?yè)P(yáng)下降初期階段變量泵的輸出壓力較大，并且存在較大的波動(dòng)，40s 以后輸出油液的壓力波動(dòng)變小，大約持續(xù)50s，再次過(guò)程二次元件泵由于不工作，系統(tǒng)的壓力一直較小。從第90s 開(kāi)始，在主卷?yè)P(yáng)下降過(guò)程勢(shì)能回收的同時(shí)需要進(jìn)行一定的制動(dòng)，因此變量泵和二次元件泵的輸出壓力均較大，并且呈現(xiàn)劇烈的震蕩，持續(xù)到130s，下降過(guò)程結(jié)束，兩個(gè)工作泵的壓力降低到較低的水平。產(chǎn)生較大震蕩的原因是整個(gè)系統(tǒng)下降速度存在較大的慣性，因此系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

從圖10 的旋挖鉆機(jī)所用發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和油耗對(duì)比曲線可以看出，在整個(gè)工作周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率出現(xiàn)兩次高峰，并且第一個(gè)高峰的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于第二次，大約在85kW 左右，增加勢(shì)能回收系統(tǒng)之后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在高峰階段降低了大約10kW，在低谷階段由于蓄能器不輸出能量，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率變化較小。從油耗的對(duì)比結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)系統(tǒng)一個(gè)周期的油耗為310g，采用邏輯門限控制的勢(shì)能回收系統(tǒng)一個(gè)周期的油耗為200g，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性提高了35.4%，具有較好的節(jié)油能力和實(shí)用價(jià)值。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)功率和油耗仿真結(jié)果Fig.10 Simulation Results of Engine Power and Fuel Consumption

4 結(jié)論

針對(duì)旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能較大、回收利用價(jià)值較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了主卷?yè)P(yáng)傳動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)能回收系統(tǒng)，建立了機(jī)-液耦合仿真模型和邏輯門限控制策略，分析了勢(shì)能回收系統(tǒng)提升和下放工況進(jìn)平衡閥、變量泵、蓄能器以及發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和節(jié)油效果，得到如下結(jié)論：（1）平衡閥的節(jié)流孔徑越小，出口壓力波動(dòng)越大，統(tǒng)合考慮運(yùn)動(dòng)速度和壓力波動(dòng)，節(jié)流孔徑取3mm 為最佳。彈簧剛度對(duì)閥芯的動(dòng)態(tài)性能影響較小，出口的壓力發(fā)現(xiàn)三種彈簧剛度下均存在較大的波動(dòng)，因此統(tǒng)合考慮運(yùn)動(dòng)速度和壓力波動(dòng)，彈簧剛度選取3e+5N/mm 為最佳。（2）蓄能器能夠起到回收勢(shì)能和按需要釋放的功能，勢(shì)能回收效率超過(guò)了50%，效果較好。但是由于缺少自主的控制能力，在釋放過(guò)程中存在一定的不穩(wěn)定性。兩個(gè)主泵的壓力產(chǎn)生較大震蕩，因此系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。（3）仿真結(jié)果表明傳統(tǒng)系統(tǒng)一個(gè)周期的油耗為310g，采用邏輯門限控制的主卷?yè)P(yáng)勢(shì)能回收系統(tǒng)一個(gè)周期的油耗為200g，相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性提高了35.4%，具有較好的節(jié)油能力。