沈立師

（江西銅業(yè)集團有限公司 德興銅礦，江西 德興334224）

1 引言

國內(nèi)運用同步頂升技術起步較晚，早期液壓同步頂升系統(tǒng)被廣泛應用在公路橋梁的移設、加固和改造中，該系統(tǒng)結合了液動力技術、計算機輔助算法和機械先進制造理論［1-2］。在2002年，美國利用同步頂升和電控技術，對坐落在四級震區(qū)的美國金門大橋進行穩(wěn)定和加固，即同步技術在橋梁建設領域也發(fā)揮了至關重要的作用［3］。2004年，美國實用動力集團駐歐洲工程中心將液壓同步頂升技術應用到法國米勞大橋的建設中［4］。該公司為解決在米約大橋建設中遇到的在兩個橋墩之間直接架設橋面的技術難題，開發(fā)出一套運用倒裝法施工的液壓同步頂升控制系統(tǒng)［5］。美國衣阿華大學通過現(xiàn)代整體平移技術成功地將20m高的科技館平穩(wěn)頂升而起，并平移繞過另一棟樓到達目標點［6］。T.C.Chiu和HongSunGeorge等把電液伺服技術應用在雙液壓缸頂升系統(tǒng)中，以解決液壓缸頂升時存在的精度差和不穩(wěn)定問題，該電液伺服控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中應用了魯棒控制算法，解決了之前控制魯棒性不好和因為偏載產(chǎn)生了波動的問題，并且實現(xiàn)了對液壓缸位置和壓力的雙重控制［7］。張承譜，肖聚亮等運用液壓同步頂升技術實現(xiàn)了鋼結構橋梁安裝的完整施工，并在此基礎上深度開發(fā)出一種大型橋梁的PLC控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的多點聯(lián)控，為后續(xù)液壓同步頂升系統(tǒng)在多領域的工業(yè)應用提供有力指導［8］。

本文以江西銅業(yè)集團有限公司德興銅礦實際大修現(xiàn)場為背景，通過對WK-35電動挖掘機上盤結構進行分析，得出在不均勻大質(zhì)量上盤實施同步頂升的技術要求，并提出采用四點不均勻承載的液壓同步頂升方式，結合適合非線性、時變性的復雜系統(tǒng)控制的模糊PID控制方法實現(xiàn)挖掘機上下盤分離的同步頂升。通過AMESim軟件對液壓同步頂升系統(tǒng)模擬仿真，結果表明所設計液壓系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性、滿足設計要求，為后續(xù)現(xiàn)場施工提供參考。

2 WK-35電動挖掘機上盤結構及頂升系統(tǒng)技術要求分析

2.1 WK-35電動挖掘機上盤結構分析

為研制出安全可靠、實用高效的同步頂升系統(tǒng)，解決不均勻大質(zhì)量上下盤高精度同步分離的工程問題，本節(jié)對WK-35電動挖掘機的結構進行分析，獲得其上下盤分離所需同步頂升系統(tǒng)的技術要求，確定總體設計目標；針對上盤質(zhì)量分布不均的特點，對上盤質(zhì)量分布特點及重心位置進行分析，初步確定同步頂升位置及頂升點數(shù)量；在此基礎上，提出同步頂升系統(tǒng)的總體設計方案。WK-35電動挖掘機總體結構主要由四部分構成，如圖1所示。

圖1 WK-35電動挖掘機工作裝置示意圖

提升機構由兩臺交流變頻異步電動機通過撓性齒輪聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動，在挖掘過程中通過卷筒帶動提升鋼繩實現(xiàn)鏟斗向上提升挖掘，為挖掘機主要的采礦動作?；剞D(zhuǎn)機構可實現(xiàn)上盤在0～180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以完成大范圍的挖掘與裝載，承載整個挖掘機的上盤質(zhì)量及挖掘工作過程中的傾覆力矩。推壓機構安裝在起重臂上，可繞銷轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，以實現(xiàn)對礦石采掘工作面的推壓，挖掘深度、鏟斗提升與推壓是實現(xiàn)礦石裝斗及決定鏟斗裝滿率的關鍵。行走機構則分別驅(qū)動左右履帶裝置，實現(xiàn)挖掘機前進或者后退，WK-35電動挖掘機的最大爬坡角度為13°。

上述WK-35電動挖掘機的主要工作裝置中，提升機構、回轉(zhuǎn)機構、推壓機構等均屬于挖掘機上盤，此外還包括主回轉(zhuǎn)平臺、左右副平臺、左右走臺、機棚、司機室、潤滑室、配重箱、通風除塵裝置以及安裝在機棚中的所有機構。上盤前端安裝著起重臂、斗桿和鏟斗等，上盤后端裝有配重箱。頂升過程中需將上盤前端部件，如起重臂、斗桿、鏟斗等拆除，拆除后上盤質(zhì)量大約551t，上盤結構如圖2所示。

圖2 WK-35電動挖掘機上盤結構

綜合圖1、圖2可知，WK-35電動挖掘機的上盤分布著各種功能機構，即使將起重臂、桿、鏟斗等產(chǎn)生較大傾覆力矩的部件拆除，上盤質(zhì)量分布也極不均勻。這種不均勻分布的大質(zhì)量裝備給采礦區(qū)臨時場地的同步頂升帶來了挑戰(zhàn)。

2.2 同步頂升系統(tǒng)技術要求分析

根據(jù)上節(jié)對挖掘機上盤結構的分析，在上下盤頂升分離時，為防止懸臂、斗桿、鏟斗等活動部件因搖晃而產(chǎn)生傾覆，在分離施工前對其進行拆除，拆除后挖掘機上盤質(zhì)量約為551t。上下盤頂升分離總體技術要求如下：

（1）滿足對重量分布不均勻、重量在600t左右的挖掘機上盤進行頂升。

（2）為給檢修提供足夠的實施空間，要求將上盤相對下盤頂升1700mm的距離，即配重箱底面離地高度4430mm，且一次頂升到位。

（3）針對上盤載荷大且分布不均勻，前輕后重的特點，允許多點同步頂升。

（4）上、下盤之間通過下盤的中央樞軸與上盤的中央樞軸孔間隙配合，最大間隙0.5mm，配合深度1400mm，設計頂升系統(tǒng)的同步精度為±1mm，中央樞軸與頂升平面幾何關系示意圖如圖3所示。

圖3 中央樞軸與頂升平面幾何關系示意圖

由圖3可得，頂升點之間的距離為L，中央樞軸配合深度為S，最佳理論同步頂升狀態(tài)下，中央樞軸與水平的頂升平面垂直，上盤上與中央樞軸配合的孔的軸線與中央樞軸平行，假定配合為最大為0.5mm；當出現(xiàn)頂升點不同步時，頂升平面傾斜，上盤上的孔與中央樞軸形成如圖2.3所示的α角度，則軸與孔之間的最大間距Δsmax=1mm。常用同步誤差表示同步精度，其表達式為：

式中， δ為理論同步誤差率；Q1為計算的理論流量；Q2為輸入執(zhí)行器的實際流量。

根據(jù)式1可定義同步精度δ=Δh，其中，Δh為頂升點之間的頂升高度差。當因頂升點頂升高低不同步而導致頂升平面傾斜時，α=β，因此Δh=tanβ·L=tanα·L，在WK-35電動挖掘機上盤同步頂升過程中L=13693mm，因此，可得為了避免不同步頂升時中央樞軸不與孔干涉，最大頂升-下降同步精度 為：

因此，±1mm的設計精度要求滿足從幾何關系角度所得出的同步精度要求。

3 WK-35電動挖掘機上盤頂升過程質(zhì)量分布研究

準確獲得WK-35電動挖掘機上盤質(zhì)量分布規(guī)律是設計液壓油缸數(shù)量及位置分布、分配油缸載荷的重要依據(jù)。針對挖掘機上盤結構復雜、質(zhì)量大，難以獲得質(zhì)量分布及重心點位置的問題，本節(jié)根據(jù)上盤結構，通過三維幾何建模的方法，獲得準確的挖掘機上盤質(zhì)量分布及求解獲得重心位置，以此為液壓油缸數(shù)量、位置的分布及載荷分配提供依據(jù)。根據(jù)以上對WK-35電動挖掘機上盤的結構分析及現(xiàn)場測繪，通過三維幾何建模的方法，獲得上盤的主要部件模型，如圖4所示。

圖4 WK-35電動挖掘機三維模型

在三維幾何模型的基礎上，通過材料參數(shù)的設置，利用計算機三維建模平臺獲得如表1所示主要部件質(zhì)量，結合圖及表可知，WK-35電動挖掘機上盤質(zhì)量分布分散，求解確定上盤總體重心位置如圖5所示。重心中心線與上盤中央樞軸孔中心線距離4300mm，兩線所成平面與主回轉(zhuǎn)平臺側(cè)邊平行。

表1 上盤主要部件參考重量

圖5 上盤重心示意圖

WK-35型電動挖掘機上盤投影面積為13055×13130mm2，要保證頂升精度，則必須讓每個頂升點的位置布置合理，且受力均勻。理論上三個頂升點即可形成一個完整的頂升面，但在現(xiàn)場實際施工中，頂升位置為一個較小的接觸面，此時并不能簡單地將其簡化為點，頂升過程中難以保證此三個平面均處于同一平面內(nèi)；且對于需要承載不均勻大質(zhì)量的頂升點來說，需要精確確定三個頂升點的位置，使上盤的重心位置在頂升過程中始終處于三個頂升點形成的三角形幾何中心處，這一點在實施過程難以保證。因此，在需要支撐的工程實踐中，通常采用至少四點支撐的方式，這就能保證當一個或幾個支撐點出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象時，任意頂升位置點都具備確定平面功能。但是頂升點也不可過多，不然會出現(xiàn)受力不均的現(xiàn)象，嚴重的話還可能出現(xiàn)超負荷現(xiàn)象。

通過對挖掘機結構及上盤質(zhì)量分布分析，確定采用前、后各2個頂點共4頂點頂升。由于上盤后部配重箱重量集中，且其為箱式焊接結構，決定將后部2個頂點布置于箱體內(nèi)部隔板交叉點處。前部2個頂點布置于挖掘機起重臂根銷處，但由于下盤履帶架裝置干涉造成頂升空間不足，需要設計延伸支撐臂，如圖6所示。

圖6 前頂升點支撐臂

經(jīng)過計算和測量，各頂點重量及位置分布如圖7所示，后部液壓缸單缸承重201.1t，前部液壓缸單缸承重74.25t。

圖7 各頂升點重量及位置分布圖

4 同步頂升液壓系統(tǒng)總體設計方案

基于對WK-35電動挖掘機上盤結構的研究分析，WK-35電動挖掘機上下盤分離的液壓同步頂升系統(tǒng)由四大部分組成：液壓油缸及配套裝置部分、液壓油泵站集成部分、同步頂升PLC控制部分、數(shù)據(jù)采集及顯示部分，如圖8所示。

圖8 同步頂升系統(tǒng)組成

通過上文對挖掘機上盤頂升過程質(zhì)量分布的分析，確定采用四點液壓同步頂升技術對WK-35電動挖掘機上盤部分進行頂升。實現(xiàn)四個頂升點的同步頂升的關鍵是控制進入四個液壓缸的流量，WK-35電動挖掘機上盤質(zhì)量分布不均，按所提出的四點液壓同步頂升方案，液壓缸承載不一致，后部液壓缸單缸承重201.1t，前部液壓缸單缸承重74.25t。

目前，同步液壓系統(tǒng)通常采用的有泵控與閥控，泵控主要是對各液壓泵配備單獨的液壓泵，通過改變液壓泵的供油量，以實現(xiàn)對液壓缸頂升速度及位移的控制，由于泵控的系統(tǒng)響應速度不高，通常用于控制精度不高、大容量及頻響相對較低的場合。閥控是通過比例閥或電磁閥控制供給液壓缸的流量，實現(xiàn)多液壓缸的同步頂升，具有精度較高，響應快的特點。

根據(jù)礦山的特點及要求，選擇采用同一液壓泵站供油，通過每一液壓缸配備一個電磁球閥控制液壓回路的油液量的閥控方式，以實現(xiàn)不同承載液壓缸的同步頂升，同步頂升液壓系統(tǒng)總方案基本思路如圖9所示。

圖9 同步液壓系統(tǒng)總方案原理圖

4.1 控制系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)的總控制采用可編程邏輯控制器PLC進行控制，針對同步頂升液壓系統(tǒng)具有非線性、時變性的特點，采用模糊PID控制算法，控制輸出端按采用PWM脈沖控制技術。控制器接收從安裝在油缸旁邊的與重物相連的傳感器發(fā)出的信號，然后處理這些信息并經(jīng)過運算后，發(fā)送控制信號到各液壓油缸控制閥，打開和/或關閉這些高速控制閥來控制每個點的油缸動作，最終實現(xiàn)WK-35挖掘機上盤整體的穩(wěn)步頂升和下降。升降過程的同步誤差和到位后的誤差均保持在操作者設定的范圍。

隨著液壓技術，特別是同步液壓技術的快速發(fā)展以及相關工程技術領域?qū)σ簤和巾斏纫蟮奶岣撸壳捌毡椴捎秒娨和巾斏夹g，以實現(xiàn)對復雜、非線性同步頂升系統(tǒng)的高精度控制[ ]。而液壓系統(tǒng)同步控制通常采用系統(tǒng)自適應控制、PID控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制、人工智能等，對于復雜系統(tǒng)的高精度控制往往會將以上控制方法復合使用［10］。

PID控制是最常用、技術最成熟的控制方法，WK-35挖掘機上下盤分離液壓同步頂升系統(tǒng)具有非線性、時變性特點，而傳統(tǒng)的PID控制通常僅適用于系統(tǒng)處于線形狀或基本線性狀態(tài)，且動態(tài)特性不隨時間變化，因此單獨的PID控制難以實現(xiàn)這一復雜系統(tǒng)的高精度同步頂升。

模糊PID控制即為模糊控制與PID控制相結合的復合控制方法，通過模糊控制算法使PID控制過程中的三個參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)變化以適用非線性、動態(tài)系統(tǒng)的高精度控制［11］。根據(jù)模糊PID控制的這一特點，本文用以對WK-35挖掘機上下盤分離液壓同步頂升系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)對不同承載液壓缸的同步頂升控制，同步頂升控制總方案基本思路如圖10所示。

圖10 同步頂升控制總方案原理圖

綜上所述，確定采用電液控制的方式，實現(xiàn)對WK-35挖掘機上下盤分離液壓同步頂升。采用以液壓缸頂桿位移及載荷作為模糊PID控制的輸入，對電磁球閥進行控制，通過對各液壓缸流量的控制，實現(xiàn)對不同載荷液壓缸的同步頂升。

5 同步頂升液壓系統(tǒng)動態(tài)特性模擬研究

5.1 AMESim的液壓系統(tǒng)仿真模型構建

AMESim是集成了機械、液壓、氣動、熱、電和磁等領域的綜合性液壓系統(tǒng)仿真軟件，為液壓系統(tǒng)的計算機模擬仿真提供了強大的支持［12-13］。AMESim已經(jīng)成功應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學科領域，成為包括流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺［14］。

AMEsim軟件中擁有各種液壓庫元件、信號庫元件以及機械庫元件，本系統(tǒng)用的最多的液壓庫如圖11(a)所示，在建模過程中只需將需要的液壓元件從液壓庫中拖出來連接即可。若液壓庫中沒有液壓系統(tǒng)用到的液壓元件，則可采用AMEsimd的HCD庫對所需的液壓元件進行二次開發(fā)，從而創(chuàng)建出符合液壓系統(tǒng)的液壓元件模型，HCD液壓元件設計庫如圖11(b)所示。在同步頂升液壓系統(tǒng)中，通過三位四通電磁換向閥來控制液壓回路流向；通過高頻通斷的兩位兩通電磁球閥組控制液壓回路的通斷，并實現(xiàn)系統(tǒng)的同步頂升調(diào)節(jié)。

圖11 AMEsim建模子庫

在AMESim軟件中，由于缺少多通道的液壓控制閥和液壓控制泵等模型，所以在模型構建過程中，使用電信號單元來代替液壓信號，部分液壓元件的控制由電信號進行控制。所構建的WK-35電動挖掘機上下盤分離同步頂升液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖12所示。

該AMEsim仿真模型基本與原液壓系統(tǒng)原理圖保持一致，對于建模較為困難的兩位兩通電磁球閥，在總體建模時該模型采用兩位兩通電磁閥代替。對于重復多余的少許液壓元件，在模型中進行了舍去處理，在保證完整性的同時簡化了系統(tǒng)模型，提高了仿真效率。

5.2 AMESim的液壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析

（1）頂升液壓缸性能模擬。

以WK-35電動挖掘機四點同步頂升油缸上升工作時的動態(tài)過程為研究對象，按照圖12中AMEsim仿真模型進行數(shù)值模擬。液壓系統(tǒng)采用雙液壓油泵提供動力，通過初步設計采用單泵5L/min的供油速度，負重為600t時，液壓缸的頂升速度歷程曲線如圖13所示。

圖12 同步頂升AMESim仿真模型

圖13 液壓缸的頂升速度歷程曲線

由圖13可知，液壓缸的頂升速度歷程曲線呈線性增長趨勢，其中，活塞桿速度在0～5s內(nèi)迅速提升到0.26mm/s后穩(wěn)定，平均速度為0.263mm/s。在5s后液壓缸頂升速度不在增加，說明該頂升系統(tǒng)在較短時間內(nèi)可達到平穩(wěn)狀態(tài)，且頂升速度穩(wěn)定。

為更好模擬和研究現(xiàn)場不同環(huán)境下工作時挖掘機的運行動態(tài)特性，驗證建立仿真模型的準確性，以WK-35大型挖掘機的液壓缸工為研究對象，分析單缸活塞和油液的變化速度。借助AMEsim模擬仿真負重500t、550t、600t時油缸活塞速度和油液流速的響應曲線，單缸活塞和油液速度隨時間的動態(tài)變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 不同負重下液壓缸動態(tài)特性

由圖14（a）可知，液壓單缸活塞運動速度在較短時間內(nèi)快速達到峰值，且在保持峰值不變的狀態(tài)下，隨著時間的增加，速度保持穩(wěn)定趨勢，并未出現(xiàn)顯著差異。負載的改變僅對不同狀態(tài)下活塞的運動速度峰值產(chǎn)生干涉，對單缸活塞的整體工作狀態(tài)并未起到影響，對于不同載荷下活塞缸達到不同速度對系統(tǒng)達到穩(wěn)定的響應時間基本一致。圖14（b）為液壓缸油液流速隨時間變化曲線，通過觀察圖14（b）發(fā)現(xiàn)，油液整體速度變化趨勢與活塞桿伸出速度變化基本一致，三種情況均在不到5s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，負重較小時，液壓缸穩(wěn)定的速度相對更大，穩(wěn)定速度為0.315mm/s；流入液壓缸的流速也在0～5s內(nèi)迅速達到穩(wěn)定，與液壓缸速度運動規(guī)律一致，說明該系統(tǒng)與WK-35挖掘機實際作業(yè)時液壓缸的運動規(guī)律相符，進一步驗證了建立的WK-35電動挖掘機同步頂升液壓系統(tǒng)仿真模型是可靠的。

（2）兩位兩通電磁球閥模擬。

通過對兩位兩通電磁球閥進行高頻通斷控制，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的同步頂升控制。為掌握高頻通斷過程中兩位兩通電磁球閥對流量的控制性能，在AMESim軟件中對兩位兩通電磁球閥進行建模，為了跟前面系統(tǒng)模型一致，在AMEsim中同樣以兩位兩通電磁球閥如圖15所示。

圖15 二位二通電磁球閥仿真模型

模擬過程中通過電信號實現(xiàn)對電磁球閥組的高頻通斷控制，根據(jù)液壓系統(tǒng)的設計要求設定通斷頻率為25Hz，如圖16所示為模擬閥組前兩周期流量控制歷程曲線。

圖16 兩位兩通電磁球閥流量歷程曲線

由圖16可知，通過高頻通斷可有效實現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量的高效控制，在一個周期，即0.04min后即達到了流量的平穩(wěn)控制。

（3）平衡控制閥動態(tài)特性模擬。

平衡控制閥在液壓系統(tǒng)中起著重要的作用，對其動態(tài)特性的模擬研究成了必不可少的環(huán)節(jié)。參照實際工作液壓系統(tǒng)中使用的平衡控制閥塊，利用AMEsim對其進行仿真模擬。為了使其最真實地反映本系統(tǒng)所使用閥的動態(tài)性能，使用AMEsim軟件中的HCD液壓系統(tǒng)開發(fā)庫對其進行模型的建立，如圖17所示。設置參數(shù)并研究平衡控制閥對整個液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

圖17 平衡控制閥模型

在圖17所示平衡控制閥的動態(tài)仿真模型當中，在液壓缸處增加了質(zhì)量塊子模型、管路中增加了泄露子模型以及可壓縮容積子模型，以便建立的仿真模型更加符合現(xiàn)場工作情況，并保證不發(fā)生倒流的情形，仿真結果如圖18所示。

圖18 平衡控制閥閥芯動態(tài)特性

由圖18主閥腔流量、主閥腔入口壓力、主閥芯位移的動態(tài)特性圖可知，平衡控制閥主閥芯可以在0～1s內(nèi)迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，響應時間較短，從而可以得出平衡控制閥有助于液壓系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，減小液壓系統(tǒng)工作時出現(xiàn)的噪聲與振動。

（4）節(jié)流調(diào)速閥動態(tài)特性模擬。

為使整個液壓系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的調(diào)速性能，本文在系統(tǒng)中加入節(jié)流調(diào)速閥。為掌握節(jié)流閥在系統(tǒng)中的性能，必須對節(jié)流調(diào)速閥的動態(tài)特性進行研究。通過AMEsim建立簡單的節(jié)流調(diào)速閥動態(tài)仿真模型，如圖19所示。

圖19 節(jié)流調(diào)速閥動態(tài)特性

由圖19可知，節(jié)流調(diào)速回路在0～1s內(nèi)迅速到達穩(wěn)定狀態(tài)，壓力波動較小。不同節(jié)流孔開度對整個回路系統(tǒng)有一定影響，開度較大時，到達穩(wěn)態(tài)的響應時間越小，系統(tǒng)可獲得更好的響應性能。

6 結論

本文通過對WK-35型電動挖掘機結構分析，提出上下盤分離同步頂升的技術需求，并針對上盤不均勻大質(zhì)量的特點，采用3D模型構建的方法，求解了上盤重心位置，設計了由前后兩組、每組2缸的頂升點位置分布方案，依據(jù)質(zhì)量分布求解，確定后部油缸單缸承重201.1t，前部油缸單缸承重74.25t。采用三位四通閥對各頂升油缸的升降進行集中控制，并采用高頻電磁閥單獨對各液壓缸的升降速度及頂桿位移進行控制，很好地實現(xiàn)了載荷不同的液壓油缸的同步頂升，在此基礎上運用AMESim軟件構建了液壓系統(tǒng)的仿真模型，并對本系統(tǒng)的液壓動態(tài)特性進行分析，結果表明液壓油缸頂升速度及電磁球閥的流量控制符合設計要求。