吳 璇， 陳俊翔， 訚順寬， 馬軍輝， 艾 超,2

(1.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004；3.三一集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000； 4.三一重機(jī)有限公司， 江蘇 蘇州 215300)

引言

目前，隨著國(guó)家“十四五”計(jì)劃的實(shí)施，挖掘機(jī)在基礎(chǔ)建設(shè)方面仍有較大的市場(chǎng)需求[1]。正流量挖掘機(jī)作為工程機(jī)械領(lǐng)域代表性機(jī)械設(shè)備，因其具有復(fù)雜工況下適應(yīng)性強(qiáng)、能量密度大且工作靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，在土木建筑和礦山挖掘工程領(lǐng)域被廣泛使用[2]。日常作業(yè)中，正流量挖掘機(jī)的作業(yè)工況復(fù)雜而多變，作業(yè)中可能會(huì)出現(xiàn)吸空、壓力沖擊等動(dòng)作協(xié)調(diào)性問題尤其是復(fù)合動(dòng)作時(shí)，加入或減去一個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生的速度突變，會(huì)影響操作體驗(yàn)感以及精控性，這一問題是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對(duì)挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)增減時(shí)產(chǎn)生的速度突變的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)的研究。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的ZAHE B[3]提出了流量總和控制(Sum of Flow Control，SSR)系統(tǒng)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制，通過對(duì)泵的排量控制來調(diào)節(jié)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，并且使負(fù)載力最大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥口全開，但其高昂的控制成本及傳感器限制了該系統(tǒng)的發(fā)展。徐小龍等[4]為解決動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作時(shí)動(dòng)臂無法提升、合理分配多路閥內(nèi)流量的問題，設(shè)計(jì)了一種節(jié)流閥，通過改變優(yōu)先節(jié)流孔的尺寸來調(diào)節(jié)壓力分布，解決流量分配問題，不僅增加成本，且對(duì)于不同機(jī)型需設(shè)計(jì)不同的節(jié)流閥，無法實(shí)現(xiàn)普遍適用。盧書湘等[5]通過分析液壓系統(tǒng)流量分配原理，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂提升和回轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作為例，介紹了幾種改善液壓挖掘機(jī)多動(dòng)作協(xié)調(diào)性的方法，但是均需從結(jié)構(gòu)改變，難以普遍適用。趙小飛[6]針對(duì)負(fù)載敏感液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂上升、斗桿內(nèi)收、鏟斗內(nèi)收三動(dòng)作復(fù)合時(shí)鏟斗內(nèi)收速度小的問題，通過增大鏟斗壓力補(bǔ)償器節(jié)流面積提高了鏟斗內(nèi)收動(dòng)作速度，改善了動(dòng)臂斗桿鏟斗協(xié)調(diào)復(fù)合動(dòng)作特性，但僅適用于負(fù)載敏感系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作的動(dòng)作協(xié)調(diào)性問題提出了實(shí)驗(yàn)與仿真方法，通過搭建準(zhǔn)確的AMESim模型，改進(jìn)仿真模型，改進(jìn)后的仿真結(jié)果顯示復(fù)合動(dòng)作的動(dòng)作協(xié)調(diào)性有了較大改善，但是沒有進(jìn)行理論以及實(shí)驗(yàn)分析，可靠性有待驗(yàn)證。為解決挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作的不協(xié)調(diào)性問題，一些學(xué)者采取了添加流量閥的方法，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制，達(dá)到較高的能量利用率，但成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大量使用[10-12]。吳云展等[13]為改善裝載動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，構(gòu)建了基于響應(yīng)面法和帶精英策略的非支配排序遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法，結(jié)合AMESim軟件和Motion軟件搭建仿真模型，深入研究馬達(dá)排量、溢流壓力、減速比以及動(dòng)臂液壓缸直徑等關(guān)鍵參數(shù)與裝載動(dòng)作協(xié)調(diào)性之間的關(guān)系，對(duì)液壓挖掘關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化后，其協(xié)調(diào)性提升了26.42%，但對(duì)于已出廠的整機(jī)，這些關(guān)鍵參數(shù)難以修改。

本研究以全電控正流量挖掘機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，加入或減去一個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生的速度突變問題，理論分析了執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度與變量泵輸出流量之間的定量匹配，提出調(diào)整正流量挖掘機(jī)前后泵輸出初始排量并留一部分排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號(hào)的變化調(diào)整輸出的控制策略，有效改善了挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，增減動(dòng)作產(chǎn)生的速度突變協(xié)調(diào)性問題。

1 正流量挖掘機(jī)液壓及控制系統(tǒng)原理分析

全電控正流量挖掘機(jī)動(dòng)臂斗桿液壓回路原理如圖1所示，控制流程如圖2所示。

圖1 動(dòng)臂斗桿液壓回路原理圖

圖2 動(dòng)臂斗桿控制流程

對(duì)動(dòng)臂提升和斗桿挖掘復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行分析，當(dāng)挖掘機(jī)無動(dòng)作時(shí)，電手柄處于中位，前后泵處于最小排量，泵口的液壓油經(jīng)卸荷閥1，2流回油箱。當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作時(shí)，手柄信號(hào)傳輸至控制器，控制器將手柄信號(hào)處理，并輸出動(dòng)臂聯(lián)、斗桿聯(lián)電比例減壓閥信號(hào)以及前后泵對(duì)應(yīng)的電比例減壓閥信號(hào)，繼而控制動(dòng)臂聯(lián)、斗桿聯(lián)閥芯運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)前后泵排量，動(dòng)臂、斗桿液壓缸運(yùn)動(dòng)，且動(dòng)臂斗桿復(fù)合動(dòng)作優(yōu)先是通過電比例減壓閥控制斗桿聯(lián)主閥的開度實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)進(jìn)行動(dòng)臂或斗桿單動(dòng)作時(shí)，前后泵液壓油供單執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)進(jìn)行動(dòng)臂、斗桿復(fù)合動(dòng)作時(shí)，前后泵液壓油需同時(shí)供動(dòng)臂、斗桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其中前泵液壓油90%供動(dòng)臂液壓缸，10%供斗桿液壓缸，后泵液壓油100%供斗桿液壓缸。在動(dòng)臂與斗桿液壓缸復(fù)合動(dòng)作穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)中，若減去斗桿動(dòng)作控制信號(hào)，斗桿流量需求瞬時(shí)降低，此時(shí)前后泵輸出排量基本不會(huì)隨動(dòng)作增減變化，無法對(duì)增減動(dòng)作做相應(yīng)調(diào)整，前后泵供斗桿的液壓油流向動(dòng)臂液壓缸，動(dòng)臂的速度發(fā)生突增。在動(dòng)臂液壓缸穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)中，若加入斗桿動(dòng)作控制信號(hào)，斗桿聯(lián)主閥芯移動(dòng)，因?yàn)槎窏U液壓缸流量需求增加，前后泵供動(dòng)臂的流量因此被動(dòng)分流至斗桿液壓缸，主泵流量無法跟隨系統(tǒng)流量需求變化，動(dòng)臂的速度發(fā)生突降。

2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于電控正流量系統(tǒng)， 主泵的排量與手柄信號(hào)呈正相關(guān)，圖3為主泵正流量曲線。當(dāng)有動(dòng)作時(shí)，電手柄信號(hào)傳輸至控制器進(jìn)行比較，將最大的電信號(hào)傳輸至前后泵電比例減壓閥，從而控制前后泵排量，前后泵排量V1，V2和各動(dòng)作手柄信號(hào)函數(shù)關(guān)系為：

圖3 主泵正流量曲線

V1=max(f1(I1),f2(I2)…fn(In))

(1)

V2=max(f1(I1),f2(I2)…fn(In))

(2)

式中，V1—— 前泵排量，mL/r

V2—— 后泵排量，mL/r

I1～I(xiàn)n—— 挖掘機(jī)各動(dòng)作手柄信號(hào)，mA

以空載工況下動(dòng)臂提升與斗桿挖掘動(dòng)作為例進(jìn)行分析，假設(shè)各動(dòng)作手柄推到底，忽略內(nèi)泄漏及節(jié)流口的影響，前后泵流量Q1，Q2為：

Q1=V1×n

(3)

Q2=V2×n

(4)

式中，Q1—— 前泵流量，L/min

Q2—— 后泵流量，L/min

n—— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

當(dāng)進(jìn)行動(dòng)臂提升單動(dòng)作時(shí)，動(dòng)臂液壓缸的速度計(jì)算為：

q1=A1vDB

(5)

Q1+Q2=2q1

(6)

(7)

式中，q1—— 動(dòng)臂液壓缸大腔流量，L/min

A1—— 動(dòng)臂液壓缸大腔面積，mm2

vDB—— 單動(dòng)作動(dòng)臂液壓缸速度，mm/s

當(dāng)動(dòng)臂單動(dòng)作中加入斗桿挖掘動(dòng)作時(shí)，動(dòng)臂液壓缸以及斗桿液壓缸的速度計(jì)算為：

q11=A1vDB1

(8)

q3=A3vDG

(9)

Q1+Q2=2q11+q3

(10)

(11)

(12)

(13)

式中，q11—— 復(fù)合動(dòng)作動(dòng)臂液壓缸大腔流量，L/min

q3—— 斗桿液壓缸大腔流量，L/min

A3—— 斗桿液壓缸大腔面積，mm2

vDG—— 斗桿液壓缸速度，mm/s

vDB1—— 復(fù)合動(dòng)作動(dòng)臂液壓缸速度，mm/s

ΔvDB—— 動(dòng)臂液壓缸速度變化量，mm/s

在空載工況下，動(dòng)臂提升動(dòng)作加入斗桿挖掘動(dòng)作時(shí)，前后泵通過電比例減壓閥調(diào)節(jié)斗桿主閥開口實(shí)現(xiàn)優(yōu)先作用，但其效果有限，因?yàn)榇藭r(shí)前后泵輸出排量基本不會(huì)隨動(dòng)作增減變化，且斗桿負(fù)載小，動(dòng)臂負(fù)載大，此時(shí)動(dòng)臂聯(lián)的閥口已經(jīng)開到最大，隨著斗桿液壓缸流量需求增加， 供動(dòng)臂的液壓油q3被分配去供斗桿，動(dòng)臂速度有一個(gè)很大的變化量ΔvDB； 若動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作中減去斗桿動(dòng)作，動(dòng)臂聯(lián)的閥口已經(jīng)開到最大，供斗桿的液壓油q3被分配去供動(dòng)臂，同理，動(dòng)臂速度變化量也為ΔvDB。

3 解決方案

對(duì)于全電控正流量挖掘機(jī)，挖掘機(jī)有動(dòng)作時(shí)，手柄信號(hào)傳輸?shù)娇刂破?，控制器將最大信?hào)傳輸至主泵上電比例減壓閥，從而控制主泵排量。由于單動(dòng)作不是作業(yè)工況，在滿足復(fù)合動(dòng)作指標(biāo)的前提條件下，提出調(diào)整正流量挖掘機(jī)前后泵輸出初始排量并留一部分排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號(hào)的變化調(diào)整輸出的控制策略，使前后泵輸出的總排量與驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂、斗桿動(dòng)作的各液壓缸流量需求匹配。

對(duì)應(yīng)挖掘機(jī)每一單一動(dòng)作和每一復(fù)合動(dòng)作，將挖掘機(jī)前后泵的輸出排量分為前、后泵動(dòng)作初始排量V前初，V后初和前、后泵排量余量V前余，V后余兩部分；前泵及后泵動(dòng)作初始排量為前泵及后泵對(duì)應(yīng)該動(dòng)作的最大輸出排量的50%～80%；前、后泵排量余量為前、后泵對(duì)應(yīng)該動(dòng)作的最大輸出排量減去前、后泵動(dòng)作初始排量后的余量，用于跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號(hào)的變化調(diào)整輸出，以便驅(qū)動(dòng)各液壓缸動(dòng)作。

以前泵為例進(jìn)行介紹，前泵泵控策略如圖4所示。首先， 在程序中預(yù)先設(shè)定各動(dòng)作手柄輸入信號(hào)的最大排量余量。在挖掘機(jī)動(dòng)作中，各電手柄信號(hào)變化，系統(tǒng)流量需求變化，控制器采集各手柄信號(hào)，根據(jù)最大排量余量表設(shè)定輸入電信號(hào)下的最大排量余量值。隨著手柄信號(hào)的變化，控制器計(jì)算理想正流量排量數(shù)值，再將此排量數(shù)值轉(zhuǎn)為電流信號(hào)值，最后將此電流信號(hào)輸出至前后泵上的電比例減壓閥，比例減壓閥的二次輸出壓力對(duì)應(yīng)調(diào)整前后泵的排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)從而改變泵排量。前泵具體計(jì)算如式(14)～式(17)，后泵原理及計(jì)算公式同前泵。

圖4 前泵泵控控制策略

前泵初始排量的計(jì)算公式為：

V前初=V前max×k1

(14)

式中，V前初—— 前泵初始排量，mL/r

V前max—— 對(duì)應(yīng)該動(dòng)作前泵的最大輸出排量，mL/r

k1—— 排量限制系數(shù)，可取50%～80%，表示對(duì)應(yīng)該動(dòng)作前泵只輸出其最大排量的50%～80%，預(yù)留20%～50%的排量作為排量余量

前泵余量的計(jì)算公式為：

(15)

式中，I動(dòng)臂—— 動(dòng)臂手柄的控制信號(hào)，mA

I斗桿—— 斗桿手柄的控制信號(hào)，mA

I鏟斗—— 鏟斗手柄的控制信號(hào)，mA

Imax—— 手柄控制信號(hào)的最大量程，mA

排量余量和斗桿手柄控制信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系V(I斗桿)為：

(16)

式中，A—— 斗桿液壓缸剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的手柄電流值，mA

D—— 斗桿液壓缸速度剛達(dá)到最大時(shí)的手柄電流值，mA

a—— 對(duì)應(yīng)于該動(dòng)作最大的前泵排量余量，即(1-k1)×V前max，mL/r

排量余量和鏟斗手柄控制信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系V(I鏟斗)為：

(17)

式中，B—— 鏟斗液壓缸剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的手柄電流值，mA

E—— 鏟斗液壓缸速度剛達(dá)到最大時(shí)的手柄電流值，mA

未實(shí)施控制策略時(shí)，前后泵的最大可用排量為V，進(jìn)行動(dòng)臂提升單動(dòng)作時(shí)，前后泵沒有排量余量，2V的液壓油全部進(jìn)入動(dòng)臂液壓缸，當(dāng)加入斗桿挖掘動(dòng)作時(shí)，有將近的排量將流入斗桿液壓缸，此時(shí)動(dòng)臂液壓缸就會(huì)出現(xiàn)速度的大幅度變化。

實(shí)施上述控制策略，前泵和后泵的最大可用排量為k1·V，前泵和后泵各留有(1-k1)·V的排量余量，當(dāng)加入斗桿挖掘動(dòng)作時(shí)，隨著斗桿挖掘控制信號(hào)的不斷增大，前后泵的排量余量線性地從k1·V增加到V。此時(shí)雖然仍有V的排量會(huì)流入斗桿液壓缸，但動(dòng)臂液壓缸的速度變化幅度就會(huì)減小。

4 仿真分析

以某公司37 t全電控正流量挖掘機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行機(jī)械液壓聯(lián)合仿真。其中機(jī)械模型仿真根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)和各零部件幾何尺寸，采用Creo進(jìn)行零部件建模，導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Motion通過約束各零部件的運(yùn)動(dòng)副得到挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。機(jī)械模型具體搭建流程如圖5所示，搭建出的挖掘機(jī)三維模型如圖6所示。

圖5 機(jī)械建模流程

圖6 挖掘機(jī)三維模型

液壓模型根據(jù)液壓泵、多路閥實(shí)際參數(shù)以及各閥口過流面積曲線采用AMESim軟件進(jìn)行搭建。

機(jī)電液聯(lián)合仿真以AMESim為主要軟件，將機(jī)械系統(tǒng)的LMS Virtual.Lab Motion模型通過接口導(dǎo)出文件導(dǎo)入AMESim中， 聯(lián)合仿真液壓模型參數(shù)及機(jī)械模型參數(shù)如表1、表2所示，AMESim與Motion的相互傳輸關(guān)系如圖7所示，動(dòng)臂斗桿聯(lián)合仿真模型如圖8所示。

圖7 AMESim-Motion接口傳輸

圖8 動(dòng)臂斗桿聯(lián)合仿真模型

表1 聯(lián)合仿真模型液壓仿真模型參數(shù)

表2 聯(lián)合仿真模型機(jī)械仿真模型參數(shù)

速度突變量計(jì)算公式如下：

(18)

式中， Δv—— 速度突變量

v改善前—— 改善前的速度值，mm/s

v改善后—— 改善后的速度值，mm/s

動(dòng)臂斗桿仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作時(shí)前泵基本供動(dòng)臂后泵供斗桿。動(dòng)臂斗桿同時(shí)動(dòng)作，在2.7 s左右斗桿先導(dǎo)信號(hào)退出，動(dòng)臂依舊繼續(xù)動(dòng)作，后泵供斗桿的液壓油轉(zhuǎn)向供動(dòng)臂，此時(shí)動(dòng)臂液壓缸的速度從180 mm/s突增到320 mm/s，改善后，動(dòng)臂液壓缸的速度從180 mm/s變?yōu)?5 mm/s，速度突變量減小47.2%，主泵在斗桿動(dòng)作退出后無法對(duì)應(yīng)調(diào)整排量，從而造成速度沖擊。

圖9 動(dòng)臂斗桿仿真結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

針對(duì)挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，增減執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生速度突變的問題，將解決方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以圖10a所示某公司某型號(hào)液壓挖掘機(jī)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為空曠的平地。挖掘機(jī)整機(jī)實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集儀器為西門子綜合數(shù)據(jù)采集儀，各測(cè)試點(diǎn)采用傳感器如圖10b～圖10d所示，設(shè)備參數(shù)如表3所示。

圖10 測(cè)試準(zhǔn)備

表3 測(cè)試設(shè)備規(guī)格參數(shù)表

在加入泵控策略的實(shí)機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證，圖11為動(dòng)臂和斗桿復(fù)合動(dòng)作實(shí)驗(yàn)改善對(duì)比， 當(dāng)斗桿動(dòng)作加入動(dòng)臂動(dòng)作時(shí)，斗桿的速度從474 mm/s變?yōu)?30 mm/s，速度突變量減小10.56%。圖12為斗桿和鏟斗復(fù)合動(dòng)作實(shí)驗(yàn)改善對(duì)比，當(dāng)斗桿動(dòng)作加入鏟斗動(dòng)作后，斗桿液壓缸的速度從685 mm/s變?yōu)?94 mm/s，速度突變量減小38.7%；當(dāng)減去斗桿控制信號(hào)后，鏟斗液壓缸的速度從462 mm/s變?yōu)?17 mm/s，速度突變量減小10.63%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的解決方案可以有效改善復(fù)合動(dòng)作時(shí)，增減動(dòng)作產(chǎn)生的速度突變問題。

圖11 動(dòng)臂斗桿實(shí)驗(yàn)改善對(duì)比

圖12 斗桿鏟斗實(shí)驗(yàn)改善對(duì)比

6 結(jié)論

針對(duì)某公司37 t全電控正流量挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)增減而產(chǎn)生的速度突變這一協(xié)調(diào)性問題，重點(diǎn)分析了單動(dòng)作與復(fù)合動(dòng)作各執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度與主泵流量分配之間的關(guān)系，提出了調(diào)整正流量挖掘機(jī)前后泵初始輸出排量并留有20%～50%排量余量，使前后泵排量余量跟隨各先導(dǎo)電手柄電流信號(hào)的變化調(diào)整輸出的控制策略，建立了高精度AMESim-Motion機(jī)械液壓聯(lián)合仿真模型。仿真結(jié)果表明，動(dòng)臂提升與斗桿挖掘復(fù)合動(dòng)作增減動(dòng)作時(shí)速度突變量減小40%以上；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)臂與斗桿以及斗桿與鏟斗復(fù)合動(dòng)作增減動(dòng)作時(shí)速度突變量減小10%以上，其動(dòng)作協(xié)調(diào)性有顯著提升。