KTY5000動力頭鉆機進給液壓系統控制方法研究

丁業升 魏 瑋

(1.武橋重工集團，湖北 武漢 430056；2.仁和集團，湖北 武漢 430056)

0 前言

KTY5000動力頭鉆機是中鐵大橋局集團為福建平潭海峽公鐵兩用大橋項目的基礎建設，依托武橋重工集團研發制造的一種用于大直徑基礎鉆孔施工，具有大扭矩、大直徑全斷面鉆巖成孔能力的全液壓工程鉆機，其鉆孔直徑可達5.0m，鉆進深度可達180m。近幾年來，隨著大型橋梁建設的發展趨勢，傳統的KTY鉆機系列已不能滿足大直徑鉆孔灌注樁基礎施工能力的需求，因此，開發具有大扭矩、大直徑全斷面鉆巖成孔能力的全液壓工程鉆機是鉆機技術發展的必然趨勢，開展鉆機液壓控制系統控制理論優化研究具有十分重要的意義。

1 動力頭鉆機進給液壓系統特性分析

1.1 負荷特性分析

KTY5000動力頭鉆機施工區域地質結構主要以侵入巖、火成巖等硬質巖為主，基巖埋藏整體較淺，巖質硬且基巖起伏較大，不同地段場地類別相差較大，故鉆機在施工過程中負荷具有以下特點：

1）負荷波動較大、負載多變；2）負載中主要以階躍載荷和突變載荷為主。

1.2 變量泵特性分析

對變量泵排量的控制是鉆機進給液壓控制系統的關鍵參數之一[4-5]。變量泵的排量調節決定著電機的輸出功率能否被充分吸收。由泵與電機之間的關系式1可知：

Dp主要由外負載決定，電機轉速n由工作所選類型決定，按照電機的額定工況可知，則有一最佳液壓泵排量控制目標值V，使泵充分吸收電機輸出功率，且滿足負荷的需要。據相關文獻研究[1-2]，變量泵在低轉速時，泵的容積效率ηv較低，泄漏量大；轉速n在中高速范圍內，泵的容積效率ηv趨向平穩并保持最高值，其泄漏量少；在中低速轉速范圍內容積效率ηv隨轉速增加而平緩增加，容積效率隨工作壓力升高而降低，但與轉速n的關系趨勢不變。

由上述特性分析可知，針對鉆機進給液壓控制系統的變負荷工況特點，其變量泵的變量范圍控制在βb=0.5～1范圍內，盡量使泵在高效率的壓力范圍內工作。

2 動力頭鉆機進給液壓系統控制原理與策略

由鉆機負荷特性分析可知，鉆機動力頭進給時必須具備的條件有：1）鉆進壓力無級可調；2）鉆機在正常工作時具有足夠的提拔力；3）對應不同的負載，速度可調；4）進給系統節能、可靠、高效[1-2]。

根據上述條件，KTY5000動力頭鉆機進給液壓系統控制策略如下，采用液壓比例控制變量泵作為控制動力源，采用液控換向閥實現動力頭下降與提升，利用平衡閥、溢流閥組成的遠程調壓系統以及PLC控制器實現鉆機動力頭自動鉆進功能。其原理為：鉆機在外載荷下，鉆具的重量提供破碎巖層的壓力，鉆進時系統通過控制兩提放油缸可提起鉆具部分重量，通過變量泵、PLC控制器以及負載壓力組成的閉環控制系統，實現當前最佳破巖壓力控制，達到自動鉆進作業工況，也充分利用了鉆具的鉛垂作用，保證鉆孔的垂直精確度。如圖1液壓系統原理圖。

圖1 進給液壓系統原理圖

3 自動鉆進控制方法

目前全液壓工程鉆機進給液壓系統均采用變量泵、液壓閥，進給油缸組成的開式系統。鉆機是典型的非標準工程機械，其鉆機進液壓系統在變負荷的工況下，如何實現液壓泵輸出功率與負載匹配是實現動力頭自動鉆進關鍵所在。

3.1 參考模型自適應控制原理

參考模型自適應控制(Model Reference Adaptive Control)原理如圖2所示，由參考模型、常規反饋控制、被控對象、自適應控制率四部分構成。參考模型的輸出Ym(t)代表系統希望的動態響應，即用理想（優化）模型的輸出來表示對系統性能的要求。由Ym(t)與被控對象的實際輸出Y(t)之間的誤差e(t)驅動自適應機構來調節控制器參數，使Y(t)接近Ym(t)[3-5]。

圖2 模型參考自適應控制原理

3.2 控制方法實現方案

3.2.1 參考模型的建立

變量泵，自動鉆進油缸以及負載所構成的系統是一個結構確定而參數變化且干擾劇烈的系統，系統主要控制參數為自動鉆進壓力p，以及泵控流量q。通過對變化參數(p,q)建立優化模型，即優化模型是一組，分別對應不同的模型，參數在每一段范圍內的變化，模型是確定的。

3.2.2 實現方案

由圖3分析可知，鉆機在鉆進工況作業過程中，其負荷多變，加上鉆機整機在存著慣性大、高非線性、滯后等不利因素，使得建立變量泵、控制閥、油缸以及負載之間的數學模型相當復雜。通過建立理想的參考模型，構建如圖3所示的自動鉆進控制系統，能夠在線實時的調整系統關鍵參數（p、q）使變量泵輸出功率與負載相匹配，達到自動鉆進作業工況的實現。

圖3 自動鉆進控制實現方案

如圖4所示，為其控制流程圖，設定當前地質層壓力值為目標壓力值P0,通過計算設定當前地質層壓力值P0與在外載荷作用下的實測壓力值Pa之差值。

圖4 自動鉆進控制流程圖

△P來判別自動鉆進工作狀態。根據不同的地質結構層，對鉆機自動鉆進工況設計了三種不同的工況，分別為重載荷、輕載荷以及怠載荷狀態。不同的載荷對應分別對應不同的△P范圍，進而對應不同的變量泵排量比βb。

4 結論

本文在分析了KTY5000動力頭鉆機的作業負荷特性的基礎上，結合動力頭鉆機進給液壓系統控制原理，提出以變量泵、控制閥、進給油缸以及負荷所組成的非線性控制系統作為研究對象，并給出了一種新的動力頭自動鉆進控制策略以及實現方法。

對此參考模型自適應自動鉆進控制系統需要通過仿真和實驗研究，確定系統的穩定性，找出其自適應自動鉆進的最優控制算法。

通過本文的初步探討，對理解和開發具有大扭矩、大直徑全斷面鉆巖成孔能力的全液壓工程鉆機液壓控制系統控制理論優化研究具有十分重要的意義。

［1］姚懷新.行走機械液壓傳動與控制[M].人民交通出版社，2002-01.

［2］劉特，等.基于AMEsim的鉆機進給液壓系統的仿真分析[J].中國科技論文在線，2009.

［3］Zhao Dingxuan,Shang Tao,Zhang Hongyan.Study on Planning and Testing for Fuzzy Saving Control of a Hydraulic Excavator[J].China Mechanical Engineering，2006,02（16）.

［4］姚懷新.工程車輛液壓動力學與控制原理[M].人民交通出版社，2006,10.

［5］國香恩.液壓挖掘機節能模糊控制系統研究[D].吉林大學，2005.