堆取料機液壓系統(tǒng)上變排量容積控制方式的應(yīng)用

王永潤

（廣州市輕工高級技工學(xué)校，廣州 510000）

引言

堆取料機原液壓系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性等工作性能存在一定缺陷，為了滿足現(xiàn)代生產(chǎn)要求，需要對原系統(tǒng)進行全面改造。將變排量容積控制方式應(yīng)用在堆取料機液壓系統(tǒng)上，能夠顯著提升其節(jié)能環(huán)保性能、運行性能和控制特性，再通過優(yōu)化設(shè)計和仿真實驗，證明了這一設(shè)計能夠全面提升堆取料機液壓系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及可控性。

1 懸臂回轉(zhuǎn)和斗輪旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動

1.1 懸臂和斗輪工作特點

在堆取料機實際工作運行過程中，主要通過斗輪旋轉(zhuǎn)和懸臂回轉(zhuǎn)實現(xiàn)取料作業(yè)。斗輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是恒定的，而取料流量直接取決于懸臂實際回轉(zhuǎn)速度。通常情況下，為了保障取料作業(yè)的安全性和生產(chǎn)效率，需要保證取料流量維持在恒定狀態(tài)。但是，實際作業(yè)中堆料形狀不一，斗輪實際切入點不確定，且需防止悶斗、過載等情況發(fā)生，需要頻繁調(diào)整懸臂實際回轉(zhuǎn)速度，還要對斗輪驅(qū)動進行嚴(yán)格要求，以免發(fā)生悶斗或者過載問題。在多臺取料機處于同時作業(yè)情況下，懸臂必須具備良好的剎車功能以防止發(fā)生碰撞。而液壓馬達作為斗輪和懸臂的執(zhí)行元件，對其控制需要具備良好的低速平穩(wěn)性。操作手柄具有良好的可控性，限制斗輪的實際扭矩，保障懸臂回轉(zhuǎn)相應(yīng)速度具有靈活可調(diào)性。此外，懸臂回轉(zhuǎn)的剎車也要具有良好的控制性能。

1.2 原系統(tǒng)存在的問題

斗輪懸臂式堆取料機是散料堆取和輸送的重要設(shè)備。實際應(yīng)用中，通常是多臺設(shè)備共同作業(yè)，且物料品種和物料量通常較大，不同物料之間粒度具有較大差異性。因此，驅(qū)動裝置相應(yīng)負荷也會在作業(yè)中發(fā)生較大變化，這要求液壓元件具有非常高的耐沖擊性能。堆取料機原來的液壓系統(tǒng)設(shè)計上缺乏足夠的合理性，變量方式較為老舊，結(jié)構(gòu)基本上都是早期研發(fā)元件，具有陳舊性，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，性能參數(shù)和可靠性較低，備件的組織也具有較大難度。相應(yīng)設(shè)備在實際作業(yè)中故障率非常高，需要花費大量精力對其進行維護。多臺設(shè)備同時作業(yè)期間，經(jīng)常出現(xiàn)控制系統(tǒng)失靈、轉(zhuǎn)臂和斗輪速度不穩(wěn)、啟動轉(zhuǎn)速慢或者由于轉(zhuǎn)矩過小發(fā)生悶斗等情況。基于此，有必要對原來的液壓系統(tǒng)實現(xiàn)改造，以提升系統(tǒng)可控性、穩(wěn)定性以及可靠性。

2 變排量容積控制液壓系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

基于合理性設(shè)計和節(jié)能設(shè)計，閉式回路的變排量容積控制液壓系統(tǒng)是新系統(tǒng)設(shè)計的首選。為了達到驅(qū)動特性要求，系統(tǒng)應(yīng)選擇變量泵-定量馬達方案，也就是在壓力的最大給定條件下，確保馬達駁斥恒定扭矩輸出，且和轉(zhuǎn)速不發(fā)生聯(lián)系。馬達的實際轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速取決于變量泵，馬達自身最大轉(zhuǎn)速取決于泵的實際排量。同時，要確保雙向變量泵組成的相應(yīng)閉式回路包括的功能有：能夠伺服變量油源，并能夠?qū)σ簤罕闷鋯蜗蚧蛘唠p向變量實現(xiàn)控制，能夠全面對液壓馬達轉(zhuǎn)向要求和變速要求實現(xiàn)控制和滿足；為了保障吸油壓力保持穩(wěn)定，需要其具備向二邊管道補油的功能；需要具備壓力補償功能和雙向高壓超載溢流保護功能，以免出現(xiàn)閉路回路過載或者高載；設(shè)置油冷卻循環(huán)閥和相應(yīng)的背壓閥，以保持閉式回路可以長期穩(wěn)定運行；要設(shè)置穩(wěn)定并盡量小的相應(yīng)零位死區(qū)，確保油泵在零位的時候保持流量的最小輸出，確保液壓馬達處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，并同時最大程度地縮小液壓泵損失功率[1]。基于此，設(shè)計的堆取料機懸臂和斗輪的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 堆取料機懸臂和斗輪液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的堆取料機相應(yīng)輸送能力為5000t/h，斗輪轉(zhuǎn)速為10r/min，最大扭矩為7.45N·m，懸臂角速度范圍為0～0.00425rad/s，最大扭矩為3346kN·m，液壓馬達相應(yīng)排量為Vm=300mL/r。

結(jié)合設(shè)計中選擇泵組的實際要求，將系統(tǒng)的補油壓力設(shè)置為2.8MPa。基于此，液壓馬達達到最大驅(qū)動扭矩時，系統(tǒng)的壓力為：

結(jié)合泵的最大輸出流量、斗輪回路以及懸臂回路需求，選擇德國生產(chǎn)的電液比例伺服控制雙向變量柱塞泵[2]。

在低壓全流量的時候，在斗輪回路恒功率控制參數(shù)和恒功率起始點當(dāng)中，泵進出口實際壓差為9.64MPa，恒功率的終止點相應(yīng)泵壓差是10.47MPa，此時泵排量是258mL/r。

雖然閉式液壓系統(tǒng)回路具有非常高的工作效率，且噪聲相對較低，但是依舊需要對其散熱問題加以解決。結(jié)合系統(tǒng)發(fā)熱功率，系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中利用更油和補油回路來交換系統(tǒng)當(dāng)中的熱油，并利用風(fēng)冷卻器20來冷卻油箱中的油液。

3 性能與特點

3.1 動力穩(wěn)定性

新設(shè)計的系統(tǒng)主要借助壓力補償裝置保護超載，也就是通過壓力補償閥促使泵排量盡量減少，并以此實現(xiàn)對系統(tǒng)的限壓保護，以防止高壓溢流出現(xiàn)，有效降低系統(tǒng)發(fā)熱。這樣的設(shè)計使系統(tǒng)即便處于惡劣工況條件下，也能保持長期且穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，滿足了設(shè)備在取料過程中負荷發(fā)生較大變化的實際工況需求。

3.2 速度平穩(wěn)性

懸臂運動中，在速度保持持續(xù)變化的時候，基于可控性要求，需要其具有制動性能和加速性能。開式系統(tǒng)中，平衡閥對回油側(cè)相應(yīng)高壓容腔實現(xiàn)鎖定。因為容腔相對較小，此時可以輕易建立壓力，油箱和馬達的吸油油路保持相互連通，同時配置了補油系統(tǒng)，所以不會有強烈的吸空現(xiàn)象和壓力振蕩發(fā)生[3]。但是，在閉式回路中，馬達至泵之間相應(yīng)管道包含在高壓側(cè)容腔內(nèi)。由于壓力而出現(xiàn)的容積具有較大變化，此時馬達會存在出現(xiàn)短時失速的可能性，進而導(dǎo)致出現(xiàn)強烈的吸空現(xiàn)象和壓力振蕩。

在新設(shè)計的系統(tǒng)當(dāng)中，因為主泵相應(yīng)伺服變量執(zhí)行器屬于葉片腔組成的較為特殊的伺服變量機構(gòu)，控制功能具有高度可靠性，能夠瞬時快速地輸入指令。此外，控制閥流出的多余流量會直接流入補油通道中，使泵處于控制狀態(tài)時避免發(fā)生補油瞬時失壓問題。同時，在高壓和低轉(zhuǎn)速時，因為馬達殼體其泄油口和泵處于連接狀態(tài)，所以只要沒有充足的補油流量，殼體實際泄漏直接當(dāng)做補油來使用。上述內(nèi)容將有效保障系統(tǒng)具有速度平穩(wěn)性。

3.3 比例變量控制技術(shù)

在堆取料機液壓系統(tǒng)中，利用比例變量控制技術(shù)能夠有效借助其強大的抗干擾性和高精度控制能力，具有受控方式較為靈活且重復(fù)性較好的特點，全面消除轉(zhuǎn)臂速度存在的不穩(wěn)定操控，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臂速度的無級控制。

4 仿真分析

在閉式液壓系統(tǒng)設(shè)計中，為了全面保障系統(tǒng)在實際工作中具有高度安全性和穩(wěn)定性，且具備良好的微動性能、可快速反應(yīng)等特點，不僅需要進行靜態(tài)特性設(shè)計，還需要綜合考慮控制方法和動態(tài)特性。在實際控制速度過程中，懸臂回路常會出現(xiàn)速度不穩(wěn)和啟動滯后的問題，因此系統(tǒng)在速度的穩(wěn)定性方面還有待加強。基于此，通過計算機仿真工具科學(xué)分析懸臂回路實際速度控制，并通過優(yōu)化方法再次對液壓系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，改善系統(tǒng)各種動態(tài)響應(yīng)曲線和動態(tài)參數(shù)，促使系統(tǒng)更具合理性。借助建模假設(shè)和數(shù)學(xué)模型相關(guān)結(jié)果，利用Matlab/Simulink仿真軟件，最終建立系統(tǒng)仿真模型[4]。將控制電流設(shè)置為325mA和250mA，獲得懸臂轉(zhuǎn)速實際動態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 懸臂轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線

分析結(jié)果表明，兩者相應(yīng)時間都保持小于10ms，且系統(tǒng)能夠在100ms內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行，證明該系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性；系統(tǒng)超調(diào)量保持在30%～35%內(nèi)，屬于偏大。在對控制電流進行大小改變時，系統(tǒng)輸出相應(yīng)穩(wěn)態(tài)值出現(xiàn)較大變化，系統(tǒng)動態(tài)性能相關(guān)指標(biāo)沒有發(fā)生較大變化，則證明設(shè)計的系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性都表現(xiàn)較好。

5 結(jié) 語

隨著堆取料機相關(guān)應(yīng)用行業(yè)近年來的迅速發(fā)展，現(xiàn)代生產(chǎn)節(jié)奏和技術(shù)不斷提高，對堆取料機的自動化作業(yè)和可靠性、可控性提出了更高要求。堆取料機原來的液壓系統(tǒng)具有一定的不合理性，基于此，將變排量容積控制方式應(yīng)用在堆取料機液壓系統(tǒng)中，有效提升了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可控性以及可靠性。

[1] 于勝闖，吳春生.懸臂式斗輪堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)故障分析[J].工程技術(shù)，2016，（7）：278.

[2] 劉偉江.堆取料機俯仰液壓系統(tǒng)油溫過高原因及解決措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，（10）：120.

[3] 牛春寶.基于電氣自動化控制技術(shù)的港口堆取料機關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息系統(tǒng)工程，2016，（11）：91.

[4] 韓孝光，韓春艷.門式斗輪堆取料機起升機構(gòu)液壓系統(tǒng)節(jié)能探討[J].內(nèi)燃機與配件，2017，（8）：68-69.