地下连续墙抓斗液压控制系统设计与分析.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 8 期 机床 与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 1 6 地下连续墙抓斗液压控制系统设计与分析 嘉红霞 ，李万莉 1 ．上海海事大学物流工程学院，上海 2 0 0 1 3 5 ； 2 ．同济大学机械工程学院，上海 2 0 0 0 9 2 摘要分析地下连续墙抓斗液控系统的4个组成部分，以液压抓斗左右纠偏 回路为例 ，利用功率键合图建立该液压系 统的状态方程 ，数值仿真的结果表明该系统具有 良好的动态性能。实践证明该连续墙抓斗控制系统完全符合实际应用需 求。 关键词地下连续墙抓斗；液压控制系统；仿真分析 中图分类号“1 T2 7 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 8 0 4 3 3 S t ud i e s a nd De s i g n o n Hy d r a ul i c Co nt r o l Sy s t e m o f Un de r g r o u nd Di a ph r a g m W a l l Gr a b J I A Ho n g x i a I 1 ．L I Wa n l i 1 ． S h a n g h a i M a r i t i m e U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 1 3 5 ，C h i n a ；2 ． T o n i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a Ab s t r a c t F o u r c o mp o n e n t s o f t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f u n d e r g r o u n d d i a p h r a g m w a l l gra b w e r e a n a l y z e d ． W i t h p o w e r b o n d gra p h p ri n c i p l e，t h e s t a t e e q u a t i o n s o f l e ft ri g h t c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c grab we r e e s t a b l i s h e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s e x c e l l e n t d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ． T h e a p p l i c a t i o n p r o v e s t h e c o n t r o l s y s t e m o f d i a p h r a g m wa l l grab me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f p r a c t i c al us i ng c omp l e t e l y． Ke y wo r d s Un d e r gro u n d d i a p h r a g m w all gra b； Hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m ； S i mu l a t i o n a n aly s i s 用 于地下连续墙施工工艺的机械设备较多 ，液压 抓斗因其施工效率高、成槽深度较深、地层适应性好 等特点而得到广泛的应用 。然而 目前国内使用的连 续墙抓斗尤其是大型抓斗大多都 是国外 产品 ，因此研 制 出具有 自主知识 产权的大型连续墙抓 斗 ，使其更加 符合国内连续墙施工要求 ，对于降低施工成本、提高 效益 具有重要 的现实意义 。 1 地下连续墙抓斗及其控制系统概况 作者所研 究 的 Z D 5 0 0型连 续墙 抓斗 是最 大提 升 量达 5 0 t 的大型抓斗 ，其基本技 术参数 如表 1 所示 。 表 1 Z D 5 0 0型大型连续墙抓斗整机基本技术参数 成槽宽度／ m m 成槽 长度／ n u n 成槽深度／ m 抓 斗容 量／ m 抓斗质量／ t 满载质量／ t 连续墙抓斗整机包括起 重机底盘及 液压抓斗 两大 部分 。其 中起 重机 底盘 上 的运 行机 构主 要有 行走 机 构 、履带拓展机构 、回转机构 、变幅机构及两套主卷 扬起升机构 I、1 1；液压抓斗部分则包括抓斗开合及 抓斗纠偏 系统 。 2 地下连续墙抓斗液压控 制系统设计 抓斗整机液压控制系统主要 由 4大部分组成 ，分 别是油箱、液压泵部分，先导阀块及先导手柄部分， 主控液压阀块部分和抓斗整机各执行机构液压缸或液 压马达控制回路部分。 由于篇幅的限制，下文中各 液压 系 统 图均 为 从 总 液 控 系统 图 中 截 取 的 部 分 回 路 。 2 ． 1 油箱、液压泵部分 该液控 系统 中共采用 了 2个主泵和 4个辅 泵 ，抓 斗液控系统液压泵部分如图 1 所示。 图 1 抓斗液控 系统液压泵部分 主泵 P 、P 。 为变量泵，系统中给定排量分别为 2 1 0 m L ／ m i n和 1 3 5 m l Mm i n ，两 主泵 出来 的液压油 经 合 流之后共 同为抓斗整机各主要执行机构 的液压缸或 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 0 7 基金项目国家科技支撑计划资助项目 2 0 0 6 B A J 1 2 B 0 1 作者简介 嘉红霞 1 9 7 3 一 ，女 ，讲师 ，在读 博士研究 生 ，主要研究方 向为 工程机 械的智 能控制 。电话 0 1 3 8 1 8 4 0 1 7 5 5 ， Em a i l j h x l 1 5 1 2 6 ． c o rn。 ， o 獬加 3 1 1 4 4- 机床与液压 第 3 8 卷 液压 马 达 控 制 回 路 提 供 压 力 油 。辅 泵 P 排 量 为 3 6 m L ／ m i n ，为 回转 马 达 提 供 压 力 油；P 4排 量 2 2 m L ／ m i n ，为液压抓斗 的油管卷 盘驱 动马达 提供动 力 ；P 排量 1 5 m L ／ m i n ，主要为主控液压阀组 中各液 压阀提供控制油，P 6 排量2 5 m E ／ ra i n ，其作用是为液 压抓斗 的电缆卷盘驱动马达提供 压力 油。 2 ． 2 先导阀块及先导手柄部分 先导 阀块 及先 导手 柄部 分 包括 主 卷扬 、副卷扬 即变幅机构 、回转、履带拓展 、抓斗开合等各子 系统的先 导电磁 阀组 以及 左 、右 手柄 和行 走手 柄 回 路 。其 中左手柄 主要 控制 主卷扬 Ⅱ和副卷扬 的上升 、 下降及 回转 动作 ；右 手柄 主要 控 制双 主卷扬 共 同动 作、主卷 I 单独当作 ，以及抓斗开合和履带拓展动 作。在先导 电磁 阀接通的情况下 ，拉 动先导手柄 ，液 压控 制油就 会经 由先 导 阀流入 各运 行机 构 主控液 压 阀 ，来控制液压 阀的通断 ，从而可将压力油导人抓斗 整机各运行机构液压缸或液压马达控制 回路 。图 2所 示为左 、右先导手柄 回路部分。 二 -i 主控液压 阀块部分主要采用液控 阀作为抓斗整机 各运行机构液压缸或液压马达压力油 的控制阀。当液 控 阀在其控制油路的作用下被接通 ，则 由两主泵来 的 压力油就会流经液控阀到达各机构液压缸或液压马达 控制 回路 ，为其 提供动力 。图 3 所示为液压抓斗的主 控液压阀 回路。 2 ． 4抓斗整机各执行机构液压缸或液压马达控制 回路 部 分 抓斗整机 主要执行机构除了 回转 机构之外 ，都是 由主泵提供压力油 。在主控液 压阀接通 的情况下 ，压 力油 经由主控 阀进入各机构液压缸或液压马达控制 回 路 ，驱动液压缸或马达运动。图 4所示为液压抓斗左 右方 向 即与连续 墙槽体 平 行方 向 纠偏 液压 缸 回 路部分结构 图。 接 先 导 电 磁 阀 1 3 图2 液控系统中左、右先导手柄回路部分 2 ． 3主控液 压 阀块部 分 Ib Y IJ I压 阀 一 广 ■ I 一 顺 序 阀 』 - I 一 l ‘ ． ， 1 l 1 ’ l 控 换 向 阀 ． f D 4 l 煎 1}， 书 l 1 _ - r二亡1 一 _L 一二二 j一 L 一 一一一一_ 接 抓斗 开合 及纠 偏 接抓 斗开 合及 纠偏 液压缸压力油油路 液压缸回油油路 图3 液压抓斗主控液压阀回路部分 图 4 液压抓斗左右纠偏液压缸回路部分 地下连续墙抓斗液压系统动态性能分析 在连续墙抓斗整机液控系统设计完成之后利用 自 动控制理论对其进行分析 ，可 以研 究其 动态性 能是否 符合控制系统稳 、准 、快的基本要求，并为控制系统 的优化提供依据 。由于该 系统控制 回路较 多 ，作者 以 上述液压抓斗左右纠偏液 压缸控制 回路部分为例 ，利 用功率键 合图的原理建立该控制 回路在进行 向右纠偏 状态时的状态方程 ，并进行数值仿 真。 3 ． 1 抓斗 左右 纠偏液 压缸控 制 回路 液压抓斗 主要 结构 是 由 内框 和外 框两 部 分组成 的 ，系统需要实现纠偏时 ，外框保持不动 ，而内框在 液压活塞的推动下相对外框偏转一定的角度。从图4 可以看出，左右纠偏液压缸控制系统中的4个油缸分 为两组 1 、1 和 2 、2 ，分别通过连杆机构与抓斗 内框 绞接在一起，其中油缸 1 、1 同时动作，油缸 2 、2 同 时动作 。当系统进行 右纠偏 时，三位四通 电磁 阀 5应 处于右位 ，二 位 电磁 阀 4处于左 位 ，压 力油 从油 缸 1 、1 无杆腔进入 ，1 、1 活塞伸 出 ，通 过连杆机 构带 动抓斗内框向右偏转，实现右纠偏。此时油缸 2 、2 无杆腔也与压力油相连接，但由于缸 2 、2 的活塞本 第 8期 嘉红霞 等 地下连续墙抓 斗液 压控 制系统设 计与分析 4 5 身就处于行程终止位置 ，因此不会发生动作。该控 制回路的状态方程为 志 一 P ’I 4 -- - 一 PI 4 g ‘ 2 o V 9 一 C zo f , R 2 2R2 3 1 ⋯ I ’／ 27 丽 1 V 2 7 1 。 V 38 V 2 7 。 一 一 一s e ” V 3 8- V 2 7 一 1 1 从上式 可 知 ，该 系统 的状 态变量 为 [ ， P 。 ， ， ， P r，其中P 。 和P 分别为液压缸 1 、1 活塞运 动部分的动量 ， 、 、 ， 、 分 别表 示因为油压变化需要补充 的液压油体积 。系统 的输人 为U 。 [ ， s e r，其中 表示该回路中给 定的恒定液压油流量 ， ， ， 分别表示油缸 1和 1 活塞带动的外负载 。若取液压缸 1 和 1 的进油腔压力 及 回油 腔 压 力 为 系 统 的 输 出，则 输 出 可 表 示 为 y T [ P 。 ， P ， P ， P r，其中各输出量与状态变量 之 间满足 以下关系 。 ／ c f P l 7 ／ C I P 2 9 7 ／ C 2 7 【 p 3 5 8 ／ C 3 8 式 中其他各参数均为 系统 中实 际液压元器件 的常 值系数 ，c表示液容、， 表示液感、 为液阻。 3 ． 2 数 值仿 真 根据系统实际元 器件的选型对 各常值 系数进 行取 值并代入式 1 中计算 ，然后利用 MA T L A B进行数 值仿真，得到该回路液压缸 1 和 1 有杆腔 回油腔 压力及无杆腔 进油腔 压力 曲线 ，如 图 5所示。 _ 1 皇 l R 幽 翻 忙 时间， s a 有杆 腔 16 ■ 窒 幽 翟 图 5 液压缸压力 响应 曲线 从油缸的压力 响应 曲线可以看 出 ，系统能较快地 达到稳定状 态 ，具有较好 的动态性能 。液压缸 的无杆 腔压 力大约 1 4 M P a ，与实际计算所需 工作压力 相当 。 进油腔压力 远大 于回油腔压力 ，也充分表现 了液压活 塞负重伸出的特性。 按照相 同方法对其他各 回路进行分析可 以知道连 续墙抓斗整机液压系统具有 良好的动态性能 ，完全符 合实际工作需求 。 4结论 地下 连续墙抓斗整 机的电液控制 系统直接影 响到 该机 的运行性能 以及连续墙 的成槽质量 。尤其是液压 抓 斗的纠偏控制 系统为 连续墙槽体 的垂直度提供 了有 力的保证 ，它可以根据安装在抓斗斗体上的双轴倾角 传感器不断监测连续墙槽体是否垂直 ，当槽体的倾斜 角度超出允许的范围，纠偏系统即可在纠偏程序的控 制下 自动进行纠偏，使槽体在以后的挖掘过程中慢慢 回复垂直状 态。实 践证 明作 者设 计 的 Z D 5 0 0型大 型 抓斗具 有较高的 自动化程度和较低的故障率 ，大大减 少了机器的故障停机时间，提高了工作效率。 参考文献 【 1 】 宋刚． Y Z D液压连续墙抓斗的研制与应用[ J ] ． 西部探 矿工程 ， 2 0 0 2 5 8 9 9 0 ． 【 2 】 柳玉珩， 宋刚， 史兵言， 等． Y Z D 3 0 0型液压薄壁地下连 续墙抓斗 的研 制 [ J ] ． 探矿 工程 岩 土钻 掘工 程 ， 2 0 0 1 1 2 8 2 9 ． 【 3 】赵明广， 方庆瑁． 液阻、 液容对开关阀流量特性影响的仿 真研究[ J ] ． 机械工程， 2 0 0 7 ， 3 8 3 4 1 4 4 ． 【 4 】德兰斯菲尔德 P ． 液压控制系统的设计与动态分析． 大 连工学院液压教研室译[ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 5 】王中双． 键合图理论及其在系统动力学中的应用[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学 出版社 ， 2 0 0 0 ．