多变量泵驱动液压系统比例与恒功率控制研究.pdf

。 1奠 5 I镪 髑婵 勇 毫ll l | ll _ 多变量泵驱动液压 系统比例与恒功率控制研 究 水 浙 江 工 业 大 学 教 育 科 学 与 技 术 学 院 邢 彤 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杨华勇 龚国芳 摘要 研究的盾构掘进机刀盘驱动液压系统是闭式油路容积调速液压系统， 系统由两个大排量的 H D控制型变量泵驱动 8个变量液压马达。液压系统中的泵和马达的控制是通过一个集成的电液控制 模块实现的， 模块中包括有比例溢流阀和功率限制阀， 实现了变量泵的比例控制和恒功率控制。分析了 这种多驱动泵液压系统的恒功率控制原理， 计算了功率限制阀的调节参数 ； 建立了液压系统的 A M E s i m 仿真模型， 仿真分析了液压系统的基本特性。仿真分析表明， 该控制系统能够满足设计要求。 ⋯一⋯‘0 00 0 0 帅 o ⋯⋯。0 0 ● o ●o ●0 ⋯⋯⋯0 0 ～⋯ ⋯⋯⋯0o ．0 关键词 盾构掘进机液压 系统 电液b B 例控 制恒功率控制 盾构掘进机是地面下 暗挖隧道的专用机械 ， 它 具有一个可以移动的钢结构外壳 护盾 ， 盾壳内装 有开挖、 排土、 拼装和推进等机械装置， 进行土层开 挖、 渣土排运、 衬砌拼装和盾构推进等系列操作 ， 使 隧道结构施工一次完成。 盾构的工况很复杂， 在不同 的地质条件下差异很大。刀盘是盾构挖掘土层的关 键部件， 盾构刀盘驱动具有功率大、 转矩变化大和转 速范围广等特点。 为此， 有必要研究大功率和变负载 工况下液压控制技术。 由于泵控马达调速 回路具有很高的效率和速度 刚度，采用多个大流量变量泵并联驱动多个高速小 转矩液压马达 ，再通过减速机和齿轮传动机构驱动 刀盘是目前较为先进的控制方式。其特点是系统组 成简单， 安全可靠， 负载变化对刀盘转速影响小。本 文研究 的系统采用 HD型液控 比例变量泵 ，通过 1 个控制模块进行集中控制，实现整个系统的比例控 制、 恒功率控制和不同工作模式下的安全压力控制。 通过这个控制模块实现多泵、 多马达 的同时调节 ， 实 现安全压力的同时设定， 因此使得结构简化 ， 系统的 可靠性高 。 1 液压系统工作原理 图 1 所示液压系统是应用在南京某地铁隧道施 工的盾构刀盘驱动液压系统 。 L 。 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 。 。 。 。 ． ． ． ． ． 。 。 ． ． ． ． ． 。 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ． 。 。 。 ． ． ， ． ． ． ． ， 。 。 。 。 ． 。 ． ． ． j 1 ． 变量马达组 2 ． 变量泵组 3 ． 补油泵 4 ． 蓄能器 5 、 6 ． 溢流阀 7 、 l 2 ． 换向阀 8 ． 先导液压泵 9 ． 液压控制模块 l 0 ． 调速阀 l 1 ． 减压阀 圈 1 某盾构刀盘驱动液压系统 基金项 目 国家杰出青年基金资助项 目 5 0 4 2 5 5 1 8 ； 国家重点基础研究规划“ 9 7 3 ” 项目 2 o 0 7 c B 7 l 4 o 0 4 。 -- 4 5 -- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工窟粕辫| 箩 誉黝够考 黪 整个液压系统 由 3个回路组成 ，包括主驱动回 路 、 补油 回路和液压控制回路 。 主驱动 回路是闭式回 路 ， 由两台比例变量泵 H D型， 最大排量 7 5 0 m lJ r 驱动 8台变量 马达 两点液控 型 ，最 大排量 5 0 0 m lJ r ， 高速挡排量 3 0 0 m L ／ r ．。液压控制模块 9 提供 控制油，实现主驱动泵排量的比例控制和恒功率控 制以及液压马达排量 的控制。调速阀 1 O和减压阀 1 1 调节进入马达的控制油流量和压力，换向阀 1 2 实现马达排量的两挡控制。蓄能器 4用于减少补油 油路的压力脉动 ，溢流阀 5设定了补油及主驱动泵 的换油压力。 液压控制模块 9 有 3 个功能， 第一， 通过比例溢 流阀调节主驱动泵的排量； 第二， 通过顺序阀和溢流 阀设定系统的最大工作压力； 第三， 通过功率限制阀 实现系统中两个变量泵 的恒功率控制 ，即在反馈系 统压力作用下 ， 调节主驱动泵的排量 ， 使刀盘转速降 低 ， 同时还能降低 系统压力 ， 减小刀盘承受 的转矩 。 模块中选用了R e x r 0 t h 公司的L V 0 6型功率限制阀， 如图 2所示 。 8 1 阶梯阀芯 2 阀口开度控制弹簧 3 组 合调节弹簧 4 左端盖 5 ． 螺母 6 中空螺母 7 调 节螺杆 8 垫片 图 2功 率 限 制 阀原 理 图 这个功率限制阀由 1 个直动溢流阀和阶梯阀芯 1 组成，阶梯阀芯两端分别是阀口开度控制弹簧 2 和组合调节弹簧 3 ，调节弹簧抵抗作用在阶梯阀芯 上的液压力。 控制 口 与主驱动泵的先导控制油 口 相联接 ， 高压 口 通过梭阀与主回路相联接。如果 系统压力超过功率限制阀的设定压力，阶梯阀芯向 右运动压缩调节弹簧，减小了阀口开度控制弹簧上 的压力 ， 阀口溢流 ， 减小控制压力 ， 使主驱动泵保持 恒功率输出。 图 1 中为使控制 回路的压力稳定 ，先导液压泵 8 ， 即控制油变量泵选用了恒压螺杆泵， 回路中采用 了调速阀和减压阀。 -- 4 6 -- 2 恒功率控制计算 2 ． 1 功率 限制 阀参数 设 定 系统主要设计技术参数如表 1 所示 。 表 1 液压 系统 主 要 设 计 参 数 k N H i 参 数 参数值 最大驱动转矩 4 3 7 7 最大脱困转矩 5 2 2 5 高速挡转矩 2 6 2 0 因为刀盘驱动工作转矩很大 ， 且空间位置有限 ， 因此采用高压系统 ， 初定系统工作压力 2 4 ． 5 MP a 。 最 大脱困转矩 5 2 2 5 k N IT I ， 最高工作压力 2 9 M P a 。高 速挡转矩 2 6 2 0 k N IT I ， 此时马达的排量 3 0 0 m l J r ， 系 统压力 2 4 ． 5 MP a 。 已知刀盘驱动的大齿圈减速 比为 5 ． 9 4 ，以最 大输出转矩要求确定减速器速 比 i j 5 1 ． 4 2 ， 额定输出 转矩 8 0 k N IT I ， 峰值输出转矩 1 2 0 k N IT I ， 选用 2台 功率为 3 1 5 k W 的电机， 转速 1 4 9 0 r ／ ra in 。额定工况 下驱动电机功率储备按 7 ％考虑，单泵的最大有效 输出功率为 Ⅳ p 1 - 7 ％ ‘ ‘ p a n * 93 ％ 31 50． 9 50． 9 50 ． 9 6 2 5 4 k W 式中 Ⅳ 广一 电机输出功率； { 轴器机械效率 ； 一 液压泵的机械效率 ； 一 液压泵的容积效率。 采用功率限制阀进行恒功率控制时，需要调定 恒功率的起始压力和恒功率结束压力。 2 ． 1 ． 1 确定恒功率的起始点 起始时 ， 按低压全流量考虑 ， 则泵的进 出口压差 为 1 4． 2MP 式 中 一 变量泵 的排量 ； _一 变量泵 的转速。 因为泵 的进 口压力设定为 p - 2 MP a 所 以泵 的出口压力为 p 。 1 4 ． 2 2 1 6 ． 2 MP a 则马达 的进 口压力为 p 1 6 ． 2 MP a 故功率限制 阀的起始压力调节为 p 1 1 6． 2 MPa 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 卷2 0 ∞年 6 月 工程机 械 2 ． 1 ． 2 确定恒功率结束点 最大驱动转矩 4 3 7 7 k N I n时 ， 系统工作压力为 2 4 ．5 M P a 。故设定功率限制阀的结束压力调节为 pro 2 2 5 MPa 2 ． 2恒功 率时 刀盘最 低 转速计 算 由于液压泵和液压马达的泄漏 ，计算刀盘转速 时需考虑液压泵和液压马达的容积效率。 最大转矩且变量泵恒功率时，液压泵的进出口 压差为p - p i 2 3 M P a ， 则单泵排量为 P - 4 2 7 mL ／ r2 3 1 0 1 4 9 0 。 △ p 脱 困时 ， 脱 困转矩 5 2 2 5 k N I n ， 系统工作压力 2 9 M P a ， 则单泵排量为 -3 6 3 ． 7 mL ／ r 2 7 1 0 1 4 9 0 。 △ p 动力系统的传动关系如图3 所示。 nD 刀盘 ▲ 液压马达 ． ～ 齿圈减速 减速器 ▲ i ． 液压泵l一 图 3 动 力 系统 的 传 动 关 系 低速挡时 ， 液压马达排量为 5 0 0 mL ／ r ， 刀盘最低 转速为 24 2 7 1 0。 6 1 49 00． 9 60 ． 96 85 00 1 0_ 6 51 ． 4 25． 9 4 0 ． 9 6 r ／ mi n 式 中 r ／ 液压马达的容积效率 ； 一 变量马达的排量。 高速挡时， 液压马达排量为 3 0 0 m L ／ r ， 刀盘最低 转速为 高 24 27 1 0_ 6 1 49 00． 9 60 ． 9 6 83 00 1 0 _ 6 51 ． 425 ．9 4 一 】 ． 6 r ／ mi n 脱 困时 ， 液压 马达排 量为 5 0 0 mL ／ r ， 刀盘最 低 转速 m 6 x m x x 0 c 鱼 Z Q 鱼 鱼 一 85 0 0 1 0_ 6 51 ． 4 25． 94 0 ． 8 2 dmi n 3 系统建模与仿真 3 ． 1 液压 系统 建模 采用 A M E S im软件对液压系统仿真是检验系统 性能的有效方法。 图4 所示为液压系统仿真模型。 液 压系统模 型中， 建立变量泵模型时， 将实际双 向变量 泵的外部和 内部泄漏通过 3个液阻模拟 ，模型中还 考虑 了变量泵 的补油 、 换油及安全回路。 液压马达组 及减速器子模型通过 A ME S i m的子模型库建立成为 1 个独立封装的子模型， 其具体结构见图 5 。负载模 型用转动惯量子模型和转矩子模型及分段输入信号 子模型搭建。 控制油 回路 中， 选用了恒压变量泵子模 型， 功率限制阀通过 H C D库元件搭建。 图 4液压系统仿真模型 ， 一 ⋯一 ～。 。’ ～ 一 ’ 图 5 马 达 组 及减 速器 仿真 模 型 - - - 4 7--- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 ． 2 液压 系统仿 真 液压系统的仿真参数设定 刀盘转动部件的转 动惯量 4 5 0 0 0 k g m ； 工作模式 液压马达调节到最 大排量 5 0 0 m L ／ r ， 刀盘转矩随机最大变化量 4 0 0 k N l n o 图6 为某软土工况时刀盘转矩的仿真信号与比 例溢流阀的调节信号。 电流／ I IIA 2 0 0 1 1 5 o l 0 0 5 o O 仿真时间／ 0 图 6 刀盘转矩和 比例溢流 阀调节信 号 控制压力、 单液压泵输出流量如图7 所示。0 ～ 7 s 时， 控制压力按比例溢流阀的控制信号成比例变 化， 7 s 后系统达到恒功率点， 功率限制阀开启 ， 控制 信号不再按调节信号成比例变化， 液压泵进入恒功 率状态 。 O 2 4 6 8 l O 仿真 时间／ s 图 7控 制 压 力 和 单 泵输 出流 量 单泵输出功率和刀盘转速如图 8 所示。 可见， 尽管比例调速时负载变化很大， 刀盘转速 却能按调节电流实现稳定调节，主要原因是系统采 用高速小转矩马达驱动方式且刀盘具有大贤量。但 是功率限制阀开启后， 由于负载有大幅度的波动， 控 制信号很难保持稳定， 因此， 刀盘转速有一定波动。 但由于液压马达有泄漏， 相当于旁路有油液溢流， 实 际的刀盘转速波动要小一些。 比例溢流阀和功率限制阀的流量特性见图 9 。 - - 48- - r ／ ra i n 功率／ k Y ／ 图 8单泵输 出功率和刀盘转速 仿真时间／ s 仿真时间／ s 图 9 例溢流阀和功率限制阀的流量 由图可见，比例溢流阀工作时的流量以及在恒功率 点时比例溢流阀与功率限制阀的流量变化情况。 图 1 0所示为控制回路 中是 否有调速阀时的控 制泵 8 输出流量仿真曲线 ， 可以看出， 带调速阀时泵 输出流量恒定， 而不带调速阀时， 控制泵输出流量较 大。因此， 带调速阀的控制回路功率小， 更节能。 ～ ～ 三 『 、 、 2 仿真时 间／ s 图 1 0 调速 阀对控制泵流量的影 响 4 结论 1 文中的 电液比例泵控马达调速系统 ，能够 实现盾构刀盘驱动的调速要求，在刀盘转矩变化较 黼 穹 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 向阀锈死， 还会导致管路发生破裂。 另一方面， 由于装载机的工况恶劣， 在工作中需 要进行频繁的制动， 会产生大量的热量， 使制动系统 的密封件失效。 而且钳盘制动器暴露在外面， 在一些 煤场、 采石场等粉尘污染严重的场所工作时， 粉尘进 人制动液中会导致活塞卡死 ， 造成制动失灵或抱死。 新一代的全液压制动系统有效地解决了这些问 题。系统取消了气路， 制动器是全封闭式的， 摩擦片 浸泡在齿轮油中， 散热效果较好， 制动液与液压系统 的液压油共用， 防止了外界粉尘的侵人， 从而避免了 制动系统因含水、 环境污染等原因造成的故障， 使制 动更为灵敏、 安全可靠。 全液压制动系统在国际上已 被普遍应用 ， 在国内的应用也越来越多。 该系统由两部分组成 1 行车制动系统用于经常性的一般行驶中 的速度控制及停车 ， 具有制动平稳、 响应时间短、 反 应灵敏、 操作轻便、 安全可靠和制动性能不受作业环 境影 响等特性 。 2 停车 ／ 紧急制动用于停车后的制动， 或 者在行车制动失效时的应急制动，用手动电磁阀控 制系统。 另外， 当系统发生故障使任何 1 个蓄能器的 压力低于 5 M P a 时， 能 自 动切断手动电磁阀的电源， 实施应急制动 ， 并使变速器挂空挡。 该系统是双回路全液压湿式制动系统，由制动 泵 与液压系统共用 、 双路充液阀、 蓄能器、 双路制 动阀、 制动阀块 、 压力开关及管路组成 。系统压力油 --- 4 9- -- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m