一种旋挖钻机回转液压系统节能及控制方法研究.pdf

E q u i p me n t Ma n a g e me 设 n t M 管 a i n 理 t e na ＆ nce 维 Te 修 c h n 技 o l o 术 g y f l M CM ＆ ■ ■ ■ ■ ■ ● _ ■ ■ ■ 一 种 旋 挖 钻 机 回 转 液 压 系 统 节 能 及 控 制 方 法 研 究 St ud y on Ene r g y Co ns e r va t i on a nd Co nt r o l M e t ho d f o r Ro t a t i ng Hy dr a u l i c S ys t e m o f Ro t a r y Dr i l l i ng Ri g 尚乃 童 SHANG Nai t ong 山 西 运 城 路 桥 有 限 责 任 公 司 ， 山 西 运 城 0 4 4 0 0 0 Yuncheng Road Br i dge Co．Lt d．of Shanxi Pr ovi nc e， Yuncheng 044000，Shanxi ，Chi na 【 摘要 】 根 据旋 挖 钻机 上 车 回转 部 分的 能耗 、 定位 精度 以及工 作 效率 等 三 方面 的要 求 ， 设 计 了 回转液 压 系统 和 控制 系统 流程 图 ， 为旋挖 钻 机产 品 设计 提供 理 论依 据 ， 对 降低 能 耗具 有 一定 的应 用价值 。 【 Ab s t r a c t】Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t o f e n e r g y c o n s u mp t i o n ， p o s i t io n i n g a c c u r a c y a n d wo r k e f f ic i e n c y o f t he r ot at i ng upper par t of a r o t a r y dr i l l i ng r i g， t he r ot at i ng hydr aul i c s yst em and t he f l ow char t of t h e c on t r ol sys t em w er e desi gned， w hi ch can pr ovi de t heor et i c al basi s f or design of r ot ar y dr i l l i ng r ig． The r esul t s hav e appl i c a t i on val ue i n r educi ng ener gy consum p t i on． 【 关键词 】 旋挖钻机； 回转系统； 节能； 控制 【 K e y wo r d s】 r o t a r y d r i l l i n g r i g ； r o t a t i n g h y d r a u l ic s y s t e m； e n e r g y c o n s e r v a t io n ； c e n t r e 中 图 分 类 号 U4 4 5 ． 3 1 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 2 0 9 -0 0 8 3 -0 3 0 引 言 旋 挖 钻 机 上 车 回 转 系 统 既 可 以 采 用 开 式 系 统 也 可 以 采 用 闭式 系 统 ． 目 前 通 常 采 用 阀 控 马达 的 开 式 系 统 ． 再 结 合 防 反 弹 阀 、 制 动 阀 等 元 件 ， 构 成 一 个 回 转 系 统 。 但 这 种 制动 设 计 将 产 生大 量 的 热 能 ， 会 导 致 油 温升 过 快 、 过 多 ， 对能 量 的节 约 、 系统 的效 率有 很 大 的不 利 影 响L ] - 2 3 。本 文 根据 旋挖 钻 机上 车 回转 系统 的工作 特 点对 回转 系统 的液 压 及 控 制 功 能 进 行 研 究 。 1 回 转 系 统 设 计 在 回转 系统 中 ，液 压 系统 需要 满 足在 三个 工 况 条件 下 的节 能和 最终 的定位 要 求 。而 目前 液压 系统 效 率 低 的 一 个 主 要原 因是 液压 系统输 出的流 量 、 压 力 与 负载 所 需 要 的 流 量 、 压 力 不 匹 配 至 少 不 总 是 相 匹 配 的 [3 3 。满 足 节 能 的 目 的 就 是 要 在 系 统 工 作 的 各 个 阶 段 充 分 实 现 流 量 、 压 力 的 匹 配 ， 因 此 从 泵 与 负 载 压 力 流 量 的 负 荷 传 感 控 制 、 蓄能 器 的 能量 吸 收与释 放 补油 及 电液 比例 主 动控 制 等 方 面 考 虑 回 转 系 统 新 的 设 计 思 路 。 1 ． 1 负 荷 传 感 控 制 负荷 传 感 系统 是 一个 具 有压 差反 馈 ．在 流量 指令 条 件 下 实 现 泵 对 负 载 压 力 随 动 控 制 的 闭 环 系 统 由 于 它 具 有节 能 、 效 率 高和 寿命 长 的 显著优 点 ， 在 现代 工程 机械 中 获 得 了 广 泛 的 应 用 。 系 统 按 控 制 类 型 可 分 为 泵 控 负 荷 传 感 系 统 和 阀 控 负 荷 传 感 系 统 按 反 馈 控 制 信 号 类 型 可 分 为液 压 、 机 械 负 荷传 感 系统 和 电液 负荷 传 感 系统 按 系统 的 主 控 制 阀 中 位 机 能 类 型 可 分 为 开 心 式 负 荷 传 感 系 统 和 闭 心 式 负 荷 传 感 系 统 ， 不 同 的 中 位 机 能 开 式 、 闭 式 导 致 相 应 的不 同形 式 的负荷 传 感 控 制 系统 [ 4 ] 。 负荷 传 感 能够 实 现 工 程 机 械 的 流 量 按 需 供 给 ， 无 多 余 流 量 ． 使 工 程 机 械 在按 需供 油 、节 能降 耗 以及 改善 操纵 性 等 方面取 得 显著 效 果 [ 采用 功率 匹配控 制 液压 系统 能 够有 效地 提 高液 压 系 RM CM 慧 钯 ⋯ 。。 统 效率 ， 节 省 能源 消耗 。功率 匹配 控制 液压 系统 的 实际 工 作 意 义在 于使 系统 的输 出功率 和 负载 功 率相 适应 ， 即 功 率 匹配 控 制 泵 的输 出 流量 适 应 于 负载 所 需 要 的流 量 ； 输 出 压 力 适 应 于 负 载 所 需 要 的压 力 或 比 负 载 压 力 稍 大 [6 ] 。 图 1 就 是 在 回 转 系 统 中 用 到 的 负荷 传 感 控 制 部 分 ， 由 负 荷 传 感 泵 、 比 例 电 磁 换 向 阀 及 反 馈 检 测 梭 阀 等 组 成 。 注 1 为油箱 2 为过滤器；3 为变量泵；4为电动机 ；5 为变量缸；6 、 2 6 、2 7 、3 0为溢 流阀 7、1 4 、 l 7 、1 9、2 2 为 电磁换 向阀8 、 1 5 、 l 6 、2 8、2 9为单 向阀9为冷 却器 1 0为比例 电磁换 向 阀1 1 为梭 阀；1 2 为负载敏感阀；1 3 为压力补偿阀 ；】 8 为蓄能器 i 2 O 为马达 ；21 为停车 制动器2 3 为压力传感器；2 4 为角速度传感器 ；2 5 为角位移传 感器 ；3 1 为节流 阀。 图l旋 挖 钻机 上 车 回转 液压 系统 原 理 1 ． 2 蓄 能 器 的 作 用 根 据 图 1 蓄 能 器 部 分 的 液 压 系 统 对 蓄 能 器 1 8 在 该 系 统 中 的 作 用 进 行 描 述 。 当 转 台 启 动 时 ， 蓄 能 器 与 油 泵 同 时 给 液压 马达供 油 ， 转 台获 得 较 大加 速 度 ， 减 少启 动 时 间 达 到 回转速度 时 ， 蓄 能器 中 的油 液 基 本放 完 ， 蓄 能器 供 油 回 路 切 断 fT J 当 液 压 马 达 吸 收 的 流 量 等 于 油 泵 输 出 的 流 量 时 ． 系 统 匀 速 回 转 。 制 动 时 ， 液 压 马 达 排 出 的 液 体 进 入 蓄 能 器 ， 使 回 油 腔 的 压 力 升 高 ， 形 成 制 动 力 矩 ， 从 而 实 现 转 台 的制动 和 能量 回 收。 由于旋 挖钻 机 是大 惯量 机械 ， 完 全 由背压 消耗 动 能而 进 行 制 动 E 8 3 ， 会 有 大 量 的能 量 转 换 为 热 能 ． 油 液 升 温较 高 ， 对 系 统 非 常有 害 ， 所 以采 用 蓄 能 器 吸收 一部 分 能量 既 有利 于 回转 系统 的运 行 ．又 能使 能 量 回 收 利 用 。 蓄 能器 的 工作 是 由左 右两 边 各一 个 电磁换 向阀 实现 油 路 的 通 断 。 启 动 时 假 定 顺 时 针 运 行 阀 1 7 3 - 开 ， 阀 1 9 关 闭 ； 当 马 达 达 到 稳 定 转 速 时 ， 阀 1 7 也 关 闭 ； 当 由 蓄 能 器 制 动 时 ， 阀 1 9 打 开 ， 阀 1 7 关 闭 。 如 此 循 环 。 1 ． 3 比 例 电 磁 阀 的 作 用 由 比例 电磁 阀 1 0的 开 口大 ／ J 、 控 制 马 达 转 速 ． 而 其 开 口大 ／ J ＼ 是 由单 片 机 控 制 的 输 出 电 流 信 号 来 决 定 的 。 不 同 的 负 载 、 不 同 的 角 度 、 不 同 的 时 刻 ． 对 比 例 电磁 阀 开 口 大 小都 有不 同 的要 求 。马达 的动 能 除 了被蓄 能器 吸收 一部 分 外 ， 另 一 部 分 则 损 耗 在 比 例 电 磁 阀 和 摩 擦 上 。 系 统 对 马 达 的 制 动 控 制 ， 比 例 电磁 阀 有 较 为 复 杂 的 动 作 要 求 。 当 马 达 转 到 一 定 角 度 时 ．单 片 机 程 序 控 制 比 例 电磁 阀 的 电磁 铁 ， 使 阀 芯 开 口缩 小 ， 直 到 完 全 关 闭 。 当 比 例 电 磁 阀完 全 关 闭 时 ， 马 达 转 速 已减 小 到 某 一 值 ， 并 已转 到 一 固定 角度 上 ， 余 下 的马达 动 能就 由蓄 能 器来 吸 收 。 这 些 动 作 都 由单 片机 控 制 电磁 铁 来 实现 ．要 设计 精确 单 片机 控 制 程 序 ． 以满 足 定 位 控 制 精 度 的 要 求 。 1 ． 4 其 他 元 件 的 应 用 设 置 停 车 制 动 缸 2 1 ， 即 在 马 达 停 下 来 后 ． 还 有 机 械 制 动 ， 保 证 了钻 桅 不 会 因 为 外 力 如 风 力 、 重 力 等 而 摆 动 。 梭 阀 1 1 的 作 用 是 使 马 达 既 能 顺 日 寸针 旋 转 ．又 能 逆 时 针 旋 转 。系统 中应 设 有两 个 对称 的单 向阀 ， 并 且连 接 到油 箱 ． 可 起 到 补 油 的 作 用 。 2 电 气 控 制 系 统 设 计 旋 挖 钻 机 的 控 制 属 于 工 业 自动 化 应 用 领 域 ． 它 要 求 采 用一 种 廉价 、 节 能 、 维 护 方便 、 适 用 于 大功 率 控 制 及 具 有 一 定 控 制 精 度 的 控 制 技 术 ，所 以 电 液 比例 控 制 是 较 好 的 选 择 。 它 能 够 接 受 模 拟 信 号 和 数 宇 信 号 ， 使 输 出 的 流 量 或 压 力 连 续 成 比 例 地 受 到 控 制 。 电 液 比 例 控 制 系 统 有 数 字 控 制 系 统 、 脉 宽 调 节 PWM 控 制 系 统 等 。 旋 挖 钻 机 钻 桅 的回 转角度 影 Ⅱ 向到所 钻孔 的质 量 ．对 于提 高作 业 效 率 有 着 很 重 要 的 意 义 ， 保 证 钻 桅 回 转 角 的位 置 精 度 是 控 制 系统应 完 成 的主 要任 务 。 旋 挖 钻机 的控 制 方 案 为 根 据 操 作 员 的指 令 ． 利 用 电液 比例 控 制 系统 控 制 液压 马达 运 动 ． 保 证旋 挖 钻机 钻桅 的回 转角度 在 要 求范 围 内 ，并尽 可 能 减 少 能量 的 消耗 。 2 ． 1 设 计 方 案 控 制 系统 方 案 如 图 2 所 示 。系 统 实 时 监 测 液 压 马达 角 速度 传 感器 信号 、比例 阀反 馈信 号 、钻 桅位 置 传 感器 信 号 ， 并 根 据 控 制 算 法 产 生 控 制 数 据 ， 控 制 数 据 经 过 转 换 产 生控 制量 P wM信 号 ， 再通 过驱 动 电路控 制 电液 比例 阀 ， 采 用 反 馈 控 制 技 术 实 现 对 液 压 马 达 的 精 确 控 制 ， 使 钻 桅 能够 精确 地 放置 到 所需 钻 孔 的位 置上 ，并 且 回收 部 分 制 动 能 量 。 在 控 制 方 案 中 ， 采 用 了3 个 传 感 器 来 采 集 信 号 并 图 2控 制 系 统 万 莱 送入 到 控 制器 中运 算 。这3 个 传 感器 中 ， 转 角 变送 器 起 到 了真 正 的反 馈 作 用 ． 并 有 P I D调 节 ； 而其 他 两 个 传 感器 只 起 到 运 算 和 逻 辑 判 断 的 作 用 。 2 ． 2 电 气 控 制 程 序 流 程 设 计 电 气 控 制 主 程 序 首 先 要 实 现 系 统 初 始 化 ，包 括 端 口 初 始 化 、 定 时 器 初 始 化 、 中 断 设 置 等 。 主 程 序 处 于 循 环 状 态 ．主 要完 成 参数 检 测和 向L C D 控 制 器 发送 显 示状 态 命 令 等 。 直 到 发 出 关 闭 指 令 为 止 。 图 3 为 电气 控 制 主 程 序 流 程 。 在 主 程 序 中 ， 包 含 有 中 断 控 制 、 手 动 控 制 、 自 动 控 制 、 开 始 初始化程序 是否 自动控制 1豇一 判断输入角度 是否 为正 t 调节 电磁铁 电 流 ，打 开 阀 1 7 查 一与 正 角 度 类 似 马达启动 阶段 莘 縻 是否达到角度1 否 I PI D 比例阀开 口减 小，马达减速 马达稳定运行阶段 l 婆 塑 兰 薏 曼 _ 『 戛 否 否 收 剩 余 马 达 动 能 l 兰 u一 二 二 关闭阀1 9 图3电气 控 制 主 程 序 流 程 调节电磁 铁电流 是否达 到转速2 否 PI D q u i pE q u i p me n t Ma n a g e me 设 n t M 管 a i n 理 t e na ＆ nce 维 Te 修 c h n 技 ol o 术 g y RM CM ■ 一 一 ■ ■ - ● ■ ■ P I D控 制 等 子 程 序 。 2 ． 2 ． 1 手 动 控 制 手 动 控 制 采 用 开 环 控 制 使 旋 挖 钻 机 回 转 马 达 在 操 纵 员 的控 制下 进行 回 转动 作 。 操作 员通 过控 制 手柄 ， 使手 柄 输 出 电流 信 号 ， 传 送 至 单 片 机 ； 单 片 机 处 理 信 号 后 传 送 至 比例 电磁 阀 ， 达 到 调 节 比 例 阀 阀 芯 开 口 的 目的 。 2 ． 2 ． 2自 动 控 制 当手 动操 作钻 桅 进 入 自动搜 寻 区域 时 ，操作 人 员 按 下 操纵 杆 上 的 自动搜 寻 按钮 后 ，单 片机 系统 便 会断 开 操 纵 杆指 令 ． 利 用 角位 置传 感 器 信号 控 制 马达运 动 ， 并 按 正 交 搜 索 策 略 搜 索 。 3 结 语 根 据旋 挖 钻机 上 车 回转部 分的能 耗 、定位 精 度 以及 工 作效 率等 要 求 ，设计 了旋 挖 钻机 上 车 回转 液压 系统 和 控 制 系统流 程 图 ，通过 对 所设 计 液压 系统 及 控制 流 程 的 分 析 ． 说 明 了该 设计 的合 理 性 。 本 文所 研 究 的 方法对 旋 挖 钻 机 作 业 过 程 中 降 低 能 耗 具 有 一 定 的 应 用 价 值 。 叁童窒 ； [ 1 ] 张鸿为． 挖掘机 闭式回转制动的研究[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 0 9 1 1 1 3 ． [ 2 ] 刘建开 ， 龚 高柏 ， 张洪祥旋挖钻机 液压节能新技 术[ J ] ． 筑路机 械 与 施 工 机 械 化 ， 2 01 1 ， 2 8 3 2 2 2 5 [ 3 ] 郑钧 宜 组合机床 液压 回转 工作 台P c控制 [ J ] ． 机 电产 品开发与 创 新 ， 2 0 0 1 4 4 8 - 4 9 ． [ 4 ]刘顺安 ， 王辉 ， 沙永柏． 挖 掘机 负荷传感泵控 系统的分析 [ J ] 农 业机械 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 8 1 1 1 1 1 4 ． [ 5 ] 陈欠根 ， 吴晓健 ， 施圣 贤 液 压挖掘 机全功 率匹配[ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 0 5 ， 7 3 2 8 2 9 ． [ 6 ]姜 继海． 功 率匹配控制泵的研究[ J ] ． 工程机械 ， 1 9 9 8 5 2 8 2 9 [ 7 ] 马宝玲 ， 赵存友 ， 臧建所． 一种节 能的蓄 能器回路补 充设计 L J ] ． 机 械 工程 师 ， 2 0 0 4 4 8 1 - 8 2 ． [ 8 ] 陈义庄 关 于液 压系统设计 中的节 能问题 [ J ] ． 株洲 工学院学报 ， 2 0 0 6． 2 0 4 5 3 -5 5 ． 收 稿 日期 2 01 1 1 2- 09 [ 责 任 编 辑 王 玉 玲 ]