变排量容积控制方式在堆取料机液压系统上的应用研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 4 ．2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 5 变排量容积控制方式在堆取料机 液压系统上的应用研究 沙 莎， 钱伟春 上海 中冶技术工程有限公司 ， 上海2 0 0 2 3 3 摘 要 根据用户的要求， 开发了变排量容积控制方式的液压系统替代铁矿石堆取料机原来的系统。十余年来， 在国内著名钢厂已先 后改造了6台， 在运行性能、 控制特性和节能环保诸方面不断改进并取得了显著的成效。进一步的仿真研究表明 新系统的动态特性 满足运行的可靠性 、 可控性和稳定性要求。 关键词 堆取料机； 变排量容积控制 ； 闭式回路 ； 变量柱塞泵 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 1 5 0 5 Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o n Re c l a i me r Hyd r a u l i c Sy s t e m wi t h t h e a b l e Di s pl a c e me n t Vo l u me Co n t r o l Mo d e S H A S h a ， Q I A N W e i - c h u n S h a n g h a i C MI T e c h n i c a l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ， C h i n a Abs 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 s， a h y d r a u l i c s y s t e m wi th t h e v a r i a b l e d i s p l a c e me n t v o l u me c o n t r o l mo d e wa s d e v e l o p e d t o r e p l a c e the o rig i n a l i r o n o r e s t a c k e r r e c l a i me r s y s t e m ． M o r e t ha n t e n y e a r s ， s i x s e t s o f e q u i p me n t h a v e b e e n r e f o r me d i n f a mo u s d o me s t i c s t e e l mi l l s ． I t h a s b e e n c o n t i n u o u s i mp r o v e me n t i n t e rm s o f o p e r a t i n g p e rfo rm a n c e ， c o n t r o l f e a t u r e s an d e n e r g y s a v i n g e t c an d o b tai n e d r e mark a b l e a c h i e v e me n t ．F u r t h e r s i mu l a t i o n s t u d i e s s h o w, the v a r i a b l e d i s p l a c e me n t v o l um e c o n t r o l mo d e and v a r i a b l e s p e e d c o n tr o l mo d e wh i c h wa s c u r r e n t l y p o p u l ar h a v e t h e i r p r o s a n d c o n s ． F u r t h e r s i mu l a t i o n s t u d i e s s h o w d y n a m i c c h ara c t e ris t i c s o f the n e w s y s t e m me e t o p e r a t i o n a l r e q u i r e me n t s t o the r e l i a b i l i t y , c o n tro l l a b i l i ty an d s tab i l i ty． Ke y wo r d s r e c l a i me r ； v a ria b l e d i s p l a c e me n t v o l um e c o n tro l ； c l o s e d l o o p； c o n s t ant p r e s s u r e v a ria b l e o u t p u t p l u n g e r p u mp 0 引言 堆取料机作为一种连续、 高效的散状物料装卸输 送机械 ， 已经被广泛地应用到港 口、 电厂 、 钢厂 、 矿 山等 行业中。装在悬臂桥架顶端的斗轮通过 自 身的旋转从 而完成物料取或堆。要连续不断地取或堆完料堆， 理 论上斗轮的轨迹必须能到达料场空间的任意点， 而这 是 通过悬臂桥架的俯仰 、 旋转 和堆取料机整机沿料场 轨道 的运行来实现的n 。 在用液压方式驱 动的堆 取料机上 ， 斗轮的旋转和 悬臂桥架 的水平 回转都是由油马达来驱动的。近年 来 ， 以提高自动化水平、 降低人工成本为 目的的堆取料 自动化的兴起 ， 对堆取料机的运动控制提出了新要求 ， 反映在液压系统上， 即是对可控性、 可靠性提出了更高 的要求 。 收稿 日期 2 0 1 4 ～ 0 9 1 2 作者简介 沙莎 1 9 8 5 一 ， 女， 上海人 ， 工程师， 学士 ， 研究方向为流体传动 与控 制。 1 悬臂回转和斗轮旋转的液压驱动 1 ． 1斗轮和悬臂的工作特点 堆取料机利用悬臂 回转 、 斗轮旋转进行取料作 业 。一般斗轮 以恒定的转 速旋转 ， 而悬臂的 回转速度 则决定了取料流量。为了取料作业的生产效率和安 全 ， 一般要求维持恒定的取料流量， 由于料堆的形状、 斗轮切入点 的不同、 过载和闷斗的防止等等 因素 ， 悬臂 的回转速度被要求频繁地调整。而对于斗轮的驱动要 求， 则主要考虑避免过载和闷斗。此外， 通常多台取料 机同时工作的情况下， 为防止碰撞 ， 悬臂的紧急刹车功 能也是必须 的。因此 ， 对于作为悬臂和斗轮的执行元 件的液压马达的控制要求应是 ①悬臂回转速度要灵 活可调 ； ②斗轮须扭矩限制； ③悬臂回转刹车控制； ④ 低速平稳性要好 避免爬行 ； ⑤操作手柄可控性好。 1 ． 2 原系统的不足 某钢厂原料堆场应用6 台斗轮悬臂式堆取料机作 为矿石原料输送、 堆取的主要设备。由于矿石料场的 物料品种多， 比重差别大 ， 粒度差别也大 ， 所以驱动装 置的负荷变化大 ， 对液压元件耐冲击性能要求高。原 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 0 4期 堆取料机上悬臂 回转和斗轮旋转的液压系统设计不尽 合理 ， 变量方式均显陈旧老化 ， 特别是系统核心元件旋 回液压泵和斗轮液压泵均为英 国早期 L U C A S 公 司斜盘 泵 ， 结构 陈 旧复杂 ， 性 能参数低 ， 可靠性 差 ， 属淘 汰产 品， 备件组织困难。实际使用过程中， 故障和维护工作 量都较高 ， 经常发 生斗轮和转臂速度不稳定 、 启动转速 过慢 、 工作 中因转矩小而闷斗 、 控制系统失灵等。据统 计 ， 每台矿石取料机的故障次数平均为7 6 次／ 年， 平均 故 障时间为 3 9 5 ． 2 h 。据此 ， 用户要求对原液压 系统进 行改造。以提高系统的稳定性、 可靠性和可控性。 2 变排量容积控制液压系统 2 ． 1 系统原理 从节能和系统的合理性 出发 ， 新 的系统首先考虑 是 闭式 回路的变排量容积控制液压系统 。为满足前述 的驱动 特性 ， 合适 的选择应是 变量泵 一 定 量马达方案 ， 即在给定最大压力下 ， 马达输 出的扭矩恒定 ， 与转速无 关 。马达的转速和转向由变量泵决定。泵 的排量决定 马达的最大转速 。而作为双 向变量泵组成的闭式回路 应至少包括以下功能 ①具有伺服变量油源， 能控制液 压泵的双向 单向 变量， 以满足能控制液压马达变速 及换向的要求； ②由于泵及马达的内泄漏， 必须有向二 1 6 边管道补油 的功能 ， 以维持吸油压力稳定 ， 不致 因吸空 而导致泵 的配油盘 由于气蚀而过早磨损 ； ③ 为防止闭 式回路高载、 过载 ， 必须设有双向高压超载溢流保护或 压力补偿功能 ； ④为使闭式回路能长期连续稳定地运 转 ， 必须设有油冷却循环 阀及其背压 阀， 既保证适 当的 热交换控制油温 ， 又能保证泵吸 口管道有正常 的供油 压力， 不致吸空 ； ⑤要有小而稳定的零位死区， 使油泵 在零位有最小的流量输出而不致于使液压马达转动 ， 既保证液压马达停转 ， 又使液压泵损失功率为最小。 据此确定 的堆取料机悬臂和斗轮的液压系统原理 图见 图 1 。 系统选 用主泵 为双 向变量 柱塞泵 的集成泵 组 1 、 1 1 ， 分别与悬臂液压马达 9和斗轮液压 马达 1 9 组成两 个闭式 回路 。组成集成泵组 的共有 四大部分 主泵 1 A、 1 1 A即双 向变量柱塞泵 ， 1 B 、 1 1 B是与主泵 同轴 的辅助 泵 ， 自“ c ” 口吸油 ， 出“ G” 口由外接滤油器过滤后经“ H” 口回系统 ， 其功能一是为闭式回路提供补油 ， 以维持系 统 的吸油压力稳定 ， 避免吸空而导致 泵的配 油盘 由于 气蚀而过早磨损 ； 二是在主泵启 动时提供 变量 机构的 伺服压力。 ， 1 c 、 1 1 c为斜盘变量伺服系统， l D、 l l D为 控制阀块 见 图2 。梭 阀5 、 1 5 和溢流 阀6 、 1 6 分别构成 牛轮驱动液压马达 卜集成泵组2 - 电机3 一 蓄能器4 一 过滤器5 一 梭阀6 一 补油溢流阀7 - J k N 8 - 针阀9 一 液压马达2 0 一 冷却装置 图 1堆取料机悬臂和斗轮液压系统原理图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a t s ／ No ．0 4 ． 2 0 1 5 两组更油阀组 ， 确保 向主油路低压侧补油 ， 以补偿 由于 泵、 马达容积损失所泄漏的流量， 并保证低压管道有一 个恒定的压力值 ， 以防止出现气穴现象和空气渗人系 统 ， 同时也 能帮助系统散热 。蓄能器 3 、 1 3 设置在泵 的 补油路上 ， 用来吸收补油回路的压力脉动 。 V K Ka | 卜伺 服溢流阀2 一 补油溢流 阀3 一 高压顺序 阀 4 一 双级溢流 阀 5 一 高压先导控 制阀 图 2 9 A控制阀块 2 ． 2 系统设计 堆取料机 的输送能力 为 5 0 0 0 t ／ h 。斗轮转 速为 1 0 r ／ mi n ， 最大扭矩 为 7 ．4 5 N m； 悬臂 角速度范 围为 0 0 ． 0 0 4 2 5 r a d ／ s ， 最 大扭矩为 3 3 4 6 k N m， 液压 马达排量 V m 3 0 0 mL／ r 。 1 最大流量和系统压力 根 据所 选 集成 泵 组 的要 求 ， 系统 补 油压 力定 为 2． 8 MPa。 液压马达最大驱动扭矩时的系统压力 卸 孚 式 中 液压马达输出扭矩 N m ； i 传 动 比 ； △ p 液压马达供 、 回油侧压差 MP a ； 液压马达排量 m L ／ r 。 有悬臂 回路压力 P 1 p A p 2 ．8 1 O ． 3 9 1 3 ． 1 9 MP a 斗轮 回路压力 p2p △p2 2 ． 81 0． 4 7 1 3． 27 MPa 马达排量为 。 3 0 0 mL ／ r V 6 O O m Ur 泵最大输 出流量 0 7 7 n 式中 叼 。 泵容积效率； n 马达转速 r ／ mi n 。 有悬臂 回路 I ， Q V m l9 5 mi n 斗轮回路 -- V m 2 5 98 L ／ mi n 据此 ， 选用德国某公司电液比例伺服控制双向变 量柱塞泵 见表 1 表 1技术参数 排量 m L ， r 悬臂 回路9 8 斗轮 回路4 0 3 最高压力 MP a 3 4 ． 5 3 4 ． 5 电机功率 k W 2 2 1 1 0 转速 r ／ mi n 9 7 0 1 4 85 2 斗轮回路恒功率控制参数 恒功率起始点 低压全流量时的泵进出口压差 恒功率运行时功 率裕量为8 ％ -- 9． 6 4MPa 4 03X 1 0 1 4 8 5X0． 9 6 恒功率终止点 最大驱动扭矩 7 ． 4 5 k N m时 ， 工作压力 l 3 ． 2 7 MP a ， 此时泵的压差为 1 0 ． 4 7 MP a ， 则泵排量为 ” N p2 92 ． 3 6 0 -2 5 8 mL ／V p 2 r p 2* ri p 2 “n p v 1 5． 2x 1 4 8 5x0 ．9 5 3 闭式 回路换油与冷却 闭式液压系统回路效率高， 噪声低 ， 但必须解决系 统的散热问题。若液压系统总效率按v 1 7 0 ％计 ， 发热 功率 满 功率工况 N l 1 8 ． 8 X 3 0 ％ 3 5 ． 6 4 k W。因此 ， 本系统通过补、 更油回路对系统中热油进行交换 ， 通过 风冷却器2 0 对油箱中的油液进行冷却。 2 ． 3性能和特点 1 速度平稳性 悬臂运动速度持续变化的可控性要求， 一是加速 性能， 即要拥有足够大的加速度， 即有很好的启动特性； 二是制动性能。即泵在第二或第 四象限驱动 的问题 ， 其 特点是供油侧为低压， 回油侧为高压。在开式系统中， 回油侧高压容腔由平衡阀锁定， 容腔小， 压力容易建立， 且此时马达吸油油路与油箱相通并配有补油系统， 因此 不会产生强烈的压力振荡和吸空现象。但在闭式回路 中， 高压侧容腔包含从马达一直到泵之间的管道， 压力 建立所产生的容积变化大， 马达有可能产生短时失速现 象， 从而引起强烈的压力振荡和吸空现象。 新系统具有以下特点来满足速度平稳性的要求 一 是主泵的伺服变量执行器是一套由叶片腔构成的特 殊伺服变量机构， 具有十分稳定可靠的控制功能， 其对 系统压力变化的补偿使得变量控制对输入指令的响应 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 4 ． 2 0 1 5 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 6 基于AME S i m的风力发电机液压偏航驱动系统的研究 闫利文 ， 艾存金 ， 王福山 ， 谢 辉 1 ． 天津职业技术师范大学 机械工程学院， 天津 3 0 0 2 2 2 ；2 ． 天津市精研工程机械传动有限公司， 天津 3 0 0 4 0 9 摘要 采用液压马达驱动风力发电机偏航代替电机驱动， 并据此设计了液压偏航驱动系统。通过理论分析确定了阀控马达系统的 基本方程 ， 建立了其 A ME S i m模型， 并对模型进行 了仿真， 研究了液压驱动马达的启停特性与负载扭矩和转动惯量的关系。 关键词 风力发电机 ； 液压偏航 ； A ME S i m 中图分类号． T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 1 9 0 3 Re s e a r c h o n、 v i n d T Ⅲ．b i n e Hy d r a u l i c Ya w Dr i v e S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m Y A NL i w e l l ， A 1 C u n -j i n ， W A NGF u s h a h 2 , XI EHu i 2 1． T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ， C h i n a ； 2 ． T i a n j i n J i n g Y a n C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y T r a n s mi s s i o n C o ． ， L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t wi n d t u r b i n e y a w wa s d r i v e d b y a h y d r a u l i c m o t o r i n s t e a d o f mo t o r , W e d e s i g n e d t h e h y d r a u l i c y a w d r i v e s y s t e m． T h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s e s t a b l i s h e d the b a s i c e q u a t i o n o f v a l v e c o n t r o l l e d mo t o r s y s t e m and AMES i m mo d e l ， d i d the s i mu l a t i o n o f t h e mo d e l ， s t u d i e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s t a r t and s t o p c h a r a c t e r i s t i c a n d t h e l o a d t o r q u e and i n e r t i a o f the h y dra u l i c d r i v e mo t o r ． Ke y wo r ds wi n d t u r b i n e ； h y d r a u l i c y a w； AM ES i m 0 引言 大型风力发电机在正常运行时需要偏航 ， 即根据控 制信息随时调整风轮与风向的夹角。传统的偏航系统 通过电动机驱动机舱进行偏航 ， 液压偏航驱动系统采用 液压马达代替电动机 ， 解决了频繁偏航导致的电动机损 耗过大 ， 平稳性差等问题。并通过理论研究和 A ME S i m 建模对液压偏航驱动系统的相关特l 生 进行了研究 。 基金 项 目 天津市科技计划 支撑 项 目 1 2 Z C Z D GX 0 4 1 0 0 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 1 2 作者简介 闫利文 1 9 6 7 一 ， 男， 内蒙古凉城人 ， 教授 ， 工学博士 ， 研究方 向为机 电液一体化 。 分析结果可知， 响应时间都在 1 0 m s 以内， 在 l O O m s 以内系统就能够稳定 ， 表明系统 的稳定性 尚可 ； 超调量 在 3 0 ％ ～3 5 ％之间 ， 偏大。当改变控制电流的大小 时 ， 除了系统输 出的稳 态值发生较大的变化外 ， 动态性能 指标变化不大 ， 表明系统 的稳定性和重复性较好 。 4 结论 新系统的设计由于应用了闭式回路、 高性能的双 向变量泵、 比例电液变量控制技术、 高效率的补油回路 结构、 压力补偿器作为超压保护等措施 ， 满足了堆取料 机悬臂和斗轮液压系统 的稳定性 、 可控性 、 可靠性及节 能要求， 自 上世纪9 O 年代末以来 ， 先后在6 台堆取料机 上应用了新系统 ， 十几年来， 运行正常， 性能可靠。对 1 液压偏航驱动系统 风力发 电机偏航液压系统如图 1 所示 ， 其工作原理 如下 1 风力发 电机正常运行且需要偏航时 ， 偏航制动 系统投人 此时制动系统压力 为原来 的一半 ， 然后液 压偏航驱动马达 9 在液压换 向阀7的控制下驱动机舱 进行偏航 。 2 风力发电机由于频繁的进行偏航操作 ， 有时会 发生机舱外延 电缆 与机舱缠绕 的现象 ， 此 时需要偏航 系统在偏航制动 系统完全泄压 的情况下 ， 快速 向电缆 缠绕的反方向偏航 ， 液压偏航驱动马达基本上是在无 系统动态特l生的仿真结果也符合实际运行效果。 参考文献 【 1 ] 吕明荟， 李毅民． 斗轮堆取料机的发展趋势[ J ] ． 港 口装卸， 2 0 0 8 ， 2 6 - 9 ． 【 2 ] 王野牧， 刘玉琦． 电反馈电液比例排量调节轴向柱塞泵的研 究[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 1 9 9 6 ， 2 ． 【 3 】 苏东海， 杨京兰． 轴向伺服变量柱塞泵数学模型的建7 r [ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 8 ， 4 ． [ 4 】 姚赛彪， 熊小龙． 斗轮堆取料机俯仰液压系统的改造[ J 】 ． 燃 料与化工， 2 0 1 1 ,4 2 3 3 3 3 4 ． 【 5 】 刘能宏， 田树军． 液压系统动特性数字仿真【 M】 ． 大连 大连理 工大学出版社， 1 9 9 3 ． 【 6 ] 徐天亮． 堆取料机液压系统故障分析和改进【 J ] ． 液压与气动， 2 0 0 9 ， 5 8 1 - 8 2 ． 1 9