基于功率匹配的水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)研究

胡仕成，劉曉宏，王祥軍，楊貞柿

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙410083;2.高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410083;3.湖南中鐵五新集團(tuán)，湖南長沙410100)

0 引言

水平定向鉆能量消耗大，且作業(yè)過程中外界負(fù)載變化范圍大，因而存在著不少環(huán)節(jié)的功率損耗，水平定向鉆采用節(jié)能控制系統(tǒng)，不但能夠提高設(shè)備的工作效率，而且可以減少機(jī)器的裝機(jī)功率，因此不僅能降低成本，而且能提高整機(jī)的性能和使用可靠性.目前國內(nèi)主要研究其液壓系統(tǒng)方面［1-2］，直接針對水平定向鉆智能化節(jié)能控制的研究還很少，且大多僅限于局部功率匹配［3-4］，節(jié)能效果并不明顯，無法滿足水平定向鉆實(shí)用化節(jié)能控制的需要.

針對以上問題，筆者采用自適應(yīng)控制的理論、方法和技術(shù)對水平定向鉆作業(yè)時消耗的功率進(jìn)行實(shí)時控制，使系統(tǒng)消耗的功率始終追隨發(fā)動機(jī)的輸出功率［5］，充分發(fā)揮機(jī)器的裝機(jī)功率，提高功率利用率及作業(yè)效率，降低功率損耗及機(jī)器的燃油消耗，達(dá)到節(jié)能的目的，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)水平定向鉆電子節(jié)能控制系統(tǒng).

1 發(fā)動機(jī)-液壓泵功率匹配特性

由于液壓泵直接與發(fā)動機(jī)曲軸相連，所以二者之間的功率匹配關(guān)系為:

即泵的轉(zhuǎn)矩Mp(t)等于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩Me(t)，同時泵的轉(zhuǎn)矩Mp(t)是與泵的排量qp(t)和壓力pp(t)成正比，有:

通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量qp(t)，使液壓泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mp(t)等于發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Me(t)，則發(fā)動機(jī)與液壓泵功率達(dá)到匹配.

采用普通泵的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)功率匹配方案時，為了避免發(fā)動機(jī)超載掉速，設(shè)定泵的功率曲線必須低于發(fā)動機(jī)的功率曲線，一般僅設(shè)定為發(fā)動機(jī)的80% ～90% 左右.因此，設(shè)備不能充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最佳性能，造成設(shè)備裝機(jī)功率過大，功率浪費(fèi)嚴(yán)重.另外水平定向鉆上廣泛應(yīng)用的恒功率變量泵的功率曲線只有在理想情況下是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，實(shí)際的功率曲線則是由兩條折線近似來替代雙曲線，因此液壓泵的實(shí)際功率低于理論功率，從而導(dǎo)致功率損失.如圖1所示.

針對上述問題，筆者提出在設(shè)計(jì)功率匹配方案時，采用電控泵并將其功率曲線設(shè)定在發(fā)動機(jī)的功率曲線之上，通過采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制來實(shí)現(xiàn)功率匹配.轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制的原理是:通過選擇發(fā)動機(jī)工作模式，設(shè)定工作時發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速傳感器檢測到的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號輸入計(jì)算機(jī)，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較并計(jì)算出轉(zhuǎn)速偏差，根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，控制泵的排量，使泵的吸收功率始終追蹤發(fā)動機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率匹配［6］.轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制使泵的P-Q特性是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線，沒有普通恒功率泵的近似誤差，既可以充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的功率，又能夠有效避免發(fā)動機(jī)因過載而熄火.其控制框圖如圖2所示.

2 水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)研究

水平定向鉆在作業(yè)時，發(fā)動機(jī)的功率主要用于動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、推拉系統(tǒng)和泥漿供給系統(tǒng).泥漿供給系統(tǒng)消耗的功率恒定，且回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率占發(fā)動機(jī)總功率的80%左右，只要控制這兩部分系統(tǒng)使之能夠充分吸收發(fā)動機(jī)輸出的功率，就能提高水平定向鉆作業(yè)生產(chǎn)率、提升能源利用率，達(dá)到節(jié)能的目的.在水平定向鉆的整個工作循環(huán)中，90%以上的時間是在進(jìn)行動力頭的回轉(zhuǎn)和推拉動作［7］，因此，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)采用“變量泵—變量馬達(dá)”的容積調(diào)速閉式回路，無溢流損失和節(jié)流損失，故效率高、發(fā)熱少，適用于這樣的高壓大流量、大功率設(shè)備的液壓系統(tǒng)［8］.

水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)是感知外界負(fù)載的變化而對發(fā)動機(jī)和變量泵進(jìn)行實(shí)時控制的系統(tǒng)，采用測定發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速作為其輸入信號，輸出控制電流調(diào)節(jié)電控泵排量.其作用原理是:當(dāng)發(fā)動機(jī)在設(shè)定模式下工作時，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)時調(diào)節(jié)變量泵的排量來調(diào)整泵的吸收功率，從而使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值.當(dāng)檢測到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的最佳轉(zhuǎn)速時，將輸出控制信號合理地降低變量泵的排量使動力頭的回轉(zhuǎn)速度和推拉速度減慢，從而降低回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨即升高，直至恢復(fù)到最佳狀態(tài)，反之則增加變量泵的排量，增加回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)所消耗的功率.通過實(shí)時控制最終使發(fā)動機(jī)工作在設(shè)定的狀態(tài)，確保發(fā)動機(jī)的輸出功率可以被充分利用，維持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在一個小范圍內(nèi)波動，避免了因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動所導(dǎo)致的油耗增加.

3 水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平定向鉆作業(yè)工況復(fù)雜，為了適應(yīng)不同的作業(yè)工況，使發(fā)動機(jī)與作業(yè)工況功率相匹配，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分工況節(jié)能控制，將發(fā)動機(jī)的功率模式設(shè)定為以下4檔:

(1)動力模式(D模式):追求水平定向鉆的最大生產(chǎn)效率，此時發(fā)動機(jī)輸出全功率.

(2)經(jīng)濟(jì)模式(S模式):此模式重視節(jié)約燃油，最佳工作轉(zhuǎn)速設(shè)定在全功率時的85%.

(3)輕載模式(L模式):最佳工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為全功率時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的70%.

(4)怠速模式(H模式):水平定向鉆此時不工作，用于暫停待命.

節(jié)能控制系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)作為油門執(zhí)行器來控制發(fā)動機(jī)油門的開度.表1為各個功率模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)采用Cumins公司生產(chǎn)的6LTAA8.9-C325型發(fā)動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為2 200 r·min-1，對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩為1 350 N·m，輸出功率為239 kW.

表1 各功率模式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The experimental results of each power mode

筆者研究的節(jié)能控制系統(tǒng)基于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制，主要包括對發(fā)動機(jī)油門的控制和對電控泵排量的控制兩個方面.操作者依據(jù)對外界負(fù)載條件主觀的判斷，設(shè)定發(fā)動機(jī)功率模式，控制器輸出相應(yīng)指令驅(qū)動油門執(zhí)行器將油門拉至標(biāo)定位置.通過安裝在機(jī)器各個位置的多個相關(guān)的傳感器和按鈕，將發(fā)動機(jī)功率模式選擇、液壓系統(tǒng)工作壓力、發(fā)動機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速等有用信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信息輸出給油門控制器、電磁比例閥等執(zhí)行元件，根據(jù)作業(yè)條件精確地控制動力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及水平定向鉆作業(yè)速度與外界負(fù)載條件合理匹配，真正實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)輸出功率與負(fù)載需求的合理匹配，能量損失大幅減少.其主要組成部分如圖3所示.

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of power-saving control system

4 節(jié)能控制系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)

PID控制能滿足大多數(shù)工業(yè)對象的控制要求，而且 PID控制器本身包括內(nèi)在的解耦功能，能夠消除變量間的相互干涉［9］，所以控制系統(tǒng)選擇采用PID控制算法.

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即

將偏差的比例、微分和積分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:KP為比例數(shù);TL為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù).

為了驗(yàn)證節(jié)能控制方案的可行性，利用AMESim高級建模和仿真軟件對水平定向鉆節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真.根據(jù)仿真的目的，對節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的假設(shè)和簡化，省卻了行走系統(tǒng)回路及其它輔助回路;泥漿供給系統(tǒng)負(fù)載扭矩恒定，為318 N·m，用一個常量信號表示;發(fā)動機(jī)模型用一個循環(huán)子模型模擬，根據(jù)發(fā)動機(jī)的調(diào)速特性，預(yù)先建立發(fā)動機(jī)的扭矩—轉(zhuǎn)速關(guān)系的ASCII數(shù)據(jù)文件，就能模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨扭矩的變化關(guān)系;閉式泵選用理想的變量液壓泵模型并選用定量泵作為其補(bǔ)油泵，馬達(dá)選用理想的雙向定量馬達(dá)模型，均考慮了馬達(dá)的容積效率和機(jī)械效率;變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用傳遞函數(shù)的形式表示，選取AMES-im軟件的標(biāo)準(zhǔn)模型庫中相應(yīng)的圖形模塊建立系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.

圖4 節(jié)能控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 The simulation model of energy-save control system

仿真時采用階躍信號來模擬動力頭外負(fù)載的突變，設(shè)定第3 s動力頭的推拉力由600 kN降至500 kN，第6 s其回轉(zhuǎn)扭矩由20 kN·m升至23 kN·m，并將發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 200 r/min，仿真時間為10 s.仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 加載仿真結(jié)果圖Fig.5 The simulation results of load

從圖5可以看出，雖然外界負(fù)載突變引起液壓系統(tǒng)壓力突變，但是由于節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)揮其控制作用，及時地調(diào)節(jié)電控泵的排量，使液壓泵的負(fù)載扭矩之和維持在恒定值，所以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在±30 r/min范圍內(nèi)波動變化不大，且能夠快速地恢復(fù)到設(shè)定值，維持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，減少了因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動引起的油耗增加.仿真結(jié)果表明，上述功率匹配方法理論上可行，且PID控制器表現(xiàn)出較好的控制效果.

為了驗(yàn)證實(shí)際控制效果，以五新重工生產(chǎn)的WX600型水平定向鉆為實(shí)驗(yàn)機(jī)，其中電控泵為薩奧90系列閉式泵，實(shí)驗(yàn)時設(shè)定經(jīng)濟(jì)模式進(jìn)行測試，記錄推拉系統(tǒng)壓力、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力以及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況來反映控制系統(tǒng)的控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.可以看出，雖然外界負(fù)載變化劇烈，但由記錄的轉(zhuǎn)速曲線圖可以看出，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速雖有波動，但都在系統(tǒng)控制的±50 r/min小范圍內(nèi)，控制效果比較理想，達(dá)到了預(yù)期的要求.同時與仿真結(jié)果相比，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)存在一個滯后，且調(diào)節(jié)時間比仿真時要長，主要是因?yàn)榉抡鏁r建立的發(fā)動機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速模型僅為其靜態(tài)模型，而實(shí)際中發(fā)動機(jī)工作過程是一個動態(tài)過程.

圖6 加載實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig.6 The experiment curve of load

5 結(jié)論

(1)分析了現(xiàn)有水平定向鉆功率匹配的局限性，提出了將液壓泵的最大功率曲線設(shè)定在發(fā)動機(jī)功率曲線之上，采用轉(zhuǎn)速感應(yīng)控制的功率匹配方法，建立了水平定向鉆AMESim仿真模型，從仿真及試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此功率匹配方法有效可行，使水平定向鉆能合理的利用發(fā)動機(jī)輸出的功率.

(2)在仿真和實(shí)驗(yàn)中可以看出，雖然外界負(fù)載變化劇烈，但是發(fā)動機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下，轉(zhuǎn)速波動均控制在±50 r/min小范圍內(nèi)，有效的穩(wěn)定了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了因發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動導(dǎo)致的油耗增加，達(dá)到了預(yù)期的效果.

(3)這項(xiàng)研究對于設(shè)計(jì)水平定向鉆電子節(jié)能控制系統(tǒng)，在降低設(shè)備能耗，提高設(shè)備能源利用率，節(jié)約成本等方面具有重大的意義，同時也為類似的工程機(jī)械節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考.

［1］ 鄭俊華，趙大軍，沙永柏，等.JFK-15型非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動，2008，47(2):40-43.

［2］ 朱宏培，錢瑞明，駱圓圓.水平定向鉆液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.設(shè)計(jì)與研究，2008，33(9):15-17.

［3］ 張?jiān)?，尚?水平定向鉆節(jié)能控制試驗(yàn)研究［J］.試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2007，47(3):35-39.

［4］ 朱輝.水平定向鉆分工況作業(yè)規(guī)律及其控制策略研究［D］.長春:吉林大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2009.

［5］ 馬鵬宇，胡永彪，張新榮.冷銑刨機(jī)功率自適應(yīng)控制參數(shù)研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版.2007，28(2):88-92.

［6］ 尚濤.液壓挖掘機(jī)作業(yè)及行走系統(tǒng)節(jié)能控制研究［D］.長春:吉林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2005.

［7］ 陳曉娟，李活，韓宇.水平定向鉆液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中AMEsim 技術(shù)的應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2008，23(12):95-98.

［8］ 柳利平.Z6500水平定向鉆機(jī)動力頭及其液壓驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)研究［D］.西安:長安大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009.

［9］ 柳波，劉江麗.旋挖鉆機(jī)鉆桅垂直度自動控制系統(tǒng)建模與算法研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(4):523-527.