攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能分析

張文文，王志亮，王昕煜，趙靜一

（1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)屬于多泵多回路復(fù)合液壓傳動(dòng)系統(tǒng).攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)包括行走液壓系統(tǒng)、刮板輸料液壓系統(tǒng)、螺旋輸料液壓系統(tǒng)、振搗液壓系統(tǒng)、震動(dòng)液壓系統(tǒng)及輔助液壓系統(tǒng).各部分液壓系統(tǒng)既能獨(dú)立的傳遞動(dòng)力，完成各自的動(dòng)作，又能通過(guò)控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)，達(dá)到對(duì)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確控制.

1 攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)由左、右二套相同的履帶驅(qū)動(dòng)回路組成.有二擋變速——攤鋪低速和行走高速.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用閉式液壓回路，在設(shè)計(jì)中充分利用了閉式系統(tǒng)功率密度高、布局方便、過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)和控制靈活等優(yōu)點(diǎn).工作機(jī)構(gòu)的變速和換向靠調(diào)節(jié)泵和馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，避免了在開(kāi)式系統(tǒng)換向過(guò)程中所出現(xiàn)的液壓沖擊和能量損失.相比開(kāi)式回路，閉式回路更適用于攤鋪施工中負(fù)荷變化劇烈，前進(jìn)、倒退、制動(dòng)頻繁，以及速度要求嚴(yán)格控制的情況，使系統(tǒng)的管路布置更加緊湊.

圖1為攤鋪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變量泵控馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)原理圖.通過(guò)改變泵的變量改變主油路中液壓油的流量的大小和方向來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的變速和換向，減少了因換向引起的壓力波動(dòng).變量泵的流量可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)流量控制.補(bǔ)油泵補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的泄漏，溢流閥調(diào)定系統(tǒng)的補(bǔ)油壓力.

圖2為攤鋪機(jī)閉式系統(tǒng)變量泵－變量馬達(dá)容積調(diào)速回路特性曲線.圖中曲線abc表示車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力矩，曲線def表示車(chē)輛行駛速度.在車(chē)起動(dòng)前將馬達(dá)的排量調(diào)到最大值，將泵的排量調(diào)到零位.起動(dòng)后首先調(diào)節(jié)泵的排量，逐漸調(diào)到最大值，然后再將馬達(dá)的排量從最大值往小調(diào).調(diào)節(jié)泵的過(guò)程中，馬達(dá)的排量不變，此時(shí)相當(dāng)于變量泵－定量馬達(dá)的回路特性，為恒扭矩工況.而調(diào)節(jié)馬達(dá)的過(guò)程中，泵的排量保持不變，又相當(dāng)于定量泵－變量馬達(dá)的回路特性，為恒功率工況.將這兩種調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)就是變量泵－變量馬達(dá)回路的調(diào)節(jié)方式.

圖1 攤鋪機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of hydraulic driving system of the paver

圖2 變量泵變量馬達(dá)容積調(diào)速回路的輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic curves of the variable pump and the variable hydraulic motor in the speed control circuit

其中，MM為恒扭矩調(diào)速時(shí)的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；NM為恒功率調(diào)速時(shí)的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；nmax為最大轉(zhuǎn)速；nmin為最小轉(zhuǎn)速.

系統(tǒng)由于沒(méi)有方向閥和節(jié)流閥，液壓泵輸出的壓力油全部送往液壓馬達(dá)，這不僅簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且大大減少了閥口的節(jié)流損失.因此，該系統(tǒng)效率較高，功率利用合理，調(diào)速范圍大，達(dá)到了很好的節(jié)能目的.

1.2 輔助系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

熨平板伸縮回路是由兩個(gè)液壓缸控制的，擬采用電液控制系統(tǒng).本系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，采用電液比例多路閥控制油液方向，進(jìn)而控制油缸的上升和下降.舊式系統(tǒng)多采用同步閥控制缸的同步運(yùn)動(dòng)，精度較差，且不能避免累計(jì)誤差，故改進(jìn)為電液控制系統(tǒng)，可以精確地控制液壓缸的位置.然而由于液壓伸縮熨平裝置受到整體重量和剛度的限制，一般最大攤鋪寬度控制在9m以?xún)?nèi).液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示.在開(kāi)式系統(tǒng)中運(yùn)用負(fù)載敏感技術(shù)使液壓泵的壓力－流量與負(fù)載的壓力－流量相適應(yīng).負(fù)載敏感控制的功率損耗低，效率遠(yuǎn)高于常規(guī)液壓系統(tǒng)，這種高效率、低損失不僅節(jié)省了燃料，也使得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量較低.

圖3 熨平板升降液壓系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic lifting system of the screed

運(yùn)用負(fù)載敏感技術(shù)的系統(tǒng)中負(fù)載敏感變量泵通過(guò)控制排量為液壓系統(tǒng)提供所需的流量和壓力，以達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的.負(fù)載敏感變量泵不存在溢流損失，雖然系統(tǒng)節(jié)流損失依然存在，但由于節(jié)流閥兩端壓差恒定且較?。ㄓ砷y芯彈簧設(shè)定，1～2MPa），因此系統(tǒng)的節(jié)流損失很小，其功率損耗ΔNs為

式中：Q為負(fù)載流量；Δp＝pb－pL，pb為泵的出口壓力，pL為負(fù)載壓力.

系統(tǒng)效率η為

由于泵的出口壓力pb由負(fù)載決定，所以負(fù)載壓力越高，泵的出口壓力越高，其回路的效率也就越高，液壓回路的節(jié)能效果越好.另外，負(fù)載敏感控制泵工作時(shí)的壓力只需比負(fù)載壓力略高，而不像恒壓泵那樣必須工作在一個(gè)較高的設(shè)定壓力，這有利于延長(zhǎng)泵的壽命.

圖4表示的是定量系統(tǒng)的能量，圖5表示的是恒壓系統(tǒng)的能量損失，圖6表示負(fù)載敏感系統(tǒng)的能量損失.比較三者，可以看出，定量系統(tǒng)的能量損失最大，負(fù)載敏感系統(tǒng)的能量損失最小.圖中，pS表示額定壓力；p1表示實(shí)際壓力；pmax表示最大壓力；Qmax表示最大流量.

圖4 定量系統(tǒng)的能量損失Fig.4 Energy loss of the quantitative system

圖5 恒壓系統(tǒng)的能量損失Fig.5 Energy loss of the constant pressure system

圖6 負(fù)載敏感系統(tǒng)的能量損失Fig.6 Energy loss of the load sensing system

對(duì)比圖4，5，6，可知，負(fù)載敏感控制系統(tǒng)是根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制的.調(diào)整液壓泵的運(yùn)行參數(shù)，使之與負(fù)荷匹配，這樣就可以充分吸收和利用泵的功率，更大限度地利用能量，負(fù)載敏感系統(tǒng)的能量利用率明顯高于其他二個(gè)系統(tǒng).在負(fù)載敏感控制系統(tǒng)中液壓泵只需提供與執(zhí)行元件負(fù)載相匹配的壓力、流量或功率，使系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩壓力和過(guò)剩流量，節(jié)能效果可達(dá)30%～40%.因此利用負(fù)載敏感系統(tǒng)有效地提高了系統(tǒng)的能量利用和降低了無(wú)功損耗，使液壓系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)控制節(jié)能的目的.

2 攤鋪機(jī)控制系統(tǒng)分析

CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由ISO定義的串行通訊總線，最初是為汽車(chē)信息綜合和控制所設(shè)計(jì)的.由于它具有較高的位速率和抗電磁干擾性，所以非常適用于分布式實(shí)時(shí)控制.CAN作為數(shù)字式串行通訊技術(shù)，與其他的同類(lèi)技術(shù)相比，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì).

本系統(tǒng)利用CAN總線進(jìn)行協(xié)同控制.控制器采集操控信號(hào)，解析出希望的輸出.通過(guò)CAN總線接收位移傳感器采集的實(shí)時(shí)伸縮缸的位置信號(hào)，求解得到各個(gè)缸的控制量輸出，并向各輸入/輸出節(jié)點(diǎn)（I/O節(jié)點(diǎn)）發(fā)送響應(yīng)的控制指令，從而控制缸動(dòng)作.這一控制過(guò)程不斷循環(huán)，直至各個(gè)伸縮缸達(dá)到期望位置.

利用閉環(huán)控制原理實(shí)時(shí)調(diào)整油缸的位移.主從控制方塊圖如圖7所示.其中，R表示輸入信號(hào)，E表示偏差信號(hào)，U表示電信號(hào)，X，Y表示位移信號(hào).

2.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

熨平板升降系統(tǒng)使用的是電液比例多路閥，控制單出桿活塞缸運(yùn)動(dòng).通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)口度控制同步.針對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立閥控缸的基本方程如下：

比例閥負(fù)載流量方程：

式中：QL為負(fù)載流量；Kq為閥的流量增益系數(shù)；xv為閥芯的位移；Kc為閥的流量壓力系數(shù).

液壓缸的流量連續(xù)性方程：

式中：Vt為總壓縮容積；βc為有效體積彈性模量；Ac為有效缸面積；y為活塞位移；Cep為外泄漏系數(shù).

液壓缸與負(fù)載的力平衡方程：

圖7 主從控制方塊圖Fig.7 Block diagram of the master-slave control

式中：F為油缸的推力；G為負(fù)載；ΔG為外加干擾力以及結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的變力；Bp為液壓缸的黏性阻尼系數(shù)，g為重力加速度.

跟負(fù)載G相比，活塞桿的質(zhì)量m可以忽略不計(jì)，則上式簡(jiǎn)化：

綜上所述，忽略黏性摩擦力及彈性力，并把油液體積彈性模量看作無(wú)窮大，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可得閥控缸傳遞函數(shù)如下：

電液比例多路閥可以簡(jiǎn)化建模為一個(gè)二階震蕩環(huán)節(jié)，表示如下：

式中：Gsv為簡(jiǎn)化模型的傳遞函數(shù)；ksv為比例系數(shù)；s為復(fù)變量；ωsv為振蕩頻率；εsv為阻尼比.

結(jié)合控制傳遞方塊圖，由以上各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，可以得到電液位置控制系統(tǒng)方塊圖.利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真建模，如圖8所示.K為放大系數(shù).

圖8 同步升降控制系統(tǒng)主從控制傳遞函數(shù)方塊圖Fig.8 Transfer function block diagram of the master-slave control of synchronous lifting control system

2.2 控制策略-PID控制

建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析.輸入階躍信號(hào)，觀察動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.本系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng).輸入信號(hào)設(shè)置為期望的缸位移曲線，期望輸出能夠跟隨輸入信號(hào)，有良好的動(dòng)靜態(tài)特性，并且達(dá)到設(shè)定的同步精度.

PID （proportion-integral-derivative）控制是 最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一.由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng).應(yīng)用Simulink建立的仿真模型如圖9所示.采用試湊法整定PID參數(shù)，選定Kp＝1；Ki＝0.8；Kd＝0.2.Kp為比例環(huán)節(jié)放大系數(shù)；Ki積分環(huán)節(jié)放大系數(shù)；Kd微分環(huán)節(jié)放大系數(shù).仿真效果見(jiàn)圖9所示.圖9中，1/s表示積分環(huán)節(jié)，du/dt表示微分環(huán)節(jié)，F(xiàn)1，F(xiàn)2均表示輸入信號(hào).

圖9 控制系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of the control system

圖10為不加控制器與加PID控制的響應(yīng)曲線，實(shí)線為輸入，虛線為加入PID控制后的響應(yīng)曲線，點(diǎn)劃線為不加控制的響應(yīng).由圖10所示的效果曲線可知，加上PID控制后，響應(yīng)速度及控制精度都明顯提高.

圖10 不加控制器與加PID控制的響應(yīng)曲線Fig.10 Response curves without the controller and response curves with PID contoll

3 AMEsim仿真

AMEsim是世界著名的工程系統(tǒng)高級(jí)建模與仿真平臺(tái)，采用物理模型的圖形化建模方式，軟件中提供了豐富的應(yīng)用元件庫(kù)，用戶(hù)可以采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建自定義模塊或仿真模型.

本系統(tǒng)利用AMEsim進(jìn)行建模仿真，主要需要建立負(fù)載敏感變量泵、負(fù)載敏感多路閥、執(zhí)行缸的液壓模型.利用PID控制形成閉環(huán)控制，進(jìn)行仿真.具體模型及仿真結(jié)果如圖11—13所示.其中T為回油口，P為壓力油口，LS為壓載壓力，A，B為執(zhí)行器壓力，I為輸入信號(hào).

圖11 負(fù)載敏感變量泵AMEsim模型Fig.11 AMEsim simulation model of the load sensing variable displacement pump

圖12 負(fù)載敏感多路閥AMEsim模型Fig.12 AMEsim simulation model of the load-sensitive multitandem valve

圖13 同步性仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of the synchronization

由圖11—13可知，利用PID進(jìn)行主從控制，可以達(dá)到很好的控制效果.跟隨缸的位移能夠緊跟主動(dòng)缸的位移情況，滿足控制需求.

3.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并測(cè)試

安裝熨平板升降裝置，包括位置傳感器、薩奧MC0024控制器、控制面板等，在場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄各個(gè)缸的實(shí)際位移輸出曲線，如圖14所示.由圖14可知，實(shí)際曲線與理論分析基本吻合，驗(yàn)證了控制理論的正確性.

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)工程機(jī)械能量利用率普遍較低，而液壓系統(tǒng)控制節(jié)能技術(shù)方法很多，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和自適應(yīng)性，必須根據(jù)具體的情況靈活應(yīng)用.利用AMESim對(duì)攤鋪機(jī)的液壓系統(tǒng)仿真分析，傳統(tǒng)的PID控制可解決攤鋪機(jī)節(jié)能控制在工程上的應(yīng)用問(wèn)題.

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