DA控制技術(shù)在鑿巖臺車行走系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

肖前龍

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 前言

閉式液壓系統(tǒng)由于傳動效率高，結(jié)構(gòu)安裝緊湊，具有無極調(diào)速功能，節(jié)能性和操控平穩(wěn)性好等顯著優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械行走控制[1-4]。工程機(jī)械行走系統(tǒng)負(fù)載變化劇烈，對發(fā)動機(jī)-液壓驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的載荷沖擊，往往出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動，功率不匹配導(dǎo)致熄火等問題，因此需要進(jìn)行發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)的功率匹配控制，以自動調(diào)節(jié)行走速度與外界負(fù)荷變化相適應(yīng)。

礦山巷道空間狹小，設(shè)備要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，因而鑿巖臺車行走系統(tǒng)一般采用靜液壓閉式驅(qū)動系統(tǒng)。閉式液壓系統(tǒng)具有多種功率匹配控制方式，一種是通過檢測系統(tǒng)壓力和流量計(jì)算實(shí)際功率，并與發(fā)動機(jī)額定功率相比較進(jìn)而對液壓系統(tǒng)控制；一種是通過全液壓式功率閥感應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)載壓力，自動調(diào)節(jié)液壓泵的先導(dǎo)控制油，實(shí)現(xiàn)流量、功率自適應(yīng)匹配；還有的以發(fā)動機(jī)掉速比為控制目標(biāo)，根據(jù)檢測發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)指令轉(zhuǎn)速計(jì)算掉速比，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量實(shí)現(xiàn)功率匹配控制。這幾種方式基本都是通過電控方法或者增加額外的功率控制閥組完成，成本較高，控制算法復(fù)雜。DA(Drive＆Anti stall control)控制即自動變速和防熄火控制，通過DA控制閥感應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)靜液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)，無需額外的傳感器信號，控制功能完全集成在泵上，具有集成度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，無需增加電控系統(tǒng)即能完成行走驅(qū)動系統(tǒng)的功率匹配控制，尤其在一些非電控比例控制系統(tǒng)里面應(yīng)用具有優(yōu)勢[5-6]。

2 DA控制原理及在鑿巖臺車上的應(yīng)用

DA控制是一種與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或自動行駛速度有關(guān)的控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載變化時，液壓泵的排量隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使發(fā)動機(jī)負(fù)載扭矩與額定扭矩相匹配，以獲得較高的動力性和經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)具有以下兩個特點(diǎn)[7-8]：

(1)自動(變速)驅(qū)動控制：與汽車的自動擋類似，車輛的速度只通過發(fā)動機(jī)的油門踏板來控制，具有較好的操作性和舒適性。

(2)防熄火控制：實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的極限負(fù)載保護(hù)，與液壓系統(tǒng)恒功率控制功能類似，車輛在工作時，為了滿足牽引力的要求自動降低車輛的速度以防止發(fā)動機(jī)熄火。

2.1 DA控制原理

圖1為DA控制原理及DA閥結(jié)構(gòu)示意圖，DA控制閥能夠感知發(fā)動機(jī)速度，產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的變量泵控制壓力PS，從而對變量泵排量進(jìn)行無級控制，實(shí)現(xiàn)行駛的自動變速驅(qū)動控制。

閉式系統(tǒng)里的補(bǔ)油泵為齒輪泵，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，輸出流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。補(bǔ)油泵流量通過DA控制閥內(nèi)部的節(jié)流孔，節(jié)流孔兩端的壓差與通過的流量大小和孔徑有關(guān)，節(jié)流孔檢測到補(bǔ)油泵流量的變化而產(chǎn)生不同的壓差，從而產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的控制壓力PS，推動閉式變量泵的斜盤，使泵的排量發(fā)生變化[9-12]。

圖1 DA控制原理及DA閥結(jié)構(gòu)示意

2.2 DA控制在鑿巖臺車行走系統(tǒng)中的應(yīng)用

中深孔鑿巖臺車行走系統(tǒng)采用靜液壓驅(qū)動控制，圖2為帶DA控制閥的鑿巖臺車行走閉式液壓系統(tǒng)原理，采用力士樂A4VG56變量柱塞泵和A6VM80變量柱塞馬達(dá)，馬達(dá)具有高低兩檔排量控制以實(shí)現(xiàn)高低速行駛控制。

圖2 行走閉式液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由變量泵、補(bǔ)油泵、變量缸、變量控制閥、DA閥、補(bǔ)油溢流閥、變量馬達(dá)和沖洗閥等組成。鑿巖臺車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2 200 r/min時功率為45 kW，爬坡能力要求大于30%，行駛速度要求大于8 km/h。

根據(jù)行駛要求和發(fā)動機(jī)功率扭矩曲線，計(jì)算出整機(jī)的行駛牽引力和速度關(guān)系曲線，如圖3所示。

A-B段曲線馬達(dá)工作在最大排量，液壓泵的排量逐漸加大，行駛速度增大；B-C段液壓泵工作在最大排量，馬達(dá)排量逐漸加大，行駛速度增大。鑿巖臺車在A、B、C各工作點(diǎn)的工作參數(shù)如表1所示。

圖3 行使?fàn)恳?速度關(guān)系曲線

表1 鑿巖臺車關(guān)鍵工作點(diǎn)的計(jì)算參數(shù)

對DA控制功能進(jìn)行配置，DA閥的Block-curve控制起點(diǎn)為轉(zhuǎn)速1 200 r/min時對應(yīng)壓力50 bar，控制終點(diǎn)1 600 r/min時對應(yīng)壓力為320 bar，Q-curve控制起點(diǎn)為2 000 r/min時對應(yīng)壓力250 bar。

3 鑿巖臺車DA控制功能試驗(yàn)

圖4所示為礦用中深孔鑿巖臺車樣機(jī)實(shí)物，為驗(yàn)證液壓系統(tǒng)DA控制功能，對行走系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。測試時鑿巖臺車支腿伸出，輪胎離地，通過剎車制動模擬負(fù)載行駛，安裝速度傳感器，通過檢測輪胎轉(zhuǎn)速，計(jì)算鑿巖臺車的行駛速度。

圖4 鑿巖臺車測試實(shí)物

圖5為DA控制閥的Block-curve測試，Block曲線體現(xiàn)系統(tǒng)的壓力增益，反映的是車輛的牽引力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

圖5 DA控制閥Block curve測試

試驗(yàn)過程踩死剎車，緩慢增大發(fā)動機(jī)油門，觀察發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的系統(tǒng)壓力，液壓泵斜盤擺角基本為零，僅輸出很小的流量用來補(bǔ)充自身泄漏，隨著泵轉(zhuǎn)速的提高，控制壓力也隨著上升。測試的結(jié)果為轉(zhuǎn)速1 180 r/min時候?qū)?yīng)壓力50 bar，1 600 r/min時對應(yīng)壓力320 bar，基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖6為DA控制閥的Q-curve測試曲線圖，Q曲線反映了液壓系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)特性，當(dāng)泵的負(fù)載功率超過發(fā)動機(jī)的輸出功率時液壓系統(tǒng)進(jìn)行功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程使發(fā)動機(jī)油門最大，緩慢踩剎車，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到230 bar時，DA控制閥開始調(diào)節(jié)，泵輸出流量減小，車輛的行駛速度下降，以滿足系統(tǒng)功率匹配。

圖6 DA控制閥Q-curve測試

4 總結(jié)與結(jié)論

(1)分析了液壓系統(tǒng)DA控制的工作原理及特性，并介紹了其在鑿巖臺車行走閉式液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

(2)以鑿巖臺車行走閉式液壓系統(tǒng)為研究對象，對帶DA控制閥的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試，通過模擬工況測試，DA控制閥較好地實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功率自調(diào)節(jié)功能，測試結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)要求基本吻合。