旋挖鉆機卷揚裝置電液混合驅(qū)動系統(tǒng)特性

劉華坤， 權(quán) 龍， 郝云曉， 黃家海， 李運華

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室， 山西太原 030024；2.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院， 北京 100191)

引言

隨著能源危機、環(huán)境惡化加劇，如何高能效利用能量，實現(xiàn)裝備低碳綠色發(fā)展，已成為裝備領域最重要的研究方向和熱點。

卷揚裝置是旋挖鉆機、起重機、壓樁機等裝備以及電梯、礦井提升機等固定裝備的核心作業(yè)機構(gòu)。卷揚裝置根據(jù)驅(qū)動方式不同，主要分為液壓卷揚與電動卷揚。

液壓卷揚根據(jù)液壓系統(tǒng)形式又可分為開式液壓卷揚與閉式液壓卷揚。葉鵬彥等[1]在開式液壓卷揚系統(tǒng)應用一種新型負載敏感平衡閥，解決了汽車起重機在輕載和空載工況下能量損耗大的問題。管小興等[2]研究了平衡閥在起重機起升卷揚閉式液壓系統(tǒng)中的應用，實踐證明，所設計的起升卷揚閉式液壓系統(tǒng)控制技術性能穩(wěn)定可靠。李建松等[3]對卷揚閉式液壓系統(tǒng)故障進行分析，閉式液壓系統(tǒng)尤其要注意油液污染問題。吳汪洋等[4]對基于二次調(diào)節(jié)技術的船用起重機主動升沉補償液壓絞車系統(tǒng)控制進行了研究，開式卷揚系統(tǒng)中的換向閥和平衡閥均存在較大節(jié)流損失，閉式卷揚系統(tǒng)則存在油液清潔度、溫升等問題。

電動卷揚研究主要是電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制以及多電機控制等[5]。俞曉豐等[6]針對大型電動絞車設計了變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)，采用制動電阻消耗負載下放工況下的勢能，系統(tǒng)可滿足調(diào)速性能及控制要求。

因卷揚工作負載的周期性變化規(guī)律，存在巨大的重力勢能回收利用潛力[7]。目前，重力勢能回收利用方式主要包括機械式、電氣式和液壓式。機械方式采用配重、飛輪和渦簧等實現(xiàn)能量回收利用；電氣方式主要采用鋰電池[8]、超級電容以及回饋電網(wǎng)等途徑實現(xiàn)能量回收利用；液壓方式主要采用蓄能器[9]及其他相關輔件實現(xiàn)能量回收利用。方曉瑜等[10]針對旋挖鉆機主卷揚液壓系統(tǒng)設計了一種基于液壓馬達和電動發(fā)電機的勢能回收系統(tǒng)，通過液壓馬達帶動電動發(fā)電機將勢能以電能方式存儲在超級電容中。CHEN Yilong等[11]研究了一種基于卷揚-馬達-同步電機機械連接的能量回收系統(tǒng)，永磁同步電機發(fā)電產(chǎn)生的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)換成直流電，然后存儲在鋰電池中。然而，鋰電池和超級電容價格昂貴，相關技術尚不成熟[12]，限制了其在卷揚系統(tǒng)的推廣應用。

王欣等[13]研究了起重機液壓卷揚裝置勢能回收再利用系統(tǒng)，利用液壓泵/馬達和蓄能器對系統(tǒng)勢能進行回收與再利用。朱建新等[14]提出了一種旋挖鉆機主卷揚下放勢能回收與實時利用的節(jié)能系統(tǒng)，使二次元件泵/馬達與發(fā)動機同軸機械連接，實時利用卷揚勢能并輔以蓄能器回收利用剩余勢能。本團隊HAO Yunxiao等[15]、喬舒斐等[16]研究了電動缸與液壓缸組成的液電混合線性驅(qū)動系統(tǒng)的運行與能耗特性，秦濤等[17]在挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)應用液電混合驅(qū)動方案，均取得很好的節(jié)能效果。此外，ZHAO Bin等[18]、張杰等[19]研究了一種利用液壓泵/馬達和蓄能器組合的電梯動勢能回收利用方案；王翔宇等[20]在礦用電鏟提升系統(tǒng)上應用了該方案，使驅(qū)動電機能耗降低30%。

針對現(xiàn)有旋挖鉆機卷揚系統(tǒng)勢能回收技術的不足，結(jié)合本團隊在電液混合驅(qū)動方面的技術積累，提出一種基于電動機、滾筒與變排量泵/馬達同軸配置的電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)，以電動機作為主動力源，控制旋挖鉆機鉆桿運動；變排量液壓泵/馬達與蓄能器構(gòu)成儲能系統(tǒng)，通過對液壓泵/馬達擺角的控制實現(xiàn)其轉(zhuǎn)矩調(diào)控，以輔助主動力源驅(qū)動鉆桿提升與下放，在保證卷揚系統(tǒng)操控性的同時，高效回收利用重力勢能。

1 電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)方案

1.1 電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)工作原理

所提旋挖鉆機電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)原理如圖1所示，主要包括伺服電機、驅(qū)動器、液壓泵/馬達、蓄能器、減速器、滾筒、控制器等。采用電動機作為主動力源，液壓系統(tǒng)作為輔助動力源，電動機控制滾筒轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)鉆桿運行速度和高度的調(diào)控。本團隊已在電梯試驗中驗證了該電液混合驅(qū)動系統(tǒng)方案的可行性，達到了節(jié)能的目標[18]。

在鉆桿下放過程中，圖1電動機與液壓泵/馬達均逆時針旋轉(zhuǎn)(從左向右看)， 液壓泵/馬達將工作于泵工況，蓄能器控制閥工作在右位，液壓泵/馬達向蓄能器充液，回收工作裝置重力勢能，蓄能器最高工作壓力由溢流閥調(diào)控。鉆桿提升過程中，電動機與液壓泵/馬達均順時針旋轉(zhuǎn)，由于液壓泵/馬達具有四象限工作特性，當旋轉(zhuǎn)方向改變時，液壓泵/馬達變量機構(gòu)不需要過零位即可切換至馬達工況；此時蓄能器控制閥工作于右位，高壓油驅(qū)動液壓泵/馬達輔助電動機提升，單向閥可防止液壓泵/馬達吸空。當蓄能器保壓或低于最低工作壓力時，控制閥工作于左位，液壓泵/馬達進出油口均接油箱。

圖1 電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)原理圖Fig.1 Electro-hydraulic hybrid drive winch system schematic diagram

1.2 電液混合驅(qū)動系統(tǒng)控制策略

在該系統(tǒng)中，由于電動機與液壓泵/馬達分別安置在滾筒兩側(cè)，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的機械耦合；電機采用轉(zhuǎn)速控制模式，實現(xiàn)整個卷揚系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，液壓泵/馬達則自適應電機轉(zhuǎn)速；液壓泵/馬達采用轉(zhuǎn)矩控制方式，系統(tǒng)所需的其余轉(zhuǎn)矩由電機補償。對于液壓泵/馬達而言，當其進出口壓力為已知量時，通過控制液壓泵/馬達變排量擺角即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

在鉆桿下放與提升過程中，控制器采集蓄能器壓力反饋值，液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩可由式(1)獲得:

(1)

式中，T—— 液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩

Δp—— 液壓泵/馬達進出油口壓差

V—— 液壓泵/馬達排量

為了實現(xiàn)卷揚工作各階段液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)矩匹配，采用變排量液壓泵/馬達。為了解決電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)在提升過程中由于蓄能器能量耗盡導致電機轉(zhuǎn)矩與功率發(fā)生突變的難題，設計了如式(2)所示的液壓泵/馬達排量控制方式：

(2)

式中，s—— 排量影響因子

s是一個關鍵參數(shù)，當卷揚系統(tǒng)處于下放工況時，s=1；當卷揚系統(tǒng)處于提升工況時，s是一個變量，s∈(0,1)，其數(shù)值與運行距離密切相關；當運行距離為某一值時，控制器根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩減小液壓泵/馬達排量，降低蓄能器能量的消耗速率，從而實現(xiàn)整個提升過程持續(xù)的輔助轉(zhuǎn)矩輸出。液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩T可由轉(zhuǎn)矩傳感器獲得，Δp可由壓力傳感器采樣后計算獲得?？刂破鲗ι鲜鲂盘枖?shù)值進行計算后可得到液壓泵/馬達排量的期望值。

2 仿真系統(tǒng)建模

旋挖鉆機主卷揚系統(tǒng)負責鉆桿的下放與提升。下放工況時，鉆桿依靠重力由外向內(nèi)依次伸出；提升工況時，通過鋼絲繩拉動最內(nèi)層鉆桿，由托盤依次帶起外桿并按照由內(nèi)向外的順序依次縮回。以某型號65 t旋挖鉆機為研究對象，其摩阻式鉆桿型號為φ406-5×14 m，鉆桿鉆具總重10180 kg，各節(jié)鉆桿重量(第一節(jié)包含隨動架、第五節(jié)包括與之相連的鉆具)如表1所示。

表1 各節(jié)鉆桿重量Tab.1 Each section of drill pipe weight kg

考慮下放過程中的摩擦阻力f1、泥漿浮力f2與阻力f3等因素，由MATLAB計算出重力勢能與下放距離的關系，如圖2所示。由圖可以看出，下放工況下，可回收勢能隨著下放距離的增大而增大，增加趨勢逐漸減少，這與卷揚下放特點相吻合。全行程總重力勢能Et為3754 kJ，下放距離為12 m時，可回收勢能Er為1012 kJ；當下放距離為64 m時，可回收勢能達到2928 kJ。

圖2 理論計算重力勢能曲線Fig.2 Gravitational potential energy theoretical calculation curve

液壓卷揚系統(tǒng)中，通過控制變量泵排量對液壓馬達轉(zhuǎn)速進行調(diào)控，BVD平衡閥控制鉆桿下放速度的穩(wěn)定性和制動油缸的動作。根據(jù)同級別旋挖鉆機相關數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中液壓馬達排量為160 mL/r，平衡閥為Rexroth BVD25W38L/41B-V01K00，其公稱壓力35 MPa，最大流量為320 L/min。

團隊數(shù)字樣機建模理論與方法經(jīng)過多年實踐驗證，具有較高可信度[21-23]。采用該建模理論與方法以及根據(jù)液壓卷揚及電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)工作原理，建立如圖3所示的旋挖鉆機主卷揚機電液聯(lián)合仿真模型。主要包括液壓卷揚系統(tǒng)模型，伺服電機矢量控制模型，勢能回收利用系統(tǒng)模型，浮力、阻力模型和旋挖鉆機整機機械模型。當電液混合驅(qū)動系統(tǒng)中的勢能回收系統(tǒng)不工作時，該系統(tǒng)演化為電動卷揚系統(tǒng)。在仿真模型中，變排量液壓泵/馬達型號為A4VG175EP1，公稱壓力45 MPa，最高轉(zhuǎn)速2650 r/min；蓄能器控制閥型號2WFC25S330L，最大工作壓力42 MPa，最大流量330 L/min。根據(jù)卷揚下放特點，確定蓄能器充氣壓力p0為14.8 MPa，最低工作壓力p1為17.5 MPa，最高工作壓力p2為30 MPa，則蓄能器容積V0可由式(3)計算，根據(jù)蓄能器規(guī)格，最終選定組合蓄能器總?cè)莘e為450 L：

圖3 旋挖鉆機卷揚系統(tǒng)機電液仿真模型Fig.3 Rotary drilling rig winch system mechanical-electrical-hydraulic co-simulation model

(3)

式中,E1—— 全行程下放可回收重力勢能

k—— 氣體多變指數(shù)，此處取1.4

3 仿真分析

設置仿真時間225 s，其中，5.0～77.6 s為下放工況，77.6～126.0 s為鉆進工作過程，126.0～220.0 s為提升工況；仿真步長0.001。本研究未考慮在鉆進作業(yè)中主卷揚浮動時，鉆桿鉆具在自重及加壓油缸作用下產(chǎn)生的下放位移。

卷揚高速軸給定如圖4所示的轉(zhuǎn)速，各節(jié)鉆桿下放與提升速度與圖中速度曲線趨勢相同。將鉆桿由外向內(nèi)分別編號為第一節(jié)鉆桿1、第二節(jié)鉆桿2、……、第五節(jié)鉆桿5，相鄰鉆桿在下放過程中的第18.7秒，33.1秒，47.5秒，61.9秒和提升過程中的第144.7秒，163.9秒，183.2秒，202.4秒脫開或接觸。在下放時，當上一節(jié)鉆桿運行到終點位置會突然由運動狀態(tài)轉(zhuǎn)為靜止；而提升過程中，當下一節(jié)鉆桿被提升到位后，其相鄰的上一節(jié)鉆桿則由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)為運動狀態(tài)。為避免過大的沖擊載荷，在鉆桿脫開與接觸時適當降低運行速度以使每一節(jié)桿都經(jīng)歷加速、勻速、減速過程。

圖4 卷揚高速軸給定轉(zhuǎn)速Fig.4 Winch high-speed shaft set speed

3.1 旋挖鉆機機械模型驗證

對卷揚系統(tǒng)鉆桿全行程下放以及帶載2000 kg提升的一個運行周期進行仿真，得到如圖5所示的高速軸轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T曲線，可以看出仿真轉(zhuǎn)矩Ts與理論計算轉(zhuǎn)矩Tt基本一致；對下放過程中高速軸上輸入功率積分得到可回收能量為2918 kJ，與理論計算值2928 kJ 接近；上述結(jié)果表明所建立的旋挖鉆機機械仿真模型具有較高的準確性。

圖5 卷揚系統(tǒng)高速軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線Fig.5 Winch system high-speed shaft speed and torque curve

此外，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，軸上轉(zhuǎn)矩突變與速度變化是對應的；且下放過程中轉(zhuǎn)矩突變量較小，而提升過程中轉(zhuǎn)矩突變量較大，這是因為下放過程中的沖擊載荷主要由機架承受，所以反映在高速軸上的轉(zhuǎn)矩突變就較?。欢嵘^程的鉆桿鉆具重量以及速度突變沖擊均由鋼絲繩傳遞至高速軸，故軸上轉(zhuǎn)矩突變量較大。由此可知，在提升或下放過程中，降低關鍵節(jié)點處運行速度對減小旋挖鉆機動載荷具有重要意義。

3.2 傳統(tǒng)液壓卷揚系統(tǒng)仿真分析

圖6為傳統(tǒng)液壓卷揚馬達進出口壓差和液壓泵輸入功率曲線。鉆桿下放初期(5～9 s)存在壓力沖擊，馬達進出口壓差波動較大；在此后下放過程中，馬達進出口壓差呈階梯狀減小，且在轉(zhuǎn)折點處存在沖擊現(xiàn)象，這與圖5轉(zhuǎn)矩變化與波動對應；提升過程中(126～220 s)，馬達進出口壓差變化特征與下放階段相反。此外，由功率曲線可以看出，液壓卷揚在鉆桿下放過程中，由于平衡閥的背壓，液壓泵仍有平均約25 kW的功率輸入。在提升過程中， 液壓泵輸入功率P相應地增加，峰值功率為150 kW。

圖6 液壓馬達進出口壓差以及液壓泵輸入功率曲線Fig.6 Hydraulic motor pressure difference between inlet and outlet and hydraulic pump input power curve

傳統(tǒng)液壓卷揚系統(tǒng)鉆桿全行程運行速度v與位移x曲線如圖7所示，其與圖4速度變化趨勢一致，并在相鄰鉆桿脫開與接觸處產(chǎn)生一定的速度波動；只是在下放初期存在著較大的速度波動，這與平衡閥的性能有關。

圖7 液壓卷揚鉆桿運行速度與位移曲線Fig.7 Hydraulic winch drill pipe operating speed and displacement curve

3.3 電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)仿真分析

在電動與電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)中，重復與液壓卷揚相同的運行工況。由于電液混驅(qū)卷揚轉(zhuǎn)速控制由電機完成，其鉆桿運行速度v2與電動卷揚運行速度v1相差很小，兩者運行速度與位移如圖8所示。對比圖7所示的液壓卷揚鉆桿運行速度曲線可以看出，在相應的載荷沖擊處也產(chǎn)生速度波動，但電動卷揚與電液混驅(qū)卷揚具有更穩(wěn)定的運行速度。電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)能很好地保證卷揚系統(tǒng)的操控性。

圖8 電動與電液混驅(qū)卷揚鉆桿運行速度與位移曲線Fig.8 Motor drive and electro-hydraulic hybrid drive winch drill pipe operating speed and displacement curve

圖9為電動與電液混驅(qū)卷揚全行程功率P1,P2曲線及電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)中蓄能器壓力p0曲線。電動卷揚鉆桿下放過程(5.0～77.6 s)的重力勢能由制動電阻消耗，其峰值功率為-91 kW。提升過程(126～220 s)電機功率對比圖6液壓卷揚系統(tǒng)的輸入功率有大幅降低，最大提升功率為102 kW。

圖9 電機功率及相應蓄能器壓力曲線Fig.9 Motor power and corresponding accumulator pressure curve

電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)中，5～77.6 s時蓄能器回收鉆桿重力勢能，其壓力由17.5 MPa上升到29.7 MPa；卷揚浮動時(77.6～126.0 s)，由于泄漏，蓄能器壓力由29.7 MPa降低至28.9 MPa；設置排量影響因子s為0.35，使提升過程結(jié)束后即220 s壓力下降至初始壓力。在鉆桿下放過程中，電機功率基本在±13 kW范圍內(nèi)變化，較大功率持續(xù)時間不長，其與圖4速度變化是對應的。較大功率波動主要由于轉(zhuǎn)矩傳感器和液壓泵/馬達響應存在滯后，在軸上轉(zhuǎn)矩變化時不能實時改變相匹配的排量。因此，在下放減速階段(如圖4中的17.0～18.4 s、31.4～32.8 s、45.8～47.2 s、60.2～61.6 s、74.6～76.6 s)，液壓泵/馬達提供的再生轉(zhuǎn)矩不足，出現(xiàn)短暫的電機發(fā)電現(xiàn)象；加速階段(如圖4中的5.0～7.0 s、19.0～20.4 s、33.4～34.8 s、47.8～49.2 s、62.2～63.6 s)和勻速階段(主要受效率影響)，提供的再生轉(zhuǎn)矩則過大，電機工作于電動工況。鉆桿提升過程中，由于液壓泵/馬達提供的輔助轉(zhuǎn)矩，電機最大功率為70 kW。對下放過程中蓄能器功率積分得蓄能器存儲能量(減去電機輸入的能量281 kJ)為2204 kJ，則回收勢能約占可回收勢能的75.3%，總重力勢能的58.7%。

電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)的電機與液壓泵/馬達轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線如圖10所示?？梢钥闯觯簤罕?馬達的轉(zhuǎn)速np與電機轉(zhuǎn)速ne完全一致，且其轉(zhuǎn)矩控制可以較好的匹配鉆桿下放時所需扭矩以完成對重力勢能的回收；提升過程電機轉(zhuǎn)矩T1與液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)矩T2和卷揚系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩T3，并且液壓泵/馬達可以全程輔助電機完成鉆桿的提升。以上結(jié)果驗證了所提控制策略的可行性。

圖10 電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線Fig.10 Electro-hydraulic hybrid drive winch system speed and torque curve

3.4 能效分析

對液壓卷揚、電動卷揚及電液混驅(qū)卷揚系統(tǒng)的輸入功率進行積分，可得各系統(tǒng)能耗如圖11所示。液壓卷揚系統(tǒng)輸入能量以液壓泵軸上功率積分而得，電動卷揚與電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)所需能量以電機軸上功率積分而得。由數(shù)據(jù)計算得電動卷揚相較于液壓卷揚可節(jié)能41%；電液混驅(qū)卷揚相較于液壓卷揚節(jié)能約57.3%，相較于電動卷揚可節(jié)能27.5%。液壓卷揚系統(tǒng)中，平衡閥能量損失約占整個運行周期所需能量的35.5%，且浪費了鉆桿重力勢能；電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)采用高效電機驅(qū)動并對鉆桿重力勢能進行回收利用，回收利用率達43.9%，故在電動卷揚系統(tǒng)節(jié)能基礎上進一步提高了系統(tǒng)能效。

圖11 不同系統(tǒng)能耗曲線Fig.11 Different systems energy consumption curve

此外，對不同下放距離的節(jié)能效果進行對比分析。3種卷揚系統(tǒng)中，鉆桿在相同工況下分別運行12 m和32 m，能耗數(shù)據(jù)如表2所示，其中s分別為0.6和0.49。計算可得，在12 m下放距離中，電動卷揚比液壓卷揚節(jié)能35.5%；電液混驅(qū)卷揚對比電動與液壓卷揚分別節(jié)能47.4%，66.1%；在32 m下放距離中，電動卷揚比液壓卷揚節(jié)能37.4%；電液混驅(qū)卷揚對比電動與液壓卷揚分別節(jié)能38.9%，61.8%。隨著下放距離的增加，電動卷揚相較于液壓卷揚節(jié)能效果增加，電液混驅(qū)卷揚節(jié)能效果雖然呈下降趨勢，但總體能耗最低。

表2 不同距離各系統(tǒng)能耗Tab.2 Each system at different distances energy consumption

4 結(jié)論

(1) 旋挖鉆機鉆桿鉆具的重力勢能具有非常大的回收價值。通過仿真驗證了所提電液混合驅(qū)動卷揚控制策略的可行性和系統(tǒng)的節(jié)能性，系統(tǒng)能在保證操控性的同時，高效地回收利用重力勢能。

(2) 隨著鉆桿下放距離的增加，電液混合驅(qū)動卷揚系統(tǒng)節(jié)能效果逐漸降低。在全行程下放與提升中，其與液壓卷揚、電動卷揚相比，可分別節(jié)能57.3%，27.5%。

(3) 排量影響因子s是一個變量，與鉆桿下放距離密切相關，仿真研究表明選擇合適的s對電液混合驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)運行具有重要意義，在后續(xù)研究中將通過仿真計算和試驗測試等手段確定s與鉆桿下放距離的關系。