（电路与系统专业论文）液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究.pdf

摘要 论文分析了目前国内外液压凿岩机工作原理与控制技术现状，并 且总结了几类电液控制阀在液压凿岩机控制系统中的应用。为了实现 凿岩机推进系统随工作条件的变化而适时调节推进压力的功能，作者 采用液压控制的新型元件高速开关电磁阀，构造了一种基于计算 机调节控制的推进机构电液数字控制系统；同时，全面、深入地研究 了它的设计方案、工作原理和数学模型。 在分别研究了电液控制系统p i d 控制方法和模糊控制方法的基础 上，提出了一种模糊p i d 控制新策略，设计了模糊p i d 控制器，并 进行了数字仿真研究。仿真结果表明：液压凿岩机电液推进控制系统 在模糊p i d 控制器控制作用下能够很好地跟踪目标输出；模糊p i d 控 制器具有更强的鲁棒性，更快的响应特性。 采用模糊控制和p i d 控制相结合的方法，用模糊推理调整p i d 控制 器参数，可以消除电液推进控制非线性以及外力扰动的影响，提高系 统的精度。 对于具有电液控制系统的液压凿岩机械设备，采用先进实用的控 制策略能很好的完成工业控制指标，保证整台设备在智能化控制下高 效、良好的工作，实现机电液一体化的发展要求。 关键词：液压凿岩机；电液控制；推进系统；高速开关电磁阀；模糊 p i d 控制 i a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gaw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lt e c h n i q u e o fh o m ea n da b r o a dh y d r a u li cr o c kd r ill ，t h ep a p e rs u m m a r iz e s s e v e r a lk i n d so fa p p l i c a t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cv a l v et o h y d r a u l i cr o c kd r i l lc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h e f u n c t i o nt h a tr o c kd r i l lp r o p u l s i o ns y s t e mt a i la d j u s t t h e p r o p u l s i o np r e s s u r ea l o n gw i t h t h ew o r k i n gc o n d i t i o n ，t h e a u t h o ru s e san e wo r g a no fh y d r a u li cc o n t r o l - - h i g h s p e e do n o f f v a l v e ，a n dc o n s t i t u t e sap r o p u l s i o nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ec o m p u t e rr e g u l a r i n gc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h e d e s i g np r o p o s a l ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lh a s s t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l y an e ws t r a t e g y - - f u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g y h a sb e e n p r o p o s e d ，f u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dd i g i t a l s i m u l a t i o nh a sc o m p l e t e d ，b a s i n go ns e p a r a t es t u d y o fp i d c o n t r o lm e t h o da n df u z z yc o n t r o lm e t h o di ne l e c t r o h y d r a u ii c c o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e h y d r a u l i c r o c kd r i l le l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p u l s i o nc o n t r o l s y s t e mc a nt r a c kt h eg o a lo u t p u tw e l lu n d e rt h ec o n t r o lo ff u z z y p i dc o n t r o l l e r t h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sc h a r a c t e r i s t i c s o fs t r o n g e rr o b u s t n e s sa n dq u i c k e rr e s p o n s e u s i n gm e t h o d ，w h i c hu n i f i e sf u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ， a n da d j u s t i n gt h ep i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e rw i t hf u z z yr e a s o n i n g m a ye l i m i n a t en o n l i n e a r i t yo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p u l s i o n c o n t r o la n dt h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a lf o r c e ，a n de n h a n c es y s t e m p r e c l s l o n r e g a r d i n gh y d r a u l i c r o c kd r i l l i n g e q u i p m e n t w i t h e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m , u s i n ga d v a n c e da n dp r a c t i c a l c o n t r o ls t r a t e g yi sa b l et oc o m p l e t et h ei n d u s t r yc o n t r o l t a r g e tw e l l ，g u a r a n t e et h eo p e r a t i o nh i g h l ye f f e c t i v eu n d e rt h e i n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o l ，a n dr e a l i z ed e v e l o p m e n tr e q u e s to f m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n df l u i di n t e g r a t i o n k e y w o r d ：h y d r a u l i cr o c kd r i l l ：e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l ： p r o p u l s i o ns y s t e m ：h i g h s p e e do n o f fv a l v e ；f u z z yp i dc o n t r o l i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：位彩彤乃砂年月厂日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：币j 必抒日期：口夕年月，日 剖醛名磨1 嘭 嗍：习年椭7 5 ) 液压凿岩机电液推进系统设计与控制簧略研究 第一章绪论 1 1 液压凿岩机发展历程与技术现状 1 1 1 发展历程 早在1 9 2 0 年，英国人多尔曼就制成了液压凿岩机，又过了四十年， 英国人萨特利夫研制成了另一种液压凿岩机，此后不久，美国g a r d e r d e n v e r 公司根据尤布科斯专利，制造了即一型液压凿岩机，以 上几种液压凿岩机都因当时技术条件的限制，未能在实际工程中得到 应用。随着液压传动与控制技术的发展和机械加工技术的进步，1 9 7 0 年，法国m o n t a b e r t 公司首先研制成功了世界上第一台实用的液压凿 岩机，并很快投入成批生产、推广使用“”1 。随后，瑞典、德国、美 国、芬兰、日本等国陆续研制出了各种型号的液压凿岩机投放市场。 与传统的气动凿岩机相比，液压凿岩机具有能耗低、效率高、环境污 染小、操作方便、易于实现自动化等优点，它们一经生产实践就显示 了巨大的优越性和广阔的发展前景，因而引起了工程界和矿业界的高 度重视。在此后短短的3 0 年里，世界上先后出现了包括瑞典的a t l a s c o p c o 、l i n d e n - - a l i m a r k 公司，法国的m o n t a b e r 、e m i c o - - s e c o m a 公司，芬兰t a m r o c k 公司，日本的古河f u r u k a r a 矿业株式会社，美 国的g a r d e r - - d e n v e r 、i n g e r s o l - - r a n d 公司和德国的k r u p p 公司等 著名公司在内的3 0 多家液压凿岩机专业生产厂家，在世界范围内形 成了一个新兴的工业产业。目前，已有数百种液压凿岩机的系列产品 问世，+ 一些先进的产品至今已历经了几代更新“。 中职教师在职硕士学位论文 我国对液压凿岩机的研究起步并不晚，2 0 世纪6 0 年代末期开始 研制液压凿岩机，2 0 世纪7 0 年代国内一些高等院校和科研院所开始 涉足该领域。直到2 0 世纪8 0 年代，我国科研人员走技术引进和自行 、 开发相结合的道路，在突破了试验研究的许多关键技术之后，取得了 迅速的发展。1 9 8 0 年长沙矿冶研究院研制成功了我国第一台液压凿 岩机1 f 1 g 8 0 型导轨式液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制 的y y g 9 0 型液压凿岩机通过了国家有关部门组织的技术鉴定，并在湘 东钨矿获得了很好应用。到目前为止，国内已有中南大学液压机械研 究所( y y g 系列) 、沈阳风动工具厂( s t o p a 系列) 、山西长治液压件 厂( y c 系列) 、马鞍山惊天液压机械制造公司( y b 系列) 、常州现代 工程机械有限公司( d m b 系列) 和上海鑫海建筑机械有限公司( r s 雄 牌系列) 等十几家单位研制产生数十种型号的液压破碎凿岩机具。它 们在在我国的能源开发、隧道工程建设中获得了较好的应用旧。 1 1 2 技术现状 随着施工要求的不断提高和工作对象范围的不断扩大，对液压凿 岩机性能的要求也越来越高。国内外对其进行工作性能的技术研究主 要集中在以下几点： 1 智能冲击技术 法国的m o n t a b e r t 公司对此项技术进行了研究，并推出了相关产 品b r v 3 2 和b r v 5 2 ，可根据破碎介质阻力的大小自动调节冲击能及频 率。 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 2 水下冲击技术 在海洋矿产资源开发、河道清理等工程中，这项技术尤为重要。 芬兰r a m m e r 公司最近开发了此类产品，它不仅拥有防锈的镀硬铬活 塞，而且还具备性能良好的活塞运动密封装置口3 3 粉尘及噪音控制技术 k r u p p 公司对此进行了深入的研究，在其产品中都安装了阻声材 料，使其噪音的控制符合现代城市的要求；对于粉尘的控制，r a m m e r 公司在其产品上安装了高压水泵和雾化喷头，大大降低了液压凿岩设 备工作时产生的粉尘，有利于操作者的健康拈1 。 4 电液控制技术 。 瑞典a t l a s - - c o p c o 公司的凿岩钻车和凿岩机的液压控制系统普 遍采用电液控制阀，通过p l c 或微机发出信号控制电液控制阀，从而 进一步控制设备各执行机构的工作。如智能钻孔定位和凿岩机输出工 作参数的自动控制等凹1 。 1 1 3 发展趋势 目前，液压凿岩机已经从当初结构复杂、功能单一发展到现在多 品种多功能系列产品，具体体现在以下几个的新发展趋势。 1 产品更新换代周期短，新产品不断涌现。 瑞典a t l a s - - - c o p c o 公司推出了c o p l 8 3 8 、c o p l 4 4 0 系列液压凿岩 机取代了c o p l 2 3 8 系列机型；国内中南工业大学先后研制了y y g 9 0 、 y y g 9 0 a 、y y g 9 0 b 、y y g l 4 5 等系列液压凿岩机； 中职教师在职硕士学位论文 2 产品性能向大冲击能、高频率、大扭矩方向发展。 瑞典a t l a s l o p c o 公司的c o p l 2 3 8 h f 型液压凿岩机冲击频率可达 1 0 0 1 0 5 h z ，冲击能达4 4 0 j ，扭矩为5 0 0 7 0 0 n m ；中南工业大学研 制的y y g l 4 5 型多档液压凿岩机输出最大冲击能也达到3 3 0 j ，冲击频 率达5 5 h z ，扭矩为4 5 0 n m 3 产品结构设计和钎具质量不断改进，钻凿破碎经济性和精确性 大幅提高。 瑞典a t l a s - - c o p c o 公司的c o p l 8 3 8 液压凿岩机的钻孔速度比 c o p l 2 3 8 型提高8 0 ，钎具寿命延长8 0 ； 4 采用智能化控制。 这里指凿岩破碎过程的计算机化，它包括两个方面：一是采用电 液控制技术，对液压凿岩机的工作参数进行控制，使其可根据工作对 象的不同物理性质自动的无级调节活塞行程，从而改变其输出的冲击 能和冲击频率，以保证在最佳工况下工作；二是对液压钻车钻臂定位 系统进行控制，使其能迅速而准确可靠的移动到指定的位置。 5 液压凿岩机性能参数测试测控的计算机化，以计算机为核心， 采用各种可视化软件( v b 、v c 等) ，实现测试技术与手段的虚拟化“” l a 1 2 液压凿岩机工作原理 众所周知，液压凿岩机的基本内核是液压冲击器，其主要由缸体、 冲击活塞、控制阀和蓄能器几个基本部件组成，利用活塞前后腔压差 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 的作用，使活塞高速往复运动，冲击工作对象对外做功。在不同的工 作状况下( 如岩石、路面等的机械物理性质不同) ，为了获得最优的 工作效率，要求液压凿岩机能够适时的调节其工作参数( 冲击能、冲 击频率等) 。因此，使液压冲击器如何适应工作条件的变化而改变其 输出参数，提高生产效率及降低能耗成为各国学者的研究重点。 根据控制方法和设计理念的不同，液压凿岩机系统可分为行程反 馈和压力反馈两种工作原理“”。 1 2 1 行程反馈原理 如图卜1 所示，它实际上是一种具有行程反馈的阀控油缸系统， 液压冲击器工作时，配流阀从缸壁反馈信号孔获得液控油推动滑阀换 向，以实现油路切换，活塞则随供油规律的改变作有节奏的冲程、回 程变速运动。具体地说，阀芯的运动是通过活塞在缸体内行程反馈信 号来控制的，从而实现了配流阀控活塞系统中阀与活塞的互动控制。 目前，国内外液压冲击机械所采用的配流阀主要有柱阀、筒阀和锥阀 三类种型式，其中以三通阀和四通阀居多。如图i - i 所示的新型液压 冲击器配流阀采用锥阀口型式，密封运用锥面密封和柱面密封相结 合。 中职教师在职硕士学位论文 1 2 2 压力反馈原理 图1 - 1 行程反馈工作原理图 图卜2 压力反馈工作原理 如图卜2 ，换向阀芯的初始位置是在换向阀弹簧力作用下处于左位， 此时高压油同时进入活塞的前后腔：由于活塞前腔有效作用面积大于 后腔有效作用面积，活塞在前后腔压差作用下，向右运动，高压蓄能器 充油，系统工作压力升高，当系统压力升高到高于先导阀控制压力( 该 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 压力由控制油路的油压p 。决定) 时，先导阀打开，高压油通过换向阀中 心阻尼孔，经先导阀口流回油箱，此时由于高压油经过换向阀中心阻 尼孔，使换向阀芯两端产生压差，而换向阀芯两端有效作用面积相等， 当压差产生的向右的作用力大于换向阀的弹簧力时，换向阀换向，使 换向阀芯处于右位，冲击器转入冲程。， 换向阀换向处于右位后，活塞前腔与油箱连通，活塞在后腔高压油 和高压蓄能器排油的作用下，向左加速运动进行冲程，前腔压力油一 部分通过机体内的通道流入储油腔，一部分流回油箱，冲程加速后阶 段，系统压力降低，高压蓄能器排出大量的油补充到后腔，先导阀关 闭，在换向阀弹簧力的作用下，换向阀复位，冲程结束。系统又处于如 图l 所示状态，液压泵继续供油，重新开始下一循环回程运动。 1 3 液压凿岩机推进机构种类 推进器是架持凿岩机并在凿岩过程中向凿岩机施以一定的推进力 的进给机构。推进器的种类虽多，仅按其推进机构的工作原理可分为： 螺旋式推进器、链式推进器、液压缸一钢丝绳( 链条) 式推进器等几种。 1 螺旋式推进器 采用液压马达驱动丝杠旋转，带动装在凿岩机托盘下面的螺 母作直线远动从而推动凿岩机向前推进或后退。 2 链式推进器 链式推进器是依靠液压马达通过蜗杆一蜗轮机构驱动装在推 进器滑轨中间的封闭传动链。凿岩机的托盘与传动链固定在一 中职教师在职硕士学位论文 起，当链条正反方向运动时便带动托盘前后移动。 3 液压缸式推进器 利用推进液压缸的活塞往复运动来推动凿岩机。由于活塞的 运动行程有限，常采用钢纶绳( 或链条) 增倍机构。液压缸推进器 一般装有中间托钎器以适应长钎杆钻深孔。中间托钎器减少了长 钎杆在钻进过程中因推力过大而产生的弯曲；这样，既提高了钎 扦的寿命又可保证钻孔的质量。 1 4 电液控制阀及技术在凿岩机控制系统中的应用 一个设计合理的液压控制系统必须使液压凿岩机协调系统的完成 冲击、回转、推进等工作机能，同时又赋予其安全保证功能( 如自动 防卡、自动停推等控制功能) 。随着液压凿岩机的迅速发展，其液压 系统也不断得到优化，各种型式及性能的电液控制阀及相应的控制技 术逐步应用于液压冲击破碎系统中。 要实现液压凿岩机系统的自动控制，从简化系统结构的角度考虑， 冲击系统压力应该在数字信号控制下无级变化输出；同时，推进系统 压力和转钎流量也必须能在数字信号控制下无级变化输出。电液伺服 阀控制、电液比例阀控制和高速开关电磁阀控制均能实现对这些量的 无级变化输出。 电液伺服阀是一种高精度的控制阀，能达到很高的控制精度，但 对油液的清洁度要求高，因此，它一般只用于精度要求很高的场合， 如数控机床的液压控制系统等。对于类似冲击凿岩等工况恶劣、精度 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 要求不高的场合，一般不用电液伺服阀，除它本身价格昂贵外，会使 液压系统的过滤装置成本成倍增加，并且可靠性低。 电液比例阀的控制精度能满足一般工业控制要求，其对油液的清 洁度要求与一般液压元件相同，价格也较电液伺服阀便宜，目前国产 电液比例阀的性能已完全能满足实际工程需要，但控制电路较复杂。 高速开关电磁阀是近年来美国、德国和日本等国研究开发的一种 新型数字阀，它利用方波信号的变化频率和调制率大小来控制阀的开 关频率和开关时间比，由此实现对液压系统压力或流量的比例控制。 它控制方式简单，直接与计算机接口( 无须a d 转换) ，通过计算机 输出方波信号给放大器就能直接驱动，价格便宜，该阀对油液清洁要 求不高，抗污染能力强，因此，是一种很有前途的电液控制阀。 目前，国内学者开始在液压凿岩机系统应用高速开关电磁阀，取 得了一定的成果，但未见广泛使用的报道。 1 4 本课题的选题意义及研究内容 液压凿岩机是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型工程机械，目 前在冶金矿山、能源交通、市政工程中得到广泛的运用。液压凿岩机 和承载机具的匹配是其良好工作的前提，随着机电液一体化技术的普 遍应用，根据不同的工况，如何有效的控制这类设备，对提高设备的 生产力和降低能耗具有重要意义。 本课题将在以下几个方面展开研究： 1 分析液压凿岩机基本工作原理和控制方法： 中职教师在职硕士学位论文 用； 2 综合比较几种典型的电液控制阀及其在凿岩机控制系统的应 3 液压凿岩机电液推进控制系统设计原理与整体方案； 4 构建液压凿岩机推进系统数学模型； 5 提出了一种实用的液压凿岩机推进系统控制策略及方法。 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 第二章凿岩机电液推进系统设计原理 2 1 高速开关电磁阀技术原理及应用 2 1 1 液压脉冲宽度调制( p w m ) 的研究 脉冲宽度调制的概念来自于通信工程中的信号处理技术，电波信 号的发送和接收采用调制解调技术，而脉宽调制是电波调制的重要手 段之一。后来在电机的无级变速控制中pw m 技术得到了成功的应用 和迅速发展。脉冲宽度调制( p w m ) 信号是具有恒功率、恒幅值及不同 通断时间比例的方波信号。脉冲周期内的脉宽时间与脉冲周期的比值 称之为脉宽占空比( 也称调制率) 。 在液压控制系统领域，最早引入p w m 技术的是美国l o g nh o p k i n s 大学的应用物理实验室，19 5 9 年出现了第一个液压pw m 控制的开 关电液伺服系统。1 9 7 0 年t a f t 等人发现了pw m 控制对伺服阀的静 特性具有线性改良作用，这促使了人们后来应用p w m 技术于伺服阀实 现了比例流量控制。在电液伺服系统pw m 控制发展的同时，电磁开 关阀也得到了迅速发展，人们开始考虑用廉价的高速开关电磁阀代替 昂贵的伺服阀进行p w m 控制，从而实现对执行机构的反馈控制。 g o l d s t e i n ( 1 9 6 8 年) 、h e s s ( 1 9 7 2 年) 、m a n s f i e l d ( 1 9 8 1 年) 、 p a r k e r ( 1 9 8 1 年) 等人的研究开发，获得了一些有关电液开关pw m 控制的研究成果。近年来，由高速开关电磁阀构成的各种电液p w m 数 字压力、流量、位置及速度控制系统有了较大的发展。如液压泵排量 的p w m 控制、汽车主动悬架的p w m 控制、液压缸位置的p w m 最优控制、 中职教师在职硕士学位论文 开关定压网络油马达的p w m 控制以及内燃机全电子燃油喷射系统的 p w m 控制等n 5 1 ”。 在机电液体化的应用和发展中，电液控制阀及其数字控制技术 起着越来越重要的作用。电液控制阀大体可分为电液伺服阀、电液比 例阀和高速开关电磁阀三类，其中高速开关阀由于具有极高的响应速 度、结构紧凑、重复性好、工作耐久可靠、抗污染能力强以及价格便 宜等诸多优点，因而引起了人们的关注。1 9 9 0 年初，我国贵州红林机 械集团公司与美国b k i v i 公司联合，成功研制了工作频率可达2 0 0 h z 的 h s v 系列高速开关电磁阀。随着高速开关电磁阀的出现，各种基于高 速开关阀的电液控制系统也曰益成为人们研究的热点。在液压p w m 控 制系统中，由计算机输出p w m 信号经过放大器直接控制高速开关阀， 通过改变阀的开启和关闭时间，实现对液压系统流量和压力的控制。 这种液压控制系统要求高速开关阀具有极高的响应速度和良好的可 靠性，而目前工程中常用的液压阀均不能满足上述要求。 液压脉冲宽度控制所用的阀类元件及电气回路比其它控制方式简 单，而且与计算机( 单片机) 的适应性较好。基于高速开关阀的液压控 制系统，运用脉冲宽度调制的( p w m ) 技术，实现微机电液数字控制。 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术是电脉冲调制的方法之一，它可 对应于输入信号，对具有固定周期的电脉冲信号进行脉冲宽度调制， 故称之为脉宽调制。调制信号可以由微机( 或单片机) 产生，也可由振 荡电路产生。由高速开关阀构成的液压控制系统，与伺服阀及比例阀 的连续控制方式不同，而采用脉冲流量控制方式。阀直接根据一系列 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 脉冲电信号进行开关动作，在出口输出一系列相应的脉冲流，这一系 列脉冲的时间平均被视为控制流量。其工作原理如图2 1 所示： r ( t ) 0 v ( t ) o q ( t 图2 - 1 液压p i 6 1 控制原理 图1 ( a ) 的r ( t ) 为计算机产生控制信号( 由程序指令产生) ，将该信 号与载波信号z ( t ) 进行比较，如果在某时亥u r ( t ) 的值大于载波信号 z ( t ) 的值，则使阀开启，否则使阀关闭。从而得到如图1 ( b ) 中所示的 一系列控制指令，将这一系列控制指令施加到高速开关阀的电磁铁线 圈上，于是在一个循环时间t 。内，有t 。的时间阀通路打开，有流量q 通过，有t 。的时间阀关闭无流量通过。其中时间t 。与t 。之比，脉冲宽 度调制率( 也称占空比) ，记为d = t 。t 。由于高速开关阀工作时的 载波周期t 。非常小( 常取l = o 0 1 o 1 5 s ) 。因此，可用平均流量q 来表示这一时间内的阀的输出流量，表示为： q = q 4 。愕一 式中：q 一通过高速开关阀的平均流量；c r 流量系数；a t _ 阀最大 开口面积；p 一油液的压差；卜脉冲宽度信号( p w m ) 调制率；p 一 中职教师在职硕士学位论文 油液的密度 2 1 2 高速开关电磁阀p w m 技术的应用 在液压控制系统中，常常需要对液压泵或液压缸等元件进行调节， 来满足工程实际应用的要求，传统的调节方式是人工操作的，如手动 变量泵的手动调节方式等。随着电液控制技术的发展，大量数字液压 元件和电子元件的广泛运用，使得电液控制系统实现数字化控制极为 方便。如前所述，高速开关电磁阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的新型数 字阀，国内外学者对高速开关阀及由其构成的电液控制系统进行了深 入的研究，取得了令人鼓舞的成果。 1 液压泵输出控制 液压泵的变量调节机构常常采用机械式或纯液压式结构，一般情 况下，能够按照系统的要求控制液压泵的流量和压力，但也存在一些 固有的局限性： 1 ) 对于工程机械和机床设备的液压系统，采用微计算机控制日益 广泛，这些控制器要求电信号和液压系统之间的信号转换接口，而纯 液压或机械式调节机构很难适应这种要求。 2 ) 如果负载需要液压泵输出的流量和压力变化比较大，采用纯液 压或机械式调节机构将会使液压泵的结构复杂化，而且往往达不到最 佳控制效果。 3 ) 液压泵的液压或机械调节机构在泵控制特性、适应性、可靠性 以及产品质量等方面很难达到最佳。 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 4 ) 机械或纯液压调节机构使液压泵的远程控制不但价格昂贵、结 构笨重，而且控制特性存在严重的容积滞后，严重时可能造成系统不 稳定。 由于这些局限性，在计算机技术和电子器件日益广泛应用的今天， 人们不断地致力于液压泵电液控制技术的研究，以求避免上述缺点。 在恒压变量泵系统中，当负载压力与恒压泵调整压力之比愈小时， 恒压泵系统效率愈低，如能根据在系统工作过程中不同的负载要求， 设计成负载压力和流量有多级，而又在系统工作过程中能自动转换 或进行远距离调整的恒压变量泵，将使恒压变量泵能适用于更复杂 的系统和达到最佳的节能效果，可实现恒压变量泵输出工作参数的 无级控制。针对当前电液控制领域的研究热点，清华大学刘忠后博 士提出了一种基于高速开关电磁阀控制的新型变量伺服机构，通过 计算机采用脉冲宽度调制( p w m ) 技术和相关控制策略，实现了恒压 变量泵与负载系统耦合时，泵的输出工作参数无级调节控制。新型 变量伺服机构电液控制原理如图2 2 所示。 制系统 1 溢流阀2 恒压泵体3 ，变量缸4 恒压控制阀5 压力传感器6 减压阀7 高速开关电磁阀8 压力传感器 图2 - 2 电液控制的变量伺服机构 在变量伺服机构中，以高速开关电磁阀作为先导控制阀，压力传感器 中职教师在职硕士学位论文 5 、8 采样得到的压力信号通过多功能数据采集卡( 带a d 、d a 和i o 控制通道) 传输给计算机，计算机( 或单片机) 经过比较计算产生的 p w m 控制信号又经多功能数据采集卡的i o 控制通道通过放大器作用 于高速开关电磁阀，其输出压力控制信号直接作用于恒压变量泵的恒 压控制阀4 ，因此，可根据高速开关电磁阀输出先导压力的不同来达 到控制恒压变量泵输出压力的目的。由于高速开关电磁阀压力控制回 路具有比例控制的功能，通过简单的电液控制系统就能实现其压力的 比例控制，并且高速开关电磁阀本身具有数模( d a ) 转换的功能，应 用它作为接口元件，计算机可以直接控制恒压变量泵的输出压力，实 现泵输出压力的无级变化调节来满足负载不同工况的要求“。 此外，在国内，上海工业大学黄谊教授针对一台c y l 4 - 1 8 型双柱 塞泵用高速开关阀位置控制系统进行排量控制，通过仿真分析和实验 研究，得到了较好的控制效果；稳态误差为o 2 5 ，调整时间为0 7 5 s 。 广西大学的周显文老师也对高速开关阀作为先导阀的位置控制液压 泵液压马达变量机构进行了研究，并得出结论：由高速开关阀作先 导阀与逻辑锥阀配合构成的系统可实现大流量的比例控制。 2 汽车防抱制动( a b s ) 控制 f 在汽车防抱制动装置中( 简称a b s ) ，液压调节器主要由个二位 三通高速开关电磁阀、油泵、电机、单向阀和蓄油箱组成。其工作原 理如图2 3 所示。 液压凿岩机电渡推进系统设计与控制策略研究 一 l 【 也掣二二 一岳 弋 l 雷滴辑2 捆泵3 电机4 单向祸5 ，安全蠲6 踏板7 主缸8 高速开关电磁阕 9 电子控制器1 0 轮速传感器1 1 制动盘1 2 制动缸1 3 车轮1 4 地面 图2 3 汽车防抱制动装置工作原理 当常规制动( 即a b s 未工作) 时，电控制器没有信号发出，高速电磁 开关阀线圈无电流而阀芯不动，车轮制动靠的是人踩踏板，并通过主 缸使制动缸中的油压增加而获得较大的制动力来实现。然而此种情况 下，极会因为施加的制动力过大，使车轮被抱死而导致汽车失去操纵 性、方向稳定性和发生各种危险运动状况。当a b s 投入工作时、电子 控制器会根据轮速传感器检测到的车轮转速，迅速计算出车轮速度和 滑移率，并发出相应的指令信号去控制三通高速电磁开关阀的通断， 使得制动缸快速地与蓄油箱和主缸交替相通，改变制动缸油压力而达 以调节车轮制动力、防止车轮被抱死的目的。例如，当车轮即将被抱 死时，电子控制器迅即发出指令信号，使高速电磁开关阀快速动作， 切断制动缸与主缸的油路而使制动缸与蓄油箱直接联通，因而迅速降 低了制动缸中油压力后减小车轮制动力，避免了车轮被抱死。与此同 时，油泵也迅速启动，将制动缸排至蓄油箱的液压油再输送到主缸中， 为下一次常规制动做好了准备。随后，系统进入常规制动状态“”。 关于液压p w m 技术的应用在国内还刚刚起步，除了上述应用研究 中职教师在职硕士学位论文 之外，还有许多方面需要进行深入的研究，如应用基于高速开关阀控 制的汽车主动悬架系统，通过计算机控制高速开关阀的输出油压，由 此控制油气缸内的油压以控制车体的振动、应用高速开关电磁阀控制 非对称液压缸力伺服系统的研究、pw m 在液压系统位置控制中的应 用和应用高速开关电磁阀p w m 技术，实现柴油机电控燃油喷射的定 时、定量控制等。 2 2 液压凿岩机电液控制整体方案 液压凿岩机冲击系统所用压力油直接由液压泵提供，若忽略管路 及阀口压力损失，冲击系统的工作压力即为液压泵的输出压力，用 尼表示。液压凿岩机是通过冲击系统压力的变化来实现冲击能和冲击 频率的调节控制的。作为液压泵的负载，设备的工作压力流量特 性可描述为：乃- k ，q 2 。式中，尼为活塞行程系数( 即档位系数) ， 在工作过程中，它取决于系统工作压力即冲击压力忍p 为冲击系统 的工作流量即冲击流量。根据有关理论和实践，液压凿岩机冲击系统 采用恒压变量泵作为冲击液压能源是最合理的选择。为适应不同的工 况，设备的冲击压力及冲击流量需要相应调节，一般的恒压变量泵由 于本身结构的缺陷，只能通过人工手动调节其变量机构才能达到改变 输出压力之目的，因此不能实现冲击压力及流量的无级自动调节。为 了解决这个矛盾，作者设计了一种新型变量伺服机构，通过在液压控 制系统中引进高速开关电磁阀，采用计算机控制，产生的输出压力信 号直接作用于恒压变量泵的调压弹簧，根据高速开关电磁阀输出压力 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 的不同来达到控制恒压变量泵输出压力的目的，从而实现设备冲击能 及冲击频率等工作参数的无级调节。 液压凿岩机推进系统的压力油也取自恒压变量泵，由于推进系统 工作压力小于冲击系统工作压力，所以在压力油进入推进油缸之前， 必须进行减压，因此，需在推进回路中设置减压阀；同时，结合凿岩 机工作原理，液压冲击凿岩破碎要求推进力无级变化及推进流量很小 的特点，采用两个两位三通高速开关电磁阀共同构成推进控制回路， 实现推进系统压力的无级调节控制和推进开关及换向控制。 在凿岩破碎过程中，转钎压力是不定的，转钎流量则宜根据冲击 状态及岩石性质而改变，以使冲击和转钎达到合理匹配。对于一般的 凿岩系统，为简化结构，采用手动变量柱塞泵作为转钎泵，只要将泵 的输出流量调定为转钎马达正常工作所需流量，即可保证在任何冲击 状态下均无溢流损失。由于转钎压力较低，也可采用齿轮泵作转钎泵， 但必须设置一节流阀调节其流量，以满足凿岩过程对转钎速度的要 求，但有能量损失，从价格因素考虑，选用齿轮泵作转钎泵，可作为 一种选择方案( 用于一些简单的液压冲击凿岩系统) 。对于计算机控 制的液压冲击凿岩系统，选用比例变流量泵作为转钎泵较为合理，采 用电磁比例变量方式，计算机通过直接控制泵本身带的电磁比例阀输 入电流来控制泵的输出流量，实现在任何凿岩状态下无溢流能量损 失，转钎换向只须由一个电液换向阀完成。 因此，可设计一种液压凿岩机冲击凿岩控制系统方法如图2 - 4 所 不： 中职教师在职硕士学位论文 1 定重泵2 溢搋嘲3 电顺捩向罔4 调逯围5 转钎马达6 推进 暖压缸7 波动换向阀 8 先导j 碍9 ，1 0 ，1 1 高速开关电磁阁1 2 恒压变量泵1 3 减压阀1 4 电液换向阀 1 5 液压冲击器1 6 滤油嚣1 7 冷却器1 8 溢流阀 图2 - 4 液压凿岩机控制系统原理 系统工作原理： 1 泵的启动 图2 4 ，所有控制阀处于图示位置，启动泵的驱动电机。此时冲 击系统通过电液换向阀1 4 的右位卸荷，转钎系统通过电液换向阀3 的中位卸荷，而推进系统此时无压力油进入。 2 冲击、推进工作原理 d t 。通电，电液换向阀1 4 处于左位，接通冲击油路；高速开关电 磁阀9 、1 0 、1 1 通电处于脉冲宽度调制( p w m ) 状态。高速开关电磁 阀1 l 输出控制压力作用于恒压变量泵的变量机构，使泵输出所需的 调定压力，当泵( 冲击泵) 的最大输出流量q 大于液压冲击机械在 冲击系统压力为阀1 1 调定压力下要求的冲击流量q 时，实际冲击系 统压力p 。等于阀1 1 的调定压力，而冲击流量q 取决于冲击系统压力 p d 。 2 0 涟压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 。由于在选择泵时保证了泵的最大输出流量大于液压凿岩机额定工 作压力下的冲击流量，因此，在菲过载设备运转条件下，凿岩破碎冲 击系统压力与流量取决于阀1 1 的控制压力，即取决于计算机施加于 高速开关电磁阀l l 的脉宽调制率。根据液压凿岩机变行程调节机构 工作原理，当被破碎物体的物理性质不同时，为获得最优的凿岩破碎 效果，要求设备能适时的输出最佳工作参数与之匹配，通过调节高速 开关电磁阀l l 的调制率，使其先导控制恒压变量泵的输出压力来满 足设备所具有的变频调能的工作机能。 同时，控制推进液压缸的高速开关电磁阀9 、1 0 也处于脉宽调制 状态，进行凿岩冲击破碎时，阀1 0 通电全开( 此时调制率为1 0 0 ， 实际工作时调制率为8 5 阀已处于全开启状态) ，无级调节施加于阀9 上的调制率，即可无级调节阀9 的输出压力，也即进入推进缸的工作 压力，从而无级控制推进系统施加于物体的推进力。阀9 、阀1 0 分 别单独通电处于脉宽调制状态，可实现驱动液压凿岩机推进机构工作 的推进液压缸正反肉运动，即设备推进与返回运动，当阀9 、阀l o 都不通电时，停止液压凿岩机推进。 3 转钎工作原理 如图2 4 ，d t 。和d t z 全断电和单独通电，即可实现转钎的开关和 换向，调节调速阀4 即可调节转钎流量，实现转钎速度的无级调节输 出。 4 防卡钎工作原理 当液压凿岩机进行凿岩破碎工作时，转钎压力低于先导阀8 有调 中职教师在职硕士学位论文 定压力，液动换向阀7 在弹簧力的作用下处于“右位”。如果发生卡 钎，则转钎压力升高，当升高到超过该先导阀7 的调定压力时，先导 阀内有油液流动，使换向阀左右两端产生压差，这种压差作用在该阀 阀芯右端，克服弹簧力使阀芯换向，处于“左位”。这时，推进压力 油进入推进液压缸6 有杆腔，带动冲击器退回，因此，这种控制方案 还具有自动消除卡钎的能力脚2 ”。 2 3 液压凿岩机推进机构电液控制原理、 2 3 1 推进系统静态研究 由冲击凿岩原理可知，为了取得较高的凿入效率，钎头必须与工 作介质( 如岩石) 良好接触。因此，必须对液压凿岩机施加推进力。 如液压凿岩机钻孔时，若推进力过大，就会压迫钎杆使它转动困难， 这样既增加了回转阻力又使钎头磨损过快；推进力过小，则钎头不能 很好的与介质表面接触，这时，入射波达到钎头时就不能有效地将冲 击能量传递给岩石，使凿岩破碎效率降低。推进力不足的另一缺点使 机体后退，导致活塞冲程减小，冲击能降低。液压冲击器工作时，活 塞、机体和钎具都在运动，为使出液压凿岩机处于最佳的工作状态， 对于施加于其上的推进力必须满足如下条件： 1 要使液压凿岩机钎头与工作介质表面始终良好接触。 2 要保证在活塞冲程阶段液压冲击器机体不发生后退。 这样，不仅能保证冲击能量的高效率传递和通过钎具寿命，同时 也克服了由于机体后退引起的冲击能下降。从而保证了液压凿岩机冲 液压凿岩机电液推进系统设计与控制策略研究 击功率的充分发挥和进一步提高凿岩破碎效率。根据上述分析，应用 动量定理可得推进力计算公式如下： f l - 毛厮屿4 - f - ( 2 - 2 ) 式中：卜推进系统施加于液压凿岩机的推进力， 卜冲击频率，舷 口抽象设计变量 脚r _ 一活塞质量，k g 卜冲击能， 卜机体在导轨上运动时的摩擦力， 砖一凿岩机机体自重分力， 上述公式计算出的推进力，只与凿岩机的性能参数有关，而没有 考虑到所破碎岩石的性质，这种只与凿岩机额定参数有关的推进力称 作凿岩机的额定推进力。 实践表明，对于整个凿岩破碎系统而言，推进力不仅与凿岩机的 主要性能参数有关，而且还与工作介质( 如岩石) 的性质有关。在工 程实践中，冲击器与工作介质的每一次耦合都存在一个合适的推进 力，在此推进力作用下每单位能量所钻凿破碎的岩石，比功耗最小且 钻凿速度最高，笔者把这时的推进力称为最优推进力。其计算公式可 表示如下： z = ( 等+ 1 ) 厮+ 乃+ ) ( 2 - 3 ) 式中： a 岩石普氏系数；e l 一最优推进力， 中职教师在职硕士学位论文 以b x c 3 5 0 型液压凿岩机为例，设要破碎的岩石普氏系数九= 1 6 ， 设备自重仁1 4 5 k g ，冲击活塞m = 6 7 k g ，抽象设计变量q = 0 3 5 2 ，冲 击压力为1 5 m p a 时的冲击能e = 2 0 5 j 和冲击频率f = 5 0 h z ，导轨倾角中 = 5 0 0 。由( 2 ) 式可求得其最优推进力为f t * = 9 0 0 6 n 。 在液压缸钢丝绳滑轮机构的推进器中，液压缸的作用力为液 压凿岩机推进力的2 倍，即f t = 2 f , = 1 8 0 1 2 n 。同理可求得凿岩机不同 工况下的液压缸的作用力，从而可由下式确定推进液压缸的工作压 力： 4 f n 2 茄 ( 2 - 4 ) 2 3 2 推进机构电液控制原理 液压凿岩机由于自身重量大、功率强、效率高以及有高压油管等 特点，不宜手持作业，一般把它安装在液压钻车的钻臂或液压挖掘机 的大臂上进行机械化作业。设备工作时，需要一定的推进力施加到物 体上，使其获