堆取料机液压系统上变排量容积控制方式的应用

王永润

（广州市轻工高级技工学校，广州 510000）

引言

堆取料机原液压系统可靠性、稳定性等工作性能存在一定缺陷，为了满足现代生产要求，需要对原系统进行全面改造。将变排量容积控制方式应用在堆取料机液压系统上，能够显著提升其节能环保性能、运行性能和控制特性，再通过优化设计和仿真实验，证明了这一设计能够全面提升堆取料机液压系统运行的稳定性、可靠性以及可控性。

1 悬臂回转和斗轮旋转液压驱动

1.1 悬臂和斗轮工作特点

在堆取料机实际工作运行过程中，主要通过斗轮旋转和悬臂回转实现取料作业。斗轮旋转的转速是恒定的，而取料流量直接取决于悬臂实际回转速度。通常情况下，为了保障取料作业的安全性和生产效率，需要保证取料流量维持在恒定状态。但是，实际作业中堆料形状不一，斗轮实际切入点不确定，且需防止闷斗、过载等情况发生，需要频繁调整悬臂实际回转速度，还要对斗轮驱动进行严格要求，以免发生闷斗或者过载问题。在多台取料机处于同时作业情况下，悬臂必须具备良好的刹车功能以防止发生碰撞。而液压马达作为斗轮和悬臂的执行元件，对其控制需要具备良好的低速平稳性。操作手柄具有良好的可控性，限制斗轮的实际扭矩，保障悬臂回转相应速度具有灵活可调性。此外，悬臂回转的刹车也要具有良好的控制性能。

1.2 原系统存在的问题

斗轮悬臂式堆取料机是散料堆取和输送的重要设备。实际应用中，通常是多台设备共同作业，且物料品种和物料量通常较大，不同物料之间粒度具有较大差异性。因此，驱动装置相应负荷也会在作业中发生较大变化，这要求液压元件具有非常高的耐冲击性能。堆取料机原来的液压系统设计上缺乏足够的合理性，变量方式较为老旧，结构基本上都是早期研发元件，具有陈旧性，且结构较为复杂，性能参数和可靠性较低，备件的组织也具有较大难度。相应设备在实际作业中故障率非常高，需要花费大量精力对其进行维护。多台设备同时作业期间，经常出现控制系统失灵、转臂和斗轮速度不稳、启动转速慢或者由于转矩过小发生闷斗等情况。基于此，有必要对原来的液压系统实现改造，以提升系统可控性、稳定性以及可靠性。

2 变排量容积控制液压系统

2.1 系统原理

基于合理性设计和节能设计，闭式回路的变排量容积控制液压系统是新系统设计的首选。为了达到驱动特性要求，系统应选择变量泵-定量马达方案，也就是在压力的最大给定条件下，确保马达驳斥恒定扭矩输出，且和转速不发生联系。马达的实际转向和转速取决于变量泵，马达自身最大转速取决于泵的实际排量。同时，要确保双向变量泵组成的相应闭式回路包括的功能有：能够伺服变量油源，并能够对液压泵其单向或者双向变量实现控制，能够全面对液压马达转向要求和变速要求实现控制和满足；为了保障吸油压力保持稳定，需要其具备向二边管道补油的功能；需要具备压力补偿功能和双向高压超载溢流保护功能，以免出现闭路回路过载或者高载；设置油冷却循环阀和相应的背压阀，以保持闭式回路可以长期稳定运行；要设置稳定并尽量小的相应零位死区，确保油泵在零位的时候保持流量的最小输出，确保液压马达处于停转状态，并同时最大程度地缩小液压泵损失功率[1]。基于此，设计的堆取料机悬臂和斗轮的液压系统原理图如图1所示。

图1 堆取料机悬臂和斗轮液压系统原理图

2.2 系统设计

设计的堆取料机相应输送能力为5000t/h，斗轮转速为10r/min，最大扭矩为7.45N·m，悬臂角速度范围为0～0.00425rad/s，最大扭矩为3346kN·m，液压马达相应排量为Vm=300mL/r。

结合设计中选择泵组的实际要求，将系统的补油压力设置为2.8MPa。基于此，液压马达达到最大驱动扭矩时，系统的压力为：

结合泵的最大输出流量、斗轮回路以及悬臂回路需求，选择德国生产的电液比例伺服控制双向变量柱塞泵[2]。

在低压全流量的时候，在斗轮回路恒功率控制参数和恒功率起始点当中，泵进出口实际压差为9.64MPa，恒功率的终止点相应泵压差是10.47MPa，此时泵排量是258mL/r。

虽然闭式液压系统回路具有非常高的工作效率，且噪声相对较低，但是依旧需要对其散热问题加以解决。结合系统发热功率，系统设计当中利用更油和补油回路来交换系统当中的热油，并利用风冷却器20来冷却油箱中的油液。

3 性能与特点

3.1 动力稳定性

新设计的系统主要借助压力补偿装置保护超载，也就是通过压力补偿阀促使泵排量尽量减少，并以此实现对系统的限压保护，以防止高压溢流出现，有效降低系统发热。这样的设计使系统即便处于恶劣工况条件下，也能保持长期且稳定的运转，满足了设备在取料过程中负荷发生较大变化的实际工况需求。

3.2 速度平稳性

悬臂运动中，在速度保持持续变化的时候，基于可控性要求，需要其具有制动性能和加速性能。开式系统中，平衡阀对回油侧相应高压容腔实现锁定。因为容腔相对较小，此时可以轻易建立压力，油箱和马达的吸油油路保持相互连通，同时配置了补油系统，所以不会有强烈的吸空现象和压力振荡发生[3]。但是，在闭式回路中，马达至泵之间相应管道包含在高压侧容腔内。由于压力而出现的容积具有较大变化，此时马达会存在出现短时失速的可能性，进而导致出现强烈的吸空现象和压力振荡。

在新设计的系统当中，因为主泵相应伺服变量执行器属于叶片腔组成的较为特殊的伺服变量机构，控制功能具有高度可靠性，能够瞬时快速地输入指令。此外，控制阀流出的多余流量会直接流入补油通道中，使泵处于控制状态时避免发生补油瞬时失压问题。同时，在高压和低转速时，因为马达壳体其泄油口和泵处于连接状态，所以只要没有充足的补油流量，壳体实际泄漏直接当做补油来使用。上述内容将有效保障系统具有速度平稳性。

3.3 比例变量控制技术

在堆取料机液压系统中，利用比例变量控制技术能够有效借助其强大的抗干扰性和高精度控制能力，具有受控方式较为灵活且重复性较好的特点，全面消除转臂速度存在的不稳定操控，实现对转臂速度的无级控制。

4 仿真分析

在闭式液压系统设计中，为了全面保障系统在实际工作中具有高度安全性和稳定性，且具备良好的微动性能、可快速反应等特点，不仅需要进行静态特性设计，还需要综合考虑控制方法和动态特性。在实际控制速度过程中，悬臂回路常会出现速度不稳和启动滞后的问题，因此系统在速度的稳定性方面还有待加强。基于此，通过计算机仿真工具科学分析悬臂回路实际速度控制，并通过优化方法再次对液压系统实现优化设计，改善系统各种动态响应曲线和动态参数，促使系统更具合理性。借助建模假设和数学模型相关结果，利用Matlab/Simulink仿真软件，最终建立系统仿真模型[4]。将控制电流设置为325mA和250mA，获得悬臂转速实际动态响应曲线如图2所示。

图2 悬臂转速动态响应曲线

分析结果表明，两者相应时间都保持小于10ms，且系统能够在100ms内实现稳定运行，证明该系统具有较强的稳定性；系统超调量保持在30%～35%内，属于偏大。在对控制电流进行大小改变时，系统输出相应稳态值出现较大变化，系统动态性能相关指标没有发生较大变化，则证明设计的系统重复性和稳定性都表现较好。

5 结 语

随着堆取料机相关应用行业近年来的迅速发展，现代生产节奏和技术不断提高，对堆取料机的自动化作业和可靠性、可控性提出了更高要求。堆取料机原来的液压系统具有一定的不合理性，基于此，将变排量容积控制方式应用在堆取料机液压系统中，有效提升了系统运行的稳定性、可控性以及可靠性。

[1] 于胜闯，吴春生.悬臂式斗轮堆取料机俯仰液压系统故障分析[J].工程技术，2016，（7）：278.

[2] 刘伟江.堆取料机俯仰液压系统油温过高原因及解决措施[J].科技创新与应用，2017，（10）：120.

[3] 牛春宝.基于电气自动化控制技术的港口堆取料机关键技术研究[J].信息系统工程，2016，（11）：91.

[4] 韩孝光，韩春艳.门式斗轮堆取料机起升机构液压系统节能探讨[J].内燃机与配件，2017，（8）：68-69.