旋挖鉆機(jī)主卷揚綠壓能量回收系統(tǒng)設(shè)計

旋挖鉆機(jī)主卷揚綠壓能量回收系統(tǒng)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)開挖鉆孔是一種用于現(xiàn)場填充和鉆孔的樁工機(jī)械。這是一種新型機(jī)械化學(xué)設(shè)備。主缸壓鉆主要工作裝置為動態(tài)頭裝置和主卷繞系統(tǒng)。主卷繞系統(tǒng)主要完成了主缸壁的提升和鉆孔過程中的浮動。主缸壁的孔和孔非常厚。在操作過程中，分散是頻繁的，并且釋放出大量的功率。這些能量基本上消耗在平衡裝置的高壓這方面。它不僅浪費了能量，增加了系統(tǒng)的發(fā)熱負(fù)荷，還降低了故障源的使用壽命，從而影響系統(tǒng)的運行性能。勢能回收是旋轉(zhuǎn)開挖機(jī)降低成本的有效措施。目前旋挖鉆機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究主要有發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)、行走裝置、工作裝置節(jié)能控制等,核心為發(fā)動機(jī)與液壓系統(tǒng)的功率匹配節(jié)能控制.但至今在該領(lǐng)域內(nèi)仍沒有研制出可以有效回收鉆桿下放勢能的產(chǎn)品.目前制約卷揚下放勢能回收的因素主要有:1)卷揚下放過程釋放的勢能大且具有沖擊性,這對勢能回收系統(tǒng)元件性能提出了很高的要求;2)現(xiàn)有主卷揚系統(tǒng)均采用平衡閥控制卷揚下放速度,屬于很成熟的技術(shù),回收勢能過程平衡閥不起作用,此時卷揚下放的速度難以控制;3)加裝勢能回收系統(tǒng)對主卷揚提升和鉆進(jìn)過程中的浮動性能產(chǎn)生的影響無法掌握.本文以某型號旋挖鉆機(jī)為研究對象,借鑒混合動力在液壓挖掘機(jī)上的成功應(yīng)用,提出了一種采用液壓馬達(dá)和電動發(fā)電機(jī)的勢能回收系統(tǒng),并根據(jù)旋挖鉆機(jī)的工況特點,制定了以卷揚下放速度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的三變量聯(lián)合控制策略,以保證卷揚下放的平穩(wěn)性和能量回收的高效率.1卷揚馬達(dá)閉式回路旋挖鉆機(jī)主卷揚的勢能回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、電動/發(fā)電機(jī)、超級電容、液壓系統(tǒng)等組成.采用發(fā)動機(jī)與電動/發(fā)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動液壓泵的結(jié)構(gòu)形式,發(fā)動機(jī)的機(jī)械能直接輸出給液壓泵.液壓泵驅(qū)動卷揚馬達(dá)提升鉆桿,卷揚下放時在超越負(fù)載的作用下通過回收馬達(dá)回收下放勢能,并在卷揚提升啟動階段和泵一起驅(qū)動卷揚馬達(dá)提升鉆桿.由圖1可知,當(dāng)卷揚下放時,發(fā)動機(jī)基本不輸出功,主泵僅僅為系統(tǒng)提供泄露油.控制器輸出控制信號使換向閥1處于中位,閥2處于上位,此時卷揚馬達(dá)、節(jié)流閥2和回收馬達(dá)之間形成一個閉式回路.卷揚馬達(dá)在鉆桿重力產(chǎn)生的超越負(fù)載作用下工作,輸出流量驅(qū)動回收馬達(dá)轉(zhuǎn)動,電機(jī)與回收馬達(dá)直接相連回收能量,并儲存在超級電容內(nèi).控制器通過檢測卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制卷揚馬達(dá)的排量、電機(jī)的輸入扭矩以及閥2的開口度大小.換向閥1的開口度大小由控制器檢測到的手柄先導(dǎo)信號決定.卷揚提升時,控制器輸出控制信號使閥1處于左位,此時由泵組提供壓力油經(jīng)閥1驅(qū)動卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)動,啟動階段電機(jī)1聯(lián)合發(fā)動機(jī)一起驅(qū)動泵.此時發(fā)動機(jī)僅需輸出負(fù)載所需的平均功率,多余或不足部分由電動/發(fā)電機(jī)來吸收或補充,這樣由于電動/發(fā)電機(jī)的“削峰填谷”作用,使發(fā)動機(jī)能工作在穩(wěn)定高效區(qū),提高燃油經(jīng)濟(jì)性,改善排放.當(dāng)卷揚浮動時,控制器輸出控制信號使閥2處于上位,電機(jī)2輸入扭矩為0,此時回收馬達(dá)不起任何作用,卷揚馬達(dá)處于閉式回路,實現(xiàn)浮動功能.2系統(tǒng)模擬模型的構(gòu)建2.1主卷揚馬達(dá)負(fù)載隨主卷揚距離的變化規(guī)律旋挖鉆機(jī)常用鉆桿分為摩阻式和機(jī)鎖式兩大類.為了提高鉆進(jìn)深度,不管哪種鉆桿均采用多節(jié)組合方式,隨著鉆進(jìn)越深,鉆桿一節(jié)節(jié)下放.而且旋挖鉆機(jī)的作業(yè)對象是性態(tài)千變?nèi)f化的巖土層,主卷揚在下放時孔壁阻力以及鉆桿鉆具負(fù)荷也一直變化.在主卷揚下放過程中卷筒所吊的鉆桿和鉆具的重心隨下放距離的變化而跳躍性變化,此時主卷揚馬達(dá)所受的超越負(fù)載一直在變化,導(dǎo)致卷揚馬達(dá)的壓力也在實時變化.為了較好地模擬主卷揚下放時的負(fù)載變化情況,本文通過旋挖鉆機(jī)實際作業(yè)時主卷揚馬達(dá)的壓力、流量的采集,利用Matlab推導(dǎo)負(fù)載隨下放距離的變化關(guān)系,并將數(shù)據(jù)(下放距離x和負(fù)載扭矩T)以txt文件格式導(dǎo)入到AMESim中,如圖2所示.2.2電機(jī)的運行狀態(tài)如圖1所示,卷揚馬達(dá)的回油通向液壓回收馬達(dá),通過控制回收電機(jī)的輸入扭矩以及節(jié)流閥的開口度大小,調(diào)節(jié)在卷揚馬達(dá)的回油腔形成的背壓,從而控制鉆桿的下放速度.回收馬達(dá)的力矩平衡方程:式中:P1為回收馬達(dá)的入口壓力;V為回收馬達(dá)的排量;TN為發(fā)電機(jī)的輸入扭矩(電動為正,發(fā)電為負(fù));J為回收馬達(dá)、發(fā)電機(jī)及聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量;ω為回收馬達(dá)的角速度;bm為回收馬達(dá)回轉(zhuǎn)的粘性阻尼;Tf為回收馬達(dá)的摩擦轉(zhuǎn)力矩.圖1所示的電動機(jī)可工作于電動和發(fā)電兩種狀態(tài),其同步轉(zhuǎn)速n由變頻器控制,而外部轉(zhuǎn)速n1與回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速保持一致.當(dāng)n1>n時,電動機(jī)輸出的扭矩T1為正,電動機(jī)工作在電動狀態(tài);當(dāng)n1<n時,電動機(jī)輸出扭矩T1為負(fù),電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài).回收馬達(dá)驅(qū)動電機(jī)的發(fā)電電流為式中:Uc為超級電容電位.2.3等效串聯(lián)電阻超級電容器不同于一般的電容器,其充放電過程復(fù)雜,但在簡單研究情況下把超級電容等效為一個理想電容器C與一個較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗RS)相串聯(lián),同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗RL)相并聯(lián)的結(jié)構(gòu),其等效電路如圖3所示.圖中C為等效的理想電容器,RS為等效串聯(lián)電阻,RL為絕緣電阻.超級電容的電容電壓為超級電容的端電壓為超級電容充電至某一確定電壓值儲存的能量,即式中:U0為超級電容初始電壓;UC為電容電壓;U為超級電容端電壓;I為充放電電流.2.4amesim與sim發(fā)配機(jī)的物理模型和聯(lián)合仿真本文采用Simulink與AMESim聯(lián)合仿真方式來實現(xiàn)勢能回收系統(tǒng)的控制策略.根據(jù)物理模型把系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分.機(jī)械系統(tǒng)模型由AMESim建立,控制系統(tǒng)模型由Simulink建立.AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真是通過AMESim中的界面菜單下創(chuàng)建輸出圖標(biāo)功能與Simulink中的S函數(shù)實現(xiàn)連接的,如圖4所示.2.5系統(tǒng)模型的建立根據(jù)本節(jié)以上數(shù)學(xué)模型,在AMESim中建立以鉆桿下放勢能回收為主要目標(biāo)的系統(tǒng)仿真模型,并通過對系統(tǒng)平衡閥和超級電容采用超級元件進(jìn)行封裝,得到整體模型如圖5.3主卷揚系統(tǒng)控制策略為了保證主卷揚下放過程的平穩(wěn)性和電機(jī)回收能量的高效率,研究旋挖鉆機(jī)主卷揚勢能回收系統(tǒng)控制策略的目的主要是兩方面:1)在提高旋挖鉆機(jī)工作效率的同時保證鉆桿下放速度的穩(wěn)定.2)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動在高效發(fā)電區(qū),提高能量回收效率.主卷揚下放速度根據(jù)作業(yè)對象都有一定的限制范圍,速度過大,鉆桿對整機(jī)的沖擊越大,影響整機(jī)穩(wěn)定性;速度偏小,又降低了旋挖鉆機(jī)作業(yè)的效率.一般卷揚下放要求速度控制在0.8m/s左右最佳.而回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間不同,相應(yīng)的回收馬達(dá)和電機(jī)的回收效率也不同,因此需要根據(jù)電機(jī)的效率曲線選擇效率高的轉(zhuǎn)速區(qū)間.由圖1可知,主卷揚下放時卷揚馬達(dá)和回收馬達(dá)流量相同,故可得式中:Vs為卷揚變量馬達(dá)排量;VR為定量回收馬達(dá)排量;nr為回收馬達(dá)最大轉(zhuǎn)數(shù),ns為卷揚馬達(dá)加速后的轉(zhuǎn)速.卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)速和回收電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速是由卷揚馬達(dá)排量、閥2開口度和電機(jī)控制扭矩耦合控制,因此,保持鉆桿下放的穩(wěn)定與限制電機(jī)轉(zhuǎn)速處于高效區(qū)在一定程度上是矛盾的,兩者不可兼得.所以,在兼顧卷揚作業(yè)效率與能量回收效率的條件下找到兩者的折衷統(tǒng)一是旋挖鉆機(jī)主卷揚系統(tǒng)控制策略的主要任務(wù).基于此,提出了一種三變量聯(lián)合控制策略.由于篇幅有限,本文主要探討勢能回收的過程,而關(guān)于鉆桿提升電容的放電過程不予詳細(xì)講述.該控制策略的內(nèi)容步驟為1)系統(tǒng)初始化自校正:初始化卷揚馬達(dá)排量、閥2開口度信號、電機(jī)扭矩控制信號;設(shè)定電機(jī)控制扭矩范圍、電機(jī)高效發(fā)電轉(zhuǎn)速范圍、卷揚馬達(dá)允許工作轉(zhuǎn)速范圍.2)設(shè)定發(fā)動機(jī)初始工作點,進(jìn)入旋挖鉆機(jī)正常工作流程,閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速.3)檢測卷揚下放開始,閥1(請參看原理示意圖1)開啟處于中位工作,閥2處于上位.4)確定卷揚馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1m,設(shè)定回收馬達(dá)初始期望轉(zhuǎn)速n2,根據(jù)兩馬達(dá)期望轉(zhuǎn)速比i可以輸出卷揚馬達(dá)排量調(diào)節(jié)信號s1,使得實際轉(zhuǎn)速比與期望值相符.5)檢測此時卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)速n1,得出與目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1m差值Δn1,Δn1作為調(diào)節(jié)電機(jī)發(fā)電力矩大小的信號,使得Δn1值減小并趨于0,電機(jī)發(fā)電并儲存在超級電容中.6)檢測此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速n2,判斷n2是否處于電機(jī)高效發(fā)電區(qū).如果處于高效區(qū),則輸出閥2開口度信號使閥2處于全開狀態(tài),不節(jié)流;如果n2不處于高效區(qū),判斷n2是否過大或是過小.如果n2偏大,則輸出控制信號s2減小調(diào)節(jié)閥2開口度,使節(jié)流產(chǎn)生背壓以降低回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速,此時根據(jù)卷揚馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n1m與實際回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速的比值調(diào)節(jié)卷揚馬達(dá)排量;如果n2偏小,得出與回收馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速n2m的差值Δn2,Δn2作為調(diào)節(jié)電機(jī)發(fā)電力矩大小的信號,保證n2處于高效區(qū),然后回到步驟5重新執(zhí)行.7)卷揚下放結(jié)束,閥2回到下位,能量回收過程結(jié)束.在整個控制過程中的控制規(guī)則是:優(yōu)先保證卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性,其次保證回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速處于高效區(qū);調(diào)節(jié)的方式為優(yōu)先調(diào)節(jié)卷揚馬達(dá)排量,其次調(diào)節(jié)電機(jī)控制扭矩,最后調(diào)節(jié)閥2節(jié)流口大小.根據(jù)以上控制策略所建立的Simulink控制框圖如圖6所示.4電機(jī)初始發(fā)電力本文以圖5為模型基礎(chǔ)進(jìn)行了仿真試驗,主要參數(shù)匹配如下:發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min;主泵最大排量為107mL/r;卷揚變量馬達(dá)初始排量為70mL/r;回收馬達(dá)排量為50mL/r;選取電機(jī)初始發(fā)電力矩為60N·m;根據(jù)MAXWELL公司提供的參數(shù),選定超級電容初始電位V與電容C.旋挖鉆機(jī)在實際工作過程中,卷揚下放時間短、沖擊大,為了能最大限度回收下放過程釋放的勢能,本文選擇高速柱塞馬達(dá)與高速電機(jī).本文主卷揚所拉鉆桿為φ440-5×14.5的摩阻式鉆桿,鉆桿和鉆具總質(zhì)量約為10t左右,卷揚下放速度控制在1m/s附近,仿真時間為60s.4.1系統(tǒng)的能量分析利用以上選取參數(shù)進(jìn)行一個周期的仿真,并由公式(5)通過Matlab計算可得出一個周期內(nèi)勢能回收效率曲線,如圖7所示.由圖可知,鉆桿和鉆具釋放的重力勢能隨下放距離的增大而增大,但勢能增加的趨勢越來越小,而且系統(tǒng)回收的效率也隨之降低.這是由鉆桿的結(jié)構(gòu)和孔壁的阻力決定的,鉆桿有效負(fù)載隨下放過程跳躍下降,而孔壁阻力卻隨之增大.在整個下放60m的過程中,總的下放勢能為3.5×103kJ,能量相當(dāng)可觀;回收的勢能為2.1×103kJ,回收勢能占總下放勢能約為60%.下放距離5m以前,系統(tǒng)基本上完全回收了鉆桿鉆具釋放的勢能,這是因為下放前5m鉆桿鉆具還沒有入孔,沒有孔壁阻力的影響.4.2變量聯(lián)合控制策略以轉(zhuǎn)速為單位卷揚下放過程中,卷揚馬達(dá)的轉(zhuǎn)速決定了下放速度的穩(wěn)定性.由圖8可知,在一個仿真周期內(nèi),卷揚馬達(dá)的轉(zhuǎn)速基本維持為3300r/min左右,與目標(biāo)轉(zhuǎn)速吻合良好,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,只有在幾個時間點(12s、24s、36s、48s)附近有比較明顯的波動,但是很快轉(zhuǎn)速又穩(wěn)定下來.對應(yīng)回收馬達(dá)在這幾個時間點都有一定的降速,回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速由開始的6100r/min下降到5500r/min,但是回收馬達(dá)轉(zhuǎn)速仍能保證回收電機(jī)轉(zhuǎn)速處于高效發(fā)電區(qū).這說明了三變量聯(lián)合控制策略是可行的.4.3仿真結(jié)果仿真結(jié)果由上分析可知,整個仿真過程中能量的回收效率并不是特別高.卷揚下放過程中卷揚馬達(dá)回油流量大,為了保證卷揚馬達(dá)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,回收馬達(dá)取代原來的平衡閥在卷揚馬達(dá)的回油口建立背壓.由圖9可知,卷揚馬達(dá)回油口壓力在一個仿真周期中由20.5MPa降低到17MPa,即回收馬達(dá)的入口壓力下降,從而導(dǎo)致回收馬達(dá)的吸收功率隨之下降,因此可以得知系統(tǒng)回收的效率隨下放距離的增加而下降,從圖7可以驗證該結(jié)論的正確性.而且為了限制卷揚馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,利用節(jié)流閥的節(jié)流作用,控制卷揚馬達(dá)的流量,此時在卷揚馬達(dá)的進(jìn)油口產(chǎn)生一定的進(jìn)油壓力,節(jié)流閥兩端有壓力損失,這增加了系統(tǒng)的能量損失,降低能量回收率.這也說明提高能量回收效率和控制卷揚馬達(dá)轉(zhuǎn)速在一定程度上相互矛盾.5優(yōu)勢1)旋挖鉆機(jī)作業(yè)過程中主