旋挖鉆機主卷揚綠壓能量回收系統設計

旋轉開挖鉆孔是一種用于現場填充和鉆孔的樁工機械。這是一種新型機械化學設備。主缸壓鉆主要工作裝置為動態頭裝置和主卷繞系統。主卷繞系統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，增加了系統的發熱負荷，還降低了故障源的使用壽命，從而影響系統的運行性能。勢能回收是旋轉開挖機降低成本的有效措施。目前旋挖鉆機節能技術的研究主要有發動機、液壓系統、行走裝置、工作裝置節能控制等,核心為發動機與液壓系統的功率匹配節能控制.但至今在該領域內仍沒有研制出可以有效回收鉆桿下放勢能的產品.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,這對勢能回收系統元件性能提出了很高的要求;2)現有主卷揚系統均采用平衡閥控制卷揚下放速度,屬于很成熟的技術,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)加裝勢能回收系統對主卷揚提升和鉆進過程中的浮動性能產生的影響無法掌握.本文以某型號旋挖鉆機為研究對象,借鑒混合動力在液壓挖掘機上的成功應用,提出了一種采用液壓馬達和電動發電機的勢能回收系統,并根據旋挖鉆機的工況特點,制定了以卷揚下放速度和發電機轉速為目標的三變量聯合控制策略,以保證卷揚下放的平穩性和能量回收的高效率.1卷揚馬達閉式回路旋挖鉆機主卷揚的勢能回收系統結構如圖1所示,該系統由發動機、電動/發電機、超級電容、液壓系統等組成.采用發動機與電動/發電機并聯驅動液壓泵的結構形式,發動機的機械能直接輸出給液壓泵.液壓泵驅動卷揚馬達提升鉆桿,卷揚下放時在超越負載的作用下通過回收馬達回收下放勢能,并在卷揚提升啟動階段和泵一起驅動卷揚馬達提升鉆桿.由圖1可知,當卷揚下放時,發動機基本不輸出功,主泵僅僅為系統提供泄露油.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、節流閥2和回收馬達之間形成一個閉式回路.卷揚馬達在鉆桿重力產生的超越負載作用下工作,輸出流量驅動回收馬達轉動,電機與回收馬達直接相連回收能量,并儲存在超級電容內.控制器通過檢測卷揚馬達轉速和電機轉速控制卷揚馬達的排量、電機的輸入扭矩以及閥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閥1驅動卷揚馬達轉動,啟動階段電機1聯合發動機一起驅動泵.此時發動機僅需輸出負載所需的平均功率,多余或不足部分由電動/發電機來吸收或補充,這樣由于電動/發電機的“削峰填谷”作用,使發動機能工作在穩定高效區,提高燃油經濟性,改善排放.當卷揚浮動時,控制器輸出控制信號使閥2處于上位,電機2輸入扭矩為0,此時回收馬達不起任何作用,卷揚馬達處于閉式回路,實現浮動功能.2系統模擬模型的構建2.1主卷揚馬達負載隨主卷揚距離的變化規律旋挖鉆機常用鉆桿分為摩阻式和機鎖式兩大類.為了提高鉆進深度,不管哪種鉆桿均采用多節組合方式,隨著鉆進越深,鉆桿一節節下放.而且旋挖鉆機的作業對象是性態千變萬化的巖土層,主卷揚在下放時孔壁阻力以及鉆桿鉆具負荷也一直變化.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,此時主卷揚馬達所受的超越負載一直在變化,導致卷揚馬達的壓力也在實時變化.為了較好地模擬主卷揚下放時的負載變化情況,本文通過旋挖鉆機實際作業時主卷揚馬達的壓力、流量的采集,利用Matlab推導負載隨下放距離的變化關系,并將數據(下放距離x和負載扭矩T)以txt文件格式導入到AMESim中,如圖2所示.2.2電機的運行狀態如圖1所示,卷揚馬達的回油通向液壓回收馬達,通過控制回收電機的輸入扭矩以及節流閥的開口度大小,調節在卷揚馬達的回油腔形成的背壓,從而控制鉆桿的下放速度.回收馬達的力矩平衡方程:式中:P1為回收馬達的入口壓力;V為回收馬達的排量;TN為發電機的輸入扭矩(電動為正,發電為負);J為回收馬達、發電機及聯軸器的轉動慣量;ω為回收馬達的角速度;bm為回收馬達回轉的粘性阻尼;Tf為回收馬達的摩擦轉力矩.圖1所示的電動機可工作于電動和發電兩種狀態,其同步轉速n由變頻器控制,而外部轉速n1與回收馬達轉速保持一致.當n1>n時,電動機輸出的扭矩T1為正,電動機工作在電動狀態;當n1<n時,電動機輸出扭矩T1為負,電動機處于發電狀態.回收馬達驅動電機的發電電流為式中:Uc為超級電容電位.2.3等效串聯電阻超級電容器不同于一般的電容器,其充放電過程復雜,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(等效串聯阻抗RS)相串聯,同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯阻抗RL)相并聯的結構,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發配機的物理模型和聯合仿真本文采用Simulink與AMESim聯合仿真方式來實現勢能回收系統的控制策略.根據物理模型把系統分為機械系統和控制系統兩部分.機械系統模型由AMESim建立,控制系統模型由Simulink建立.AMESim與Simulink的聯合仿真是通過AMESim中的界面菜單下創建輸出圖標功能與Simulink中的S函數實現連接的,如圖4所示.2.5系統模型的建立根據本節以上數學模型,在AMESim中建立以鉆桿下放勢能回收為主要目標的系統仿真模型,并通過對系統平衡閥和超級電容采用超級元件進行封裝,得到整體模型如圖5.3主卷揚系統控制策略為了保證主卷揚下放過程的平穩性和電機回收能量的高效率,研究旋挖鉆機主卷揚勢能回收系統控制策略的目的主要是兩方面:1)在提高旋挖鉆機工作效率的同時保證鉆桿下放速度的穩定.2)控制電機的轉速波動在高效發電區,提高能量回收效率.主卷揚下放速度根據作業對象都有一定的限制范圍,速度過大,鉆桿對整機的沖擊越大,影響整機穩定性;速度偏小,又降低了旋挖鉆機作業的效率.一般卷揚下放要求速度控制在0.8m/s左右最佳.而回收馬達轉速和電機轉速區間不同,相應的回收馬達和電機的回收效率也不同,因此需要根據電機的效率曲線選擇效率高的轉速區間.由圖1可知,主卷揚下放時卷揚馬達和回收馬達流量相同,故可得式中:Vs為卷揚變量馬達排量;VR為定量回收馬達排量;nr為回收馬達最大轉數,ns為卷揚馬達加速后的轉速.卷揚馬達轉速和回收電機馬達轉速是由卷揚馬達排量、閥2開口度和電機控制扭矩耦合控制,因此,保持鉆桿下放的穩定與限制電機轉速處于高效區在一定程度上是矛盾的,兩者不可兼得.所以,在兼顧卷揚作業效率與能量回收效率的條件下找到兩者的折衷統一是旋挖鉆機主卷揚系統控制策略的主要任務.基于此,提出了一種三變量聯合控制策略.由于篇幅有限,本文主要探討勢能回收的過程,而關于鉆桿提升電容的放電過程不予詳細講述.該控制策略的內容步驟為1)系統初始化自校正:初始化卷揚馬達排量、閥2開口度信號、電機扭矩控制信號;設定電機控制扭矩范圍、電機高效發電轉速范圍、卷揚馬達允許工作轉速范圍.2)設定發動機初始工作點,進入旋挖鉆機正常工作流程,閉環轉速系統調節轉速.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)確定卷揚馬達目標轉速n1m,設定回收馬達初始期望轉速n2,根據兩馬達期望轉速比i可以輸出卷揚馬達排量調節信號s1,使得實際轉速比與期望值相符.5)檢測此時卷揚馬達轉速n1,得出與目標轉速n1m差值Δn1,Δn1作為調節電機發電力矩大小的信號,使得Δn1值減小并趨于0,電機發電并儲存在超級電容中.6)檢測此時電機的轉速n2,判斷n2是否處于電機高效發電區.如果處于高效區,則輸出閥2開口度信號使閥2處于全開狀態,不節流;如果n2不處于高效區,判斷n2是否過大或是過小.如果n2偏大,則輸出控制信號s2減小調節閥2開口度,使節流產生背壓以降低回收馬達轉速,此時根據卷揚馬達目標轉速n1m與實際回收馬達轉速的比值調節卷揚馬達排量;如果n2偏小,得出與回收馬達目標轉速n2m的差值Δn2,Δn2作為調節電機發電力矩大小的信號,保證n2處于高效區,然后回到步驟5重新執行.7)卷揚下放結束,閥2回到下位,能量回收過程結束.在整個控制過程中的控制規則是:優先保證卷揚馬達轉速的穩定性,其次保證回收馬達轉速處于高效區;調節的方式為優先調節卷揚馬達排量,其次調節電機控制扭矩,最后調節閥2節流口大小.根據以上控制策略所建立的Simulink控制框圖如圖6所示.4電機初始發電力本文以圖5為模型基礎進行了仿真試驗,主要參數匹配如下:發動機轉速為1800r/min;主泵最大排量為107mL/r;卷揚變量馬達初始排量為70mL/r;回收馬達排量為50mL/r;選取電機初始發電力矩為60N·m;根據MAXWELL公司提供的參數,選定超級電容初始電位V與電容C.旋挖鉆機在實際工作過程中,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與高速電機.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系統的能量分析利用以上選取參數進行一個周期的仿真,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,而且系統回收的效率也隨之降低.這是由鉆桿的結構和孔壁的阻力決定的,鉆桿有效負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變量聯合控制策略以轉速為單位卷揚下放過程中,卷揚馬達的轉速決定了下放速度的穩定性.由圖8可知,在一個仿真周期內,卷揚馬達的轉速基本維持為3300r/min左右,與目標轉速吻合良好,轉速穩定,只有在幾個時間點(12s、24s、36s、48s)附近有比較明顯的波動,但是很快轉速又穩定下來.對應回收馬達在這幾個時間點都有一定的降速,回收馬達轉速由開始的6100r/min下降到5500r/min,但是回收馬達轉速仍能保證回收電機轉速處于高效發電區.這說明了三變量聯合控制策略是可行的.4.3仿真結果仿真結果由上分析可知,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回油流量大,為了保證卷揚馬達的轉速穩定,回收馬達取代原來的平衡閥在卷揚馬達的回油口建立背壓.由圖9可知,卷揚馬達回油口壓力在一個仿真周期中由20.5MPa降低到17MPa,即回收馬達的入口壓力下降,從而導致回收馬達的吸收功率隨之下降,因此可以得知系統回收的效率隨下放距離的增加而下降,從圖7可以驗證該結論的正確性.而且為了限制卷揚馬達的轉速,利用節流閥的節流作用,控制卷揚馬達的流量,此時在卷揚馬達的進油口產生一定的進油壓力,節流閥兩端有壓力損失,這增加了系統的能量損失,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轉速在一定程度上相互矛盾.5優勢1)旋挖鉆機作業過程中主