起竖液压系统设计与恒功率控制策略研究

何刘宇， 杨 堃， 萧 辉， 谢文建， 吴新跃， 李运华

(1.北京航天发射技术研究所, 北京 100076；2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院， 北京 100191)

引言

重载起竖运动机构在工程机械及其他领域有着广泛的应用[1-3]。某设备起竖机构因使用需要，最大起竖角度要求大于90°，并且由于机构的工作要求，起竖时回转轴在起竖初期需要抬起到一定的位置后固定，而后起竖液压缸继续伸出，并在起竖至过质心后由缓冲液压缸继续伸出使起竖角度达到最大。本研究分析了起竖机构的几何学关系，根据机构中液压缸执行机构的动作规律和特点，设计了各组液压缸的液压控制回路及各组之间联动的液压控制回路。同时针对快速起竖时平稳启动和到位停止的难点， 对所设计的回路如何实现有效平稳缓停进行了深入分析，制定了相应的控制策略，该控制策略经实际快速起竖运行验证，性能良好，满足指标要求。采用机械控制的方式提高了系统的平稳性和可靠性，是一种较为实用的减速缓冲控制技术。

1 起竖系统基本结构

1.1 起竖系统机构设计

起竖系统由一套连杆机构、插拔液压缸、起竖液压缸、缓冲液压缸组成，如图1a所示。整个机构在运动时受连杆-滑块机构的约束，起竖液压缸伸出时会首先将所要起竖的负载连同其回转轴一并抬起，而后根据所设计机构的运动特性，在负载回转轴抬起至一定角度后被限位不动，如图1b所示，该限位功能由安装在连杆-滑块机构上并随其一起运动的插拔液压缸实现。插拔液压缸为弹簧缸，在起竖之前，通过所设计的结构将弹簧缸压缩至活塞杆收回状态，当起竖到指定角度后，在插拔液压缸活塞杆运行方向出现销孔，活塞杆在弹簧力作用下伸出，安装在插拔液压缸顶部的销子插入机座上的销孔内使连杆-滑块机构固定，进而使负载的回转轴也固定。而后起竖液压缸继续伸出，因回转轴已固定，负载开始做绕回转轴的起竖运动。当起竖角逐渐增大至负载过质心后，缓冲液压缸受到拉力逐渐伸出，直到伸出至极限行程后使整个负载起竖翻转到位，达到指定角度。

图1 起竖系统组成及运动状态

从图1中的运动过程可以看出，机构在整个过程中共经历了2次不同的运动轨迹模式。其中，图1a、图1b的运动过程为第一阶段，该阶段为回转轴抬起阶段，其特征是负载左端的回转轴抬起，而负载右端则沿着水平面平移运动，类似于曲柄滑块机构，但又不是真正的曲柄滑块类型运动轨迹，因为其回转轴的运动轨迹并不是绕着某一点的圆弧。当回转轴抬起到一定高度后，受连杆机构的机械限位约束，回转轴将保持固定。然后起竖液压缸继续伸出，负载开始绕着回转轴做起竖运动，该阶段为起竖阶段。随着起竖液压缸的伸出，负载的起竖角度不断增大，当起竖角度过质心后使缓冲液压缸受力方向发生变化，缓冲液压缸开始逐渐向外伸出，起竖液压缸在负载起竖过质心后会继续伸出一段行程后到位，随后负载在缓冲液压缸受拉力伸出下继续绕回转轴旋转，直到缓冲液压缸也伸出到位，完成整个起竖运动。

回收过程机构动作顺序与起竖过程不完全相反，先起竖液压缸回收，在负载回过质心后，有一段缓冲液压缸和起竖液压缸同时回收的过程。

1.2 起竖机构几何学分析

起竖机构涉及的复杂连杆-滑块机构的运动不是本研究研究重点，这里对机构的运动特性及规律做简要的几何分析，得出起竖液压缸位移与起竖角度间的数学对应关系，这样通过检测起竖液压缸位移也可以计算出角度而进行起竖角度判定。起竖机构几何关系如图2所示，点Om，A为固定在框架上的不动点，其余点为动点，会随着起竖液压缸伸长而变化。定义LOmE表示点Om到点E之间的距离，其余点之间的距离均按此定义表示。LOmE表示起竖液压缸2支点间距离，LEF表示缓冲液压缸2支点间距离。

图2 机构几何学关系示意图

1) 回转轴抬起阶段

回转轴抬起阶段起竖机构几何关系如图2a所示。在连杆机构及其C点弧线滑轨的运动约束下，随着起竖液压缸伸长，机构运动至O′,D′,C′点(O′，D′，C′为一跟固定杆)，O点为负载回转轴初始位置，C′点位置为插拔液压缸销子插入销孔的点。此阶段负载回转轴抬起(由O点至O′点)，当抬起至指定角度后，安装在插拔液压缸活塞杆上的销子插入机座框架上对应的固定销孔中(C′点位置)，此时连杆机构的运动受到销子的约束而不再运动，使回转轴固定于O′点位置。

根据起竖机构的实际铰点位置、各连杆质心、质量及转动惯量等特征分别构建零部件模型，并根据图2的机构连接关系和图3的结构拓扑关系建立与机座(大地)的固定副，各连杆间转动副、滑移副等约束，在ADAMS中建立出机构的模型。结合液压控制策略驱动起竖液压缸和缓冲液压缸进行运动学仿真，可以得到液压缸展长、起竖角度、起竖载荷的变化值，起竖角度与起竖液压缸位移关系曲线如图4所示。可以看出二者关系近似线性，但其关系公式推导较为复杂，因此可将起竖角度β与起竖液压缸位移简化为线性关系，见式(1)。这里按角度进行分段线性化处理以提高线性化后的计算值精确性，其中，LP表示起竖液压缸初始安装距离，k为起竖液压缸伸出位移量与起竖角度间比例系数，γ表示划分的3个阶段的角度参数，Lk表示根据曲线预先计算出的3个阶段γ角度参数对应的位移值。

图3 起竖机构结构拓扑关系

图4 起竖角度与液压缸位移曲线(回转轴抬起阶段)

(1)

2) 起竖阶段

起竖阶段机构的几何关系简图见图2b，此阶段负载的回转轴O′点已固定，已转化成常规的起竖方式。LOmE表示起竖液压缸上下安装绞点之间的距离[4-5]，∠MO′X为起竖角β，LO′E为机构中的长度固定的连杆，LOmO′、∠MO′E=δ1、∠OmO′X=δ2均为定值；则有:

∠EO′X=β-∠MO′E=β-δ1

(2)

∠OmO′E=∠EO′X+∠OmO′X=β-δ1+δ2

(3)

在△OmO′E中，由三角函数公式可以得到β与LOmE的数学对应关系满足式(4)：

(4)

当起竖角度过质心后使缓冲液压缸受拉力伸出，在缓冲液压缸伸出到位后整个起竖过程完成。

2 起竖液压系统组成

起竖系统由左右2个插拔液压缸、1个起竖液压缸、2个缓冲液压缸共同完成起竖和回平动作。起竖液压系统原理见图5，泵源由变频电机驱动负载敏感泵构成。采用变频电机可以在一定范围下调整泵的转速，当系统需要快速运行时，在负载敏感泵的排量自动调整到最大后可再通过提高泵的转速进一步提高系统的输出流量[6]。

电液比例多路阀7用于控制起竖液压缸10的伸收速度，平衡阀8安装在起竖液压缸10两腔回路上用于起竖过质心和回收过程中进行负载保持，电磁阀12、13用于控制插拔液压缸11的伸收，减压阀14用于在起竖阶段降低插拔液压缸正腔的压力，电磁阀16和溢流阀17设置在负载敏感泵的LS控制回路上，当电磁阀16开启时，泵源LS口敏感压力将由溢流阀17的设定值限制，在起竖和回收的相应位置角度开启，用于降低系统的压力，起保护作用。

回路中对比例多路阀BL3的A口和B口封堵，这样在泵源运行时单独开启BL3(两个方向均可)时类似于油缸伸到极限使负载无穷大，此时泵源压力将由负载敏感泵的恒压变量压力限定(本系统中设定为32 MPa)。当电磁阀16同时开启时LS口压力将感知溢流阀17设定压力(10 MPa)，使系统压力限制在溢流阀17设定的值附近。此功能用于在机构回收阶段拔销环节限制插拔液压缸活塞杆回收工作压力，既能安全拔销又起到安全保护作用(插拔液压缸安全工作压力小于泵源最大工作压力)。

1.油箱 2.吸油截止阀 3.变频电机 4.负载敏感泵 5.高压过滤器6、15.单向阀 7.电液比例多路阀 8.平衡阀 9.压力传感器10.起竖液压缸 11.插拔液压缸 12、13、16.电磁阀14.减压阀 17.溢流阀 18.回油过滤器图5 液压系统原理图

起竖液压缸和插拔液压缸的有杆腔和无杆腔回路上均设置有压力传感器9，用于在工作过程中监测负载的压力。接近开关SQ1～SQ6用于检测起竖液压缸和插拔液压缸活塞杆伸收到位状态。

缓冲液压缸用于在翻转阶段减缓负载翻转速度，实现平稳翻转到位，缓冲液压缸基本原理与油气弹簧相似如图6所示，为减小安装空间，将油气弹簧的蓄能器与液压缸集成于一体。该部分不是本研究的重点，这里仅介绍基本原理。液压缸的缸筒外层由一圈环形的活塞式蓄能器组成，蓄能器的气腔通过外接充气口为其充压，蓄能器的油腔通过液压缸后端盖上的油孔流入中间油管和液压缸的无杆腔，中间油管长度贯穿液压缸活塞杆内部，活塞杆末端有油孔与液压缸有杆腔沟通，这样中间油管和液压缸两腔均可连通。当活塞杆伸出时，有杆腔油液通过中间油管流入无杆腔中，当收回时，无杆腔油液通过中间油管流入有杆腔和蓄能器的油腔中。通过设置中间油管上分布的通流孔数量、位置和直径来获得期望的节流效果，如图7所示，进而实现伸收时的缓冲作用[7-8]。使用时可通过调整节流孔直径来调整缓冲伸收速度。

1.活塞杆 2.气腔 3.油腔 4.中间油管5.无杆腔 6.有杆腔图6 缓冲液压缸原理图

图7 中间油管

2.1 起竖过程液压系统工作原理

起竖过程液压系统工作原理及步骤如下：

(1) 先检测接近开关SQ7的信号，以确认吸油截止阀2处于开启状态，然后按预先设定好的转速要求给电机变频器指令使电机泵启动。此时由于比例阀尚未开启，负载敏感泵内的斜盘会迅速调小角度，使泵排量调至最小；

(2) 根据起竖角度值，按照预先设定好的比例多路阀的开启量，开启比例多路阀BL1和BL2(给比例多路阀施加负向控制信号，使高压油从BL1和BL2的A口进入起竖液压缸无杆腔，有杆腔油液则通过B口回油箱)。此时负载敏感泵感受到负载力后排量自动调整变大，液压油通过负载敏感泵的排油口进入比例多路阀中，比例多路阀BL1和BL2的出口并联后将液压油通过连接在起竖液压缸无杆腔的平衡阀8后进入起竖液压缸，起竖液压缸伸出并使机构开始在连杆机构的约束下起竖。同时，泵源出口处单向阀6后另外引出一条油路连接至插拔液压缸，油液通过单向阀15、减压阀14和电磁换向阀12后进入插拔液压缸的无杆腔，使插拔液压缸伸出，减压阀设定压力为1.1 MPa，使插拔液压缸活塞杆伸出力不会因系统压力提升而变大。此控制回路与插拔液压缸通过弹簧伸出功能相同，行成冗余控制，提高了机构运动到位时快速插销动作的可靠性。

(3) 随着起竖液压缸不断伸出，在起竖角度β大于77°后，按照预先设定好的参数分段减小BL1和BL2的开启量，使起竖速度逐渐减慢；

(4) 当起竖角度大于90°后，起竖液压缸工作载荷已小于8 MPa，使电磁阀YA1通电(在使用前已将溢流阀17调定至10 MPa)，这种措施既能提供起竖液压缸继续伸出所需的压力，又可以限制活塞杆伸出到极限位置后起竖液压缸无杆腔的压力；

(5) 当起竖到位后，先关闭比例阀多路阀7的BL1，BL2，再使YA1断电，使阀全部关闭；

(6) 停止电机泵，整个起竖工作流程完成。

2.2 回收过程液压系统工作原理

回收过程液压系统工作原理及步骤如下：

(1) 检测接近开关SQ7的信号，以确认吸油截止阀2处于开启状态，然后按预先设定好的转速要求启动电机泵；

(2) 开启比例多路阀BL1(给比例多路阀施加正向控制信号，使高压油从BL1和BL2的B口进入起竖液压缸有杆腔，无杆腔油液通过A口回油箱)，此时起竖液压缸活塞杆开始收回，当起竖角度减小到20°时，将YA1，YA2，YA3同时通电，并将BL3开启，目的是在机构回收的同时将插拔液压缸收回，使后续机构回收动作顺利连贯执行，同时保护插拔液压缸工作压力不超限。此时液压油既通过比例多路阀BL1进入起竖液压缸有杆腔，同时又从泵出口处单向阀6后引出一油路，不再通过减压阀回路，而是经电磁换向阀12和13进入插拔液压缸的有杆腔，因为克服插拔液压缸弹簧力将活塞杆收回需要插拔液压缸有杆腔压力不小于3.3 MPa。起竖液压缸在此阶段其活塞杆收回所需的压力已小于10 MPa，因此通过限制负载敏感泵LS口压力，可使泵源系统工作压力不超过10 MPa，既能满足起竖液压缸回收需要又能确保压力不超过插拔液压缸安全工作压力。

(3) 当检测到起竖机构回收到位后，将比例多路阀7的BL1和BL3关闭，将电磁铁YA1，YA2，YA3均断电，使阀全部关闭；

(4) 停止电机泵，整个回收工作流程完成。

3 起竖液压系统恒功率控制策略

3.1 负载敏感泵的功率限制控制

为了降低系统能耗，利用负载敏感泵的恒功率控制功能实现起竖过程的功率优化控制[9]，带有功率控制功能的负载敏感泵原理见图8。

1.负载敏感控制阀 2.恒压变量控制阀 3.功率控制阀图8 负载敏感泵原理

该负载敏感泵具备TPNS功能，即功率控制T加恒压变量控制P加负载敏感控制S。该型号负载敏感泵的恒压变量控制P优先级高于功率控制T，功率控制T的优先级高于负载敏感控制S。在使用时通过调节功率控制阀、恒压变量控制阀的调节弹簧螺钉，设定泵的最大功率限制值和泵的最大输出压力。因此，当负载敏感控制口X中的负载敏感压力与泵出口压力一致且泵出口压力不大于所设定的恒压变量压力时，只要泵的输出流量能够满足阀和管路的最大通流能力，液压系统即可运行在恒功率模式下。使其最大功率不超过由功率控制阀所限定的最大功率值。负载敏感控制阀的初始弹簧调定压力采用出厂设置值，约2.7 MPa。

3.2 快速起竖恒功率控制策略

在整个起竖过程中首先将两路比例多路阀BL1，BL2施加最大负向控制信号(A口全开出油)，这样使阀的通流能力大于在额定转速下泵能够输出的最大流量，且负载敏感控制口的控制压力与泵输出压力相同，使泵的功率调节阀可以起作用。所限功率值可通过功率阀的调节螺钉进行调节。在起竖过程液压系统工作原理的基础上，按起竖角度分段调整电机的转速，实现恒功率控制策略如下：

(1) 回转轴抬起阶段，比例多路阀BL1，BL2全开至负向最大，电机转速提高至1634 r/min，目的是进一步提高泵的输出流量，加快回转轴抬起阶段起竖液压缸伸出速度，使系统运行于设定的恒功率下。通过检测起竖液压缸的位移量，在回转轴抬起阶段的末端附近减小比例多路阀的开口量进行减速缓冲以避免在刚进入起竖阶段后因起竖液压缸载荷陡增而造成起竖速度突变；

(2) 起竖阶段，比例多路阀BL1，BL2全开至负向最大，电机转速降低至额定转速1485 r/min，此时泵的最大输出流量与起竖阶段液压系统负载压力的乘积能达到所设定的恒功率值；在起竖角度接近负载过质心角度前，减小比例多路阀开口量，降低起竖液压缸的伸出速度，减小翻转过质心时的惯性力。

3.3 电液控制系统结构

起竖液压控制系统结构框图如图9所示，电液控制系统由电源、PLC控制器、变频器、变频电机、负载敏感泵、比例阀、换向阀、液压缸和机械执行机构等组成[10-12]。采用变频电机可以改变转速，进一步调整泵的输出流量。在负载上安装有倾角传感器，起竖液压缸上安装有位移传感器，可将起竖角度β和液压缸位移量LOmE实时反馈给控制系统。起竖液压缸和插拔液压缸的无杆腔回路上设置有压力传感器，将系统压力反馈给控制系统。电液比例多路阀采用PWM信号驱动[10]，根据反馈的起竖角度β值和起竖液压缸位移，判定位于不同的起竖阶段，并调节比例多路阀的阀开口量，控制起竖液压缸伸出或回收时的速度，使得在回转轴抬起阶段末端和起竖阶段末端提前减速，控制机构平稳运动，降低负载翻转速度，减小起竖过程中负载的晃动。

在利用负载敏感泵恒功率控制功能的同时，为了进一步优化功率利用率，在初始阶段通过调节变频器的输出频率使回转轴抬起阶段泵转速提高，增大了系统输出流量，加快了起竖速度。

4 实际应用效果

定义比例多路阀1和2的开口量控制的PWM信号的占空比为kp1，kp2，变频电机的控制频率为f，按照恒功率控制策略，根据起竖角度与起竖液压缸位移量的对应关系，得到在起竖液压缸快伸到位前负载起竖的角度值，用于提前降低伸出速度，实现缓冲。各控制量通过反馈的各阶段起竖角度或起竖液压缸位移信号进行调整，如式(5)所示：

(5)

采用负载敏感泵的恒功率控制模式并通过起竖角度信号调整泵的转速进行了实际起竖过程试验，整个起竖过程用时243 s，起竖角度变化和起竖液压缸有杆腔和无杆腔压力变化曲线如图10所示，可以看出在负载翻转过质心后起竖缸继续伸长直至到位，此过程起竖液压缸受力变为拉力， 因而有杆腔压力出现了短暂的突然升高。起竖过程中插拔液压缸无杆腔压力变化曲线如图11所示，当起竖到-6.2°使插拔液压缸可以伸出后，插拔液压缸在弹簧力和液压力作用下迅速伸出到位，其弹簧腔压力在降低后又恢复至减压阀设置的1.1 MPa。满足设计要求。

图9 电液控制系统原理图

图10 起竖过程角度和起竖液压缸压力曲线

图11 起竖过程插拔液压缸压力曲线

在回收过程中液压系统需要功率不大，也无快速回收要求，无需采用恒功率控制，只需按照液压负载敏感系统工作完成回收过程即可，此时泵的输出流量则通过负载敏感泵自身特性自动与系统要求相匹配。

回收过程角度变化和起竖液压缸有杆腔和无杆腔压力变化曲线如图12所示，起竖液压缸有杆腔压力初始时最大，随着回收角度减小而降低，当起竖角度回过质心后，系统中平衡阀开始起平衡负载作用，使有杆腔压力稳定在6.4 MPa左右。在回收角度变化曲线中，回收过程的45～63 s之间回收角速度变快，表明负载回过质心后缓冲液压缸与起竖液压缸开始同时收回，使回收角速度加快，当缓冲液压缸收回到位后，角速度减慢。回收过程中插拔液压缸有杆腔压力变化曲线见图13，在角度小于20°后，电磁阀12和13换向，有杆腔压力上升并使插拔液压缸活塞杆克服弹簧力收回到位。

图12 回收过程角度和起竖液压缸压力曲线

图13 回收过程插拔液压缸压力曲线

5 结论

(1) 根据起竖机构的运动特点，设计了由起竖液压缸、插拔液压缸和缓冲液压缸组成运动机构，结合液压系统设计使整个起竖过程系统稳定可靠。

(2) 结合泵的功率控制功能，在起竖的主要阶段均实现了恒功率控制，经实际使用测试，系统运行和缓冲效果均达到了设计要求，起竖过程平稳，翻转阶段缓冲功能效果很好。验证了快速起竖时恒功率控制策略的有效性，提高了起竖过程的快速性，优化了能量利用率，实际使用效果较好，可为其他相关液压控制提供参考。