截割部升降油缸负载口独立控制研究

关锋,季清华

(1.山西机电职业技术学院机械工程系，山西长治 046011；2.浙江大学滨海产业技术研究院，天津 300000)

0 前言

传统矿用掘进机液压系统采用插装式平衡阀作油缸出油侧压力支撑，以EBZ120型掘进机为例，插装式平衡阀被用于控制掘进机截割部升降油缸、回转油缸、铲板升降油缸和后支持油缸动作。平衡阀作压力支撑是造成油缸存在爬行、抖动现象的主要原因之一[1-3]。文中采用负载口独立控制技术对截割部升降油缸进行控制,通过增加控制自由度，实现油缸压力、速度独立控制。

负载口独立控制技术是利用双阀芯或多阀芯控制，解除了油缸两腔之间的联动控制[4-5]，实现油缸两腔单独压力流量复合控制。国内众多研究人员对应用在各类液压设备上的负载口独立控制技术做了研究，其中，牛善帅等[6]提出了一种基于负载口独立控制的双伺服阀控缸系统，设计了以位置跟踪为目标的进油口控制器和以压力控制为目标的回油口控制器；陈晓波等[7]针对装载机动臂缸举升工况，提出了与工况匹配的负载口独立控制策略，实现压力流量复合控制；曹晓明等[8]在多级压力源切换系统的基础上，结合负载口独立控制技术提出了两级压力源切换负载口独立控制系统，验证了系统在控制和节能方面的可行性；刘凯磊等[9]设计了基于负载口独立控制的大型液压机调平控制系统，实现活动横梁的自动调平控制及两对角液压缸输出力独立控制。

本文作者提出的掘进机截割部油缸控制系统采用电比例直驱的负载口独立控制技术，利用比例流量阀代替三位六通换向阀和平衡阀，可有效控制油缸速度、降低支撑压力，实现节能控制，并提出油缸在不同工况下的独立控制策略。

1 负载口独立控制液压系统介绍

传统掘进机截割部升降油缸由平衡阀做油缸支撑阀，油缸两腔均设有平衡阀，由手动三位六通换向阀控制油缸伸出缩回动作和油缸运行速度，液压原理如图1所示。

图1 传统掘进机截割部升降油缸液压系统原理Fig.1 Principle of the lifting cylinder hydraulic system of cutting part in traditional roadheader

根据传统掘进机截割部升降油缸液压原理，设计的截割部升降油缸负载口独立控制液压系统原理如图2所示，液压系统主要由4个两位三通阀比例流量阀、1个双液控单向阀、2个安全阀和1个电磁溢流阀组成，可实现液压系统全电控。

图2 负载口独立控制液压系统原理Fig.2 Principle of the hydraulic system with independent metering control

掘进机截割部升降油缸的两腔分别由2组比例流量阀控制进出油液，以油缸无杆腔侧为例，由比例流量阀1控制其进油，比例流量阀2控制其出油。液压系统选用2个比例流量阀分别控制其进出油是因为比例流量阀只有油液从其P口流向A口时，阀流量与控制指令才成正比。双液控单向阀5用来确保油缸能够在任意位置锁死；溢流阀6用于实现油缸的超压保护；电磁溢流阀9用于实现主泵在油缸无动作时的卸荷空循环。

为实现负载口独立控制系统全电控，在油缸上安装有位移传感器，实时检测油缸运行速度及位置，通过速度位置闭环控制，实现升降油缸的速度和位置精确控制；在控制阀块上安装有压力传感器，实时检测油缸有杆腔、无杆腔压力，泵出口压力，通过压力闭环控制，可实现升降油缸的节能控制和抗干扰控制。

2 负载口独立控制策略研究

2.1 截割部升降油缸工况分析

掘进机截割部外形如图3所示。执行机构按照工作模式可以分为阻抗缩回、超越缩回、超越伸出、阻抗伸出4种工作模式[10]，按照截割臂与水平角度α是否大于0°，对掘进机截割部进行受力分析，如图4所示。

图3 掘进机截割部外形Fig.3 The roadheader shape of cutting part

图4 截割部受力分析示意Fig.4 Force analysis of cutting part： (a)α>0°；(b)α<0°

通过受力分析，得出升降油缸受到的总负载力为

(1)

(2)

式中：G为截割部重力；F为升降油缸总负载力；α为截割臂与水平面夹角；β为升降油缸与水平面夹角。

通过公式可知，升降油缸在伸出和缩回过程中，所受到的负载力方向是一致的，升降油缸在超越缩回和阻抗伸出2种工作状态下不断切换。

2.2 负载口独立控制策略

截割部升降油缸运动控制的实质是油缸的速度控制，为实现油缸负载口独立控制时的节能效果，做以下控制策略[11-13]，控制策略如图5所示。

(1)根据控制指令，识别升降油缸伸出或缩回工作状态，并根据工作状态自动匹配控制策略；

(2)升降油缸两腔各由一组比例阀控制，每组比例阀由1个双线比例控制器实现2个比例阀单独控制，每个比例阀都有一套单独的PID控制算法实现压力闭环或速度闭环控制；

(3)截割部升降油缸在伸出时为阻抗伸出工作状态，比例阀1和比例阀4参与控制，其中比例阀1实现油缸无杆腔进油速度闭环控制，比例阀4实现油缸有杆腔低压闭环控制；

(4)截割部升降油缸在缩回时为超越缩回工作状态，比例阀2和比例阀3参与控制，其中比例阀3实现油缸有杆腔低压闭环控制，比例阀2实现油缸无杆腔出油速度闭环控制。

3 负载口独立控制液压系统仿真

3.1 负载口独立控制仿真模型搭建

根据负载口独立控制液压原理图，搭建基于AMESim+MATLAB软件的联合仿真模型。其中，负载口独立控制液压系统由AMESim软件标准液压元件库搭建，为简化模型，将截割部2套升降油缸按尺寸换算成1套油缸，并根据油缸尺寸及液压元件选型设置仿真模型参数，仿真模型如图6所示；截割部机械结构由AMESim软件平面机械库搭建，油缸负载由截割部自重模拟，仿真模型如图7所示；负载口独立控制策略在MATLAB-Simulink中搭建，仿真模型如图8所示。通过联合仿真，验证负载口独立控制液压系统及控制策略的有效性。

图6 机械-液压-电控系统AMESim仿真模型Fig.6 The AMESim simulation model of mechanical- hydraulic-electronic control system

图7 截割部机械结构仿真模型Fig.7 Simulation model of mechanical structure of cutting part

图8 MATLAB-Simulink仿真模型Fig.8 MATLAB-Simulink simulation model

3.2 升降油缸阶跃控制仿真

首先对截割部抬起过程进行仿真分析，升降油缸在伸出时为阻抗伸出工作状态，油缸无杆腔为进油速度控制，截割部油缸伸出速度从0 m/s开始阶跃至0.02 m/s，2 s后速度再阶跃至0.03 m/s，4 s后速度再阶跃至0.04 m/s，6 s后速度再阶跃至0.02 m/s。整个仿真过程为8 s；油缸有杆腔为压力闭环控制，设定整个仿真过程油缸有杆腔压力为3 MPa。通过仿真得到升降油缸伸出速度曲线如图9所示，两腔压力曲线如图10所示。

图9 截割部升降油缸伸出速度曲线Fig.9 Lifting cylinder cutting part extension speed curves

图10 截割部升降油缸两腔压力曲线Fig.10 Two-chamber pressure curves of the lifting cylinder cutting part

通过图9可知：油缸速度在每次控制指令发生阶跃变化时，都能够快速响应，产生10%～20%的超调量，并在1 s内达到稳定状态，速度控制效果良好。通过图10可知：在油缸伸出过程中，油缸无杆腔压力随着截割部位置变化而变化，油缸有杆腔压力除油缸速度发生阶跃变化时存在波动之外，可以在1 s内稳定控制在目标压力3 MPa，低压控制效果良好，可有效实现节能控制。

对截割部落下过程进行仿真分析，升降油缸在缩回时为超越缩回工作状态，油缸无杆腔为进油速度控制，油缸缩回速度从第4 s开始由0 m/s阶跃至0.02 m/s，2 s后速度再阶跃至0.03 m/s，4 s后速度再阶跃至0.04 m/s，6 s速度再阶跃至0.02 m/s，整个仿真过程为12 s。油缸有杆腔为压力闭环控制，设定整个仿真过程油缸有杆腔压力为1 MPa。通过仿真得到升降油缸缩回速度曲线如图11所示，两腔压力曲线如图12所示。

图11 截割部升降油缸缩回速度曲线Fig.11 Retraction velocity curves of the lifting cylinder cutting part

图12 截割部升降油缸两腔压力曲线Fig.12 Two-chamber pressure curves of the lifting cylinder cutting part

前4 s为升降油缸在截割部自重条件下缓慢达到平衡状态，控制过程从4 s之后开始。通过仿真曲线可知：油缸速度在每次控制指令发生阶跃变化时，都能够快速响应且无速度超调，并在1 s内达到稳定状态，速度控制效果良好；在油缸缩回过程中，油缸无杆腔压力随着截割部位置变化而变化，油缸有杆腔压力除油缸速度发生阶跃变化时存在波动之外，可以在1 s内稳定控制在目标压力1 MPa，低压控制效果良好，可有效实现节能控制。

3.3 升降油缸正弦控制仿真

掘进机截割部升降控制由操作人员通过手柄控制实现，为研究负载口独立控制液压系统的实时跟随性能，首先对升降油缸伸出过程仿真分析，设置油缸伸出时目标速度为正弦曲线，均值为0.03 m/s，幅值为0.015 m/s,频率分别为1、2、3、4 Hz，研究升降油缸速度跟随情况，如图13所示。

图13 油缸伸出时不同频率正弦速度跟踪仿真Fig.13 Sinusoidal velocity tracking simulation of different frequencies when the cylinder is extended:(a) f= 1 Hz; (b)f=2 Hz; (c)f=3 Hz; (d)f=4 Hz

由于油缸无杆腔压力初值为0 MPa,仿真启动时，升降油缸在截割部自重条件下产生速度压力振荡，此阶段不作分析。通过仿真可知：升降油缸伸出速度在3 Hz及以下频率变化时能够跟随上目标速度的变化，伸出速度在4 Hz及以上频率变化时不能很好地跟踪上目标速度。

对升降油缸落下过程仿真分析，设置油缸伸出时目标速度为正弦曲线，均值为0.03 m/s，幅值为0.015 m/s,频率分别为1、2、3、4、5 Hz，研究升降油缸速度跟随情况，如图14所示。

图14 油缸缩回时不同频率正弦速度跟踪仿真Fig.14 Sinusoidal velocity tracking simulation at different frequencies when the cylinder is retracted: (a) f=1 Hz; (b)f=2 Hz; (c)f=3 Hz; (d)f=4 Hz; (e)f=5 Hz

在前1 s内的仿真结果不作分析。通过仿真可知：升降油缸缩回速度在4 Hz及以下变化频率时能够跟随上目标速度的变化，缩回速度在5 Hz及以上变化频率时不能很好地跟踪上目标速度。

3.4 升降油缸不同工况切换控制仿真

截割部升降油缸在运动过程中，不可避免地需要在伸出和缩回动作之间切换。由上述可知，截割部升降油缸在伸出和缩回时的控制策略不同。为研究负载口独立控制能否满足升降油缸在工况发生变化时的快速响应要求，按照表1所示的工况切换模式对升降油缸进行仿真,油缸在2种工作状态切换时采用阶跃方式。

表1 油缸不同工况切换控制

通过仿真得到升降油缸速度曲线如图15所示，油缸两腔压力曲线如图16、图17所示。

图15 升降油缸不同工况下速度控制曲线Fig.15 Speed control curves of the lifting cylinder under different working conditions

图16 升降油缸不同工况下有杆腔压力曲线Fig.16 Rod end chamber pressure curves under diffe- rent working conditions of lifting cylinder

图17 升降油缸不同工况下无杆腔压力曲线Fig.17 Non-rod end chamber pressure curve under dif- ferent working conditions of lifting cylinder

由图15可知：通过速度闭环控制，油缸在工作状态发生阶跃变化时，能够在0.5 s内跟踪上目标速度，且稳定性较好。由图16可知：通过压力闭环控制，有杆腔压力能够很快地跟踪上目标压力，但在油缸工作状态发生阶跃变化时，压力存在较大波动，除切换点外，压力稳定性较好。由图17可知:油缸无杆腔在工作状态发生阶跃变化时存在较大压力波动，除切换点之外，无杆腔压力能够根据负载变化实时调整背压，保证油缸稳定运动。因此，采用负载口独立控制能够满足升降油缸在不同工况切换时的稳定控制。

4 结论

文中介绍了掘进机截割部升降油缸负载口独立控制液压系统的设计思路，通过对截割部受力分析，得出升降油缸的2种工作状态，并基于工作状态提出了对应的独立控制策略。基于AMESim软件和MATLAB软件搭建了截割部机械-液压-控制策略联合仿真模型，通过对升降油缸伸出和缩回过程的阶跃控制仿真、正弦控制仿真以及不同工况切换控制仿真，验证了升降油缸负载口独立控制液压系统及控制策略的有效性，为负载口独立控制器算法编写提供依据。