一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，包括：控制部件、發動機和至少一個用于為動力頭執行部件供油的主泵，發動機與主泵連接，控制部件能夠將基于發動機扭矩得到的控制電流與基于發動機功率曲線得到的目標電流進行整合，以對主泵進行控制。本實用新型的控制系統能夠盡量避免轉速波動對控制效果的影響，同時減少在旋挖鉆機工作過程中的發動機掉速值，保持發動機工作穩定性，從而改善鉆進作業的穩定性；從而可以較好地解決旋挖鉆機發動機和液壓泵功率匹配的問題，使液壓泵能夠充分利用發動機功率，不僅可以提高旋挖鉆機鉆孔的作業效率，同時使發動機運行在燃油經濟區域，最大化的合理利用發動機功率，減少能源浪費。
【專利說明】
一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及作業機械控制技術領域，尤其涉及一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統。
【背景技術】
[0002]旋挖鉆機動力頭系統是指旋挖鉆機鉆孔作業時驅動動力頭回轉進給，進而帶動鉆桿和鉆頭工作的整個動力驅動系統，包括發動機、液壓栗、多路閥、動力頭馬達、動力頭、鉆桿和鉆頭等。旋挖鉆機鉆孔作業過程中動力傳遞路線為發動機通過聯軸器帶動液壓栗旋轉，液壓栗輸出的流量經過多路閥后驅動動力頭馬達，動力頭馬達通過減速機增大扭矩帶動鉆桿，鉆桿的轉動帶動鉆頭工作。
[0003]在動力頭進行鉆進作業的過程中，由于受到土質、巖石等影響，負載會出現大幅度的波動，因此現有旋挖鉆機動力系統一般采用相比液壓栗較大的發動機裝機功率，以增強旋挖鉆機在負載急劇變化時工作的穩定性，但采用裝機功率較大的發動機使整機成本上升，同時也造成了發動機功率浪費。如旋挖鉆機采用較小裝機功率的發動機，在旋挖鉆機工作過程中，由于負載較大，發動機掉速較大并且容易出現熄火現象，對旋挖鉆機鉆孔作業及發動機壽命產生很大影響。
[0004]為了盡量減少旋挖鉆機動力頭系統在工作時發動機功率的浪費，一般采用功率匹配系統來使工程機械中發動機和液壓栗功率匹配，從而使液壓栗能充分利用發動機功率，同時使發動機運行在燃油經濟區域，從而最大化地合理利用發動機能量。
[0005]傳統的功率匹配調節方法，大多需要檢測發動機轉速運行情況，根據發動機掉速來控制液壓栗的吸收功率，以減小發動機的功率儲備，從而防止發動機過載。在發動機的功率與液壓栗功率實時調節時，需要根據工況進行分類，將發動機劃分不同的工作區間，相應地調節栗的吸收功率，使發動機穩定運行在目標工作點附近。
[0006]考慮到發動機轉速自身波動特性的影響，現有方案必須在檢測掉速的過程中，給定一個較大的參考設定值，即當檢測到發動機的目標轉速與實際轉速的差值達到某一參考設定值以后，才對變量栗的功率進行控制，這樣的控制方法無形中擴大了檢測掉速的范圍，同時帶來了嚴重的控制滯后性，從而增加了控制難度。同時現有方案一般采用分檔模式控制，不同檔位采用不同液壓栗電流進行功率匹配，控制電流在主栗功率不大于發動機功率時一般不變，考慮到負載波動情況，一般不同模式下主栗功率遠小于發動機功率，同時主栗雙彈簧擬合恒功率特性并不能保持功率恒定，尤其在負載較大時功率下降幅度較大，因此現有技術方案在解決功率匹配方面進一步受到了限制。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的是提出一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，能夠在旋挖鉆機動力頭系統工作的過程中，使控制動力頭執行部件的液壓栗更加合理地利用發動機的功率。
[0008]為實現上述目的，本實用新型提供了一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，包括:控制部件1、發動機8和至少一個用于為動力頭執行部件17供油的主栗，所述發動機8與所述主栗連接，所述控制部件I能夠將基于所述發動機8扭矩得到的控制電流與基于所述發動機8功率曲線得到的目標電流進行整合，以對所述主栗進行控制。
[0009]進一步地，所述發動機8上設有電控單元4，所述控制部件I能夠通過所述電控單元4獲取所述發動機8的實際扭矩百分比，并根據所述實際扭矩百分比與預設的極限扭矩百分比之間的偏差得到所述控制電流。
[0010]進一步地，所述控制部件I包括PID控制單元19，所述PID控制單元19能夠對所述實際扭矩百分比與所述極限扭矩百分比的偏差進行PID控制以得到所述控制電流。
[0011]進一步地，還包括用于檢測所述主栗的工作壓力的檢測部件，所述控制部件I能夠根據所述主栗的工作壓力和所述發動機8的極限扭矩得到所述目標電流，所述極限扭矩通過所述發動機8的功率曲線的最大扭矩乘以所述極限扭矩百分比得到。
[0012]進一步地，還包括用于為其它執行部件18供油的副栗11，所述副栗11與所述主栗同軸設置，所述檢測部件還用于檢測所述副栗11的工作壓力，所述控制部件I能夠根據所述主栗的工作壓力、所述副栗11的工作壓力和所述發動機8的極限扭矩得到所述目標電流。
[0013]進一步地，還包括功率調節器5和正控制口調節器6，所述控制部件I能夠根據整合后的電流通過所述功率調節器5和/或所述正控制口調節器6對所述主栗進行控制。
[0014]進一步地，還包括比例減壓閥，所述控制部件I能夠將整合后的電流輸出給所述比例減壓閥，并通過所述功率調節器5對所述主栗進行功率控制和/或通過所述正控制口調節器6對所述主栗進行排量控制。
[0015]基于上述技術方案，本實用新型實施例的旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，能夠盡量避免轉速波動對控制效果的影響，同時減少在旋挖鉆機工作過程中的發動機掉速值，以保持發動機工作穩定性，從而改善鉆進作業的穩定性;而且能夠較好地解決旋挖鉆機發動機和液壓栗功率匹配的問題，使液壓栗充分利用發動機功率，不僅可以提高旋挖鉆機鉆孔的作業效率，同時可使發動機運行在燃油經濟區域，最大化的合理利用發動機功率，減少能源浪費。
【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0017]圖1為本實用新型提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統的一個實施例的硬件結構框圖；
[0018]圖2為本實用新型提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統的一個實施例的控制原理圖；
[0019]圖3為在旋挖鉆機動力頭系統的一個實施例中發動機極限扭矩曲線示意圖；
[0020]圖4為旋挖鉆機動力頭系統的一個實施例中旋挖鉆機主栗的功率曲線示意圖；
[0021]圖5為旋挖鉆機動力頭系統的一個實施例中旋挖鉆機主栗的功率擬合曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下詳細說明本實用新型。在以下段落中，更為詳細地限定了實施例的不同方面。如此限定的各方面可與任何其他的一個方面或多個方面組合，除非明確指出不可組合。尤其是，被認為是優選的或有利的任何特征可與其他一個或多個被認為是優選的或有利的特征組合。
[0023]本實用新型中出現的“第一”、“第二”等用語僅是為了方便描述，以區分具有相同名稱的不同組成部件，并不表示先后或主次關系。
[0024]如圖1所示的硬件結構框圖，本實用新型提供了一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，在一個實施例中，該控制系統包括:控制部件1、發動機8和至少一個用于為動力頭執行部件17供油的主栗，發動機8同軸驅動至少一個主栗。參見圖2所示的控制原理圖，控制部件I能夠將基于發動機8扭矩得到的控制電流與基于發動機8功率曲線得到的目標電流進行整合，以對主栗進行控制。其中，控制部件I可以是各種類型的DSP或PLC控制器等。
[0025]本實用新型該實施例的旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，通過將控制電流與目標電流整合對主栗進行控制，能夠盡量避免轉速波動對控制效果的影響，是一種可以適用于所有轉速的通用控制方法，同時可以減少在旋挖鉆機工作過程中的發動機掉速值，保持發動機工作穩定性，從而改善鉆進作業的穩定性;而且能夠較好地解決旋挖鉆機發動機和液壓栗功率匹配的問題，使液壓栗充分利用發動機功率，不僅可以提高旋挖鉆機鉆孔的作業效率，同時可使發動機運行在燃油經濟區域，最大化的合理利用發動機功率，減少能源浪費。
[0026]為了使控制部件I能夠基于發動機8的扭矩得到控制電流，在發動機8上設有電控單元4，例如，電控單元4為發動機8上的電控系統ECU，電控單元4可以通過CAN總線與控制部件I連接，控制部件I能夠通過電控單元4獲取發動機8的實際扭矩百分比，并根據實際扭矩百分比與預設的極限扭矩百分比之間的偏差得到控制電流。利用實際扭矩百分比和極限扭矩百分比的偏差作為控制信號對主栗功率進行控制，能夠使主栗在不同轉速下都運行在發動機經濟工作區域，從而提高燃油效率。
[0027]這里對該實施例中涉及到的術語進行說明，發動機8的實際扭矩百分比是指發動機當前扭矩值與當前轉速下發動機性能曲線的最大扭矩值之間的比值，在圖3所示的發動機極限扭矩曲線示意圖中，最上部的曲線為發動機性能曲線，在每一個不同轉速下都對應一個最大扭矩值，每一個轉速下對應的最大扭矩值為常數。極限扭矩百分比是指根據實際情況設定的發動機的最大扭矩值占發動機性能曲線的最大扭矩值的百分比，在控制旋挖鉆機動力頭工作的過程中，極限扭矩百分比為預設值，相當于發動機8的扭矩利用率。在進行控制之前，可以根據不同的轉速，設置一組相應的極限扭矩百分比。
[0028]進一步地，如圖2所示，控制部件I包括PID控制單元19，PID控制單元19能夠對實際扭矩百分比與極限扭矩百分比的偏差進行PID控制以得到控制電流。除了 PID控制方式，本領域技術人員也可以選擇其它合適的控制方式。
[0029]為了使控制部件I能夠基于發動機8功率曲線得到的目標電流，本實用新型的控制系統還包括用于檢測主栗的工作壓力的檢測部件。在一個實施例中，系統中設有兩個主栗，分別為第一主栗9和第二主栗10，發動機8通過聯軸器與第一主栗9和第二主栗10連接，第一主栗9和第二主栗10的功率同時被控制，且排量大小可以相同。第一主栗9和第二主栗10分別與第一壓力傳感器12和第二壓力傳感器13相連。控制部件I能夠采集檢測部件測得的壓力，并根據主栗的工作壓力和發動機8的極限扭矩得到目標電流，極限扭矩通過發動機8的功率曲線的最大扭矩乘以預設的極限扭矩百分比得到。
[0030]通過檢測部件檢測到的各個液壓栗的壓力，再結合極限扭矩和壓力，就能計算出主栗的排量。根據主栗的壓力和排量值，就能夠根據圖4所示的第一主栗9和第二主栗10的功率曲線，進行二折線的線性擬合，得到圖5中的一系列離散曲線，根據極限扭矩值就可以選擇對應的功率曲線。對于單條功率曲線，根據主栗的壓力，就可以得出對應的目標電流值。本實施例將栗的壓力引入到控制系統中，在控制系統中設置不同電流下栗功率特性曲線，根據栗壓力和栗功率特性曲線就能計算出控制主栗的目標電流值。下面將針對不同的實施例給出主栗排量的計算方法。
[0031]針對于設有兩個主栗的實施例，本領域技術人員可以根據如下的方法得到目標電流。首先，根據公式(I)，計算出第一主栗9和第二主栗10所需的排量V1:
[0032]Vl = (KlimXTmax) Xql/(P1+P2) (I)
[0033]其中，V1為第一主栗9和第二主栗10的排量，nl為第一主栗9和第二主栗10的效率，Klim為極限扭矩百分比，Tmax為發動機性能曲線的最大扭矩值，Pl和P2分別為第一主栗9和第二主栗10的壓力。
[0034]由此根據公式(I)計算出的主栗排量，再通過第一主栗9和第二主栗10的功率擬合曲線，就能計算出目標電流。
[0035]在另一個實施例中，系統中除了主栗，還設有至少一個用于為其它執行部件18供油的副栗U。例如:主栗為功率可調的斜軸式變量雙栗，在動力頭鉆進的作業過程中，主栗為動力頭執行部件17提供動力；副栗11為其它液壓執行部件18提供動力，副栗11為帶壓力切斷的負載敏感栗，在副栗11壓力小于壓力切斷值時，排量近似為最大排量，而且副栗11與主栗同軸連接，并與第三壓力傳感器7相連。控制部件I能夠根據主栗的工作壓力、副栗11的工作壓力和發動機8的極限扭矩得到目標電流。
[0036]針對同時設有主栗和副栗11的實施例，本領域技術人員可以根據如下的方法得到目標電流。首先，根據公式(2)計算出第一主栗9和第二主栗10所需的排量V1::
[0037]Vl = (KlimXTmax-P3V2/n2) Xnl/(P1+P2) (2)
[0038]其中，V2為副栗11的排量，n2為副栗11的效率，P3為副栗11的壓力。由此根據公式
(I)計算出的主栗排量，再通過第一主栗9和第二主栗10的功率擬合曲線，就能計算出目標電流。
[0039]在其它的實施例中，如果控制系統中設置了其它數量的主栗或者副栗，也可以對公式(I)和(2)進行變形，得出與系統結構相匹配的主栗排量計算公式，原理為將發動機8的極限扭矩減去所有副栗實際消耗的功率，差值即為主栗實際消耗的功率，再除以所有主栗的壓力之和，即得到主栗的排量。
[0040]在獲得了控制電流與目標電流之后，控制部件I就會對這兩個電流進行整合以控制主栗，下面將通過具體的實施例來說明控制主栗的方式。如圖1所示，控制系統還包括功率調節器5和正控制口調節器6，功率調節器5用于對主栗直接進行功率控制，正控制口調節器6用于對主栗直接進行排量控制。第一主栗9和第二主栗10可以共用一個功率調節器5，也可以共用一個正控制口調節器6。控制部件I能夠根據整合后的電流通過功率調節器5和/或正控制口調節器6對主栗進行控制，以達到與發動機8功率相匹配的目的。
[0041]進一步地，控制系統中還設有與控制部件I相連的比例減壓閥，用于根據輸入的電流輸出相應的油液壓力，以對功率調節器5和正控制口調節器6進行控制。控制部件I能夠將整合后的電流輸出給比例減壓閥，并通過功率調節器5對主栗進行功率控制和/或通過正控制口調節器6對主栗進行排量控制。在圖1所示的實施例中，可以設置兩個比例減壓閥，分別為第一比例減壓閥2和第二比例減壓閥3，分別對功率調節器5和正控制口調節器6進行控制。在控制旋挖鉆機動力頭工作的初始環節，還需要設定第一比例減壓閥2和第二比例減壓閥3的初始電流值。
[0042]優選地，控制系統中同時設有功率調節器5和正控制口調節器6，功率調節器5對主栗進行功率控制，主栗的功率是與排量和壓力同時相關的量，而正控制口調節器6是直接對主栗的排量進行控制。在當前系統壓力下，通過功率調節器5的控制功率值可以獲知對應的排量值，將功率調節器5對主栗的間接排量控制值與正控制口調節器6對主栗的直接排量控制值相比較，選擇較小的排量值對主栗進行控制。
[0043]采用雙調節器的優點在于，該實施例能夠通過功率調節器5對主栗的功率進行控制，正控制口調節器6對主栗的掉速進行控制，在實際控制中可以根據當前主栗與發動機8的匹配狀態來選擇采用哪個調節器進行控制。如果只采用功率調節器，則需要根據實際工況對功率調節器的控制方式來回切換，具體體現在切換輸入比例減壓閥的電流，這樣控制系統在狀態切換時就會發生抖動，不能穩定地控制動力頭執行部件17工作。而本實用新型的該實施例不需要對控制狀態進行切換，因而非常適合于旋挖鉆機在工作時由于受到土質影響工作速度經常波動的工作特性，能夠有效地改善鉆進作業的穩定性，從而能夠提高旋挖鉆機動力頭的工作速度和效率。
[0044]在上述實施例的基礎上，下面給出動力源至執行機構之間的連接關系。下面以同時設有主栗和副栗11的實施例給出，第一主栗9和第二主栗10均通過第一多路閥15與動力頭執行部件17相連，例如，動力頭執行部件17為動力頭馬達，第一多路閥15的控制油路與液壓先導手柄14相連。副栗11通過第二多路閥16與其它執行部件18相連，第二多路閥16的控制油路也與液壓先導手柄14相連。
[0045]下面將以圖1所示的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統為例，對本實用新型控制系統的工作過程進行詳細闡述。
[0046](I)初始化及參數設定:設置第一比例減壓閥2和第二比例減壓閥3的初始電流值；并針對發動機8的不同轉速，設置一組相應的極限扭矩百分比；
[0047](2)數據采集:控制部件I通過發動機I的電控單元4獲得實際扭矩百分比，并通過第一壓力傳感器12、第二壓力傳感器13和第三壓力傳感器7分別獲得第一主栗9、第二主栗10和副栗11的壓力信號；
[0048](3)得出控制電流:提取極限扭矩百分比的設定值，得出極限扭矩百分比與實際扭矩百分比的差值，并將此差值作為反饋信號，進行PID調節，輸出控制電流信號；
[0049](4)得出目標電流:按照前面給出的方法計算出極限扭矩值，根據第一主栗9和第二主栗10的功率曲線，進行二折線的線性擬合，得到圖5中的一系列離散曲線，根據極限扭矩值就可以得到對應的功率曲線。然后通過前面給出的公式(2)計算出主栗的排量，再根據第一主栗9和第二主栗10的功率擬合曲線，計算出目標電流。
[0050](5)將步驟(3)中得到的控制電流與步驟(4)中得到的目標電流進行疊加；
[0051](6)將疊加后的電流信號輸出至比例減壓閥，進而控制功率調節器5和/或正控制口調節器6，從而實時對主栗進行控制，不管采用哪個調節器對主栗控制，最終都體現在對主栗的輸入功率進行實時控制。隨后返回步驟(3)并循環執行后續的步驟。
[0052]以上對本實用新型所提供的一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統及方法進行了詳細介紹，這兩個主題中提到的相關特征和有益效果可以相互借鑒。凡采用等同替換或等效變換控制形成的極限載荷控制系統，均落在本實用新型要求的保護范圍內。本文中應用了具體的實施例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，包括:控制部件(I)、發動機(8)和至少一個用于為動力頭執行部件(17)供油的主栗，所述發動機(8)與所述主栗連接，所述控制部件(I)能夠將基于所述發動機(8)扭矩得到的控制電流與基于所述發動機(8)功率曲線得到的目標電流進行整合，以對所述主栗進行控制。2.根據權利要求1所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，所述發動機(8)上設有電控單元(4)，所述控制部件(I)能夠通過所述電控單元(4)獲取所述發動機(8)的實際扭矩百分比，并根據所述實際扭矩百分比與預設的極限扭矩百分比之間的偏差得到所述控制電流。3.根據權利要求2所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，所述控制部件(I)包括PID控制單元(19)，所述PID控制單元(19)能夠對所述實際扭矩百分比與所述極限扭矩百分比的偏差進行PID控制以得到所述控制電流。4.根據權利要求2所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，還包括用于檢測所述主栗的工作壓力的檢測部件，所述控制部件(I)能夠根據所述主栗的工作壓力和所述發動機(8)的極限扭矩得到所述目標電流，所述極限扭矩通過所述發動機(8)的功率曲線的最大扭矩乘以所述極限扭矩百分比得到。5.根據權利要求4所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，還包括用于為其它執行部件(18)供油的副栗(11)，所述副栗(11)與所述主栗同軸設置，所述檢測部件還用于檢測所述副栗(11)的工作壓力，所述控制部件(I)能夠根據所述主栗的工作壓力、所述副栗(11)的工作壓力和所述發動機(8)的極限扭矩得到所述目標電流。6.根據權利要求1所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，還包括功率調節器(5)和正控制口調節器(6)，所述控制部件(I)能夠根據整合后的電流通過所述功率調節器(5)和/或所述正控制口調節器(6)對所述主栗進行控制。7.根據權利要求6所述的提高旋挖鉆機動力頭工作速度的控制系統，其特征在于，還包括比例減壓閥，所述控制部件(I)能夠將整合后的電流輸出給所述比例減壓閥，并通過所述功率調節器(5)對所述主栗進行功率控制和/或通過所述正控制口調節器(6)對所述主栗進行排量控制。
【文檔編號】F04B49/06GK205532267SQ201620251587
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】孫輝, 郜星, 劉凱磊
【申請人】徐工集團工程機械股份有限公司