新型液压冲击机械控制系统方案研究
摘 要：液压冲击机械是一种新型的工程机械，论文在分析了目前国内外液压冲击机械工作原理与控制技术现状的基础上，提出了新型的液压控制系统方案，分析了液压冲击机械工作性能参数的控制方法，有利于实现液压冲击机械的智能化控制。
关键词：液压冲击机械；工作参数；控制系统
引 言
液压冲击机械是20世纪70年代发展起来的工程机械设备，作为冲击破碎工作与动力控制的源泉，液压控制系统是冲击机械系统的重要组成部分。它必须保证设备正常工作的技术性能要求，同时还需考虑使用经济性指标。不管是液压凿岩机还是液压破碎锤，必须有各种性能完善的液压钻车或液压挖掘机与其配套，才能完成应有的工作机能。液压控制系统的主要功能是：控制液压冲击器的工作；控制液压支臂的变幅运动及回转运动以便使冲击器对准要破碎的物体；驱动行走机构等。
由液压冲击机械冲击器系统工作原理可知，冲击系统工作压力波动幅值大、频率高，一般的齿轮泵或叶片泵难以满足其工作要求；为了提高冲击系统效率、减少能量损失，柱塞变量泵才是合适的动力源。柱塞变量泵有手动变量、比例变量、恒功率变量、液控变量和恒压变量等几种类型。根据有关研究表明：手动变量泵虽然结构简单、价格便宜，但变量调节控制不方便，不适合液压冲击器工作时的恶劣工况要求；恒功率变量泵结构复杂、价格昂贵，使用经济性不好；比例变量泵也有类似缺陷；恒压变量泵和液控变量泵可通过电液控制调节其恒压弹簧的预压缩量或通过对恒压缸进行液控实现其输出压力无级控制，泵与冲击器的耦合特性好，投有溢流损失，能量利用率高，工作时操作简便，因而成为液压冲击器的最佳动力源。
一、电液控制阀在液压冲击系统中的应用
一个设计合理的液压控制系统必须使液压冲击器协调系统完成冲击、回转、推进等工作机能，同时又赋予其安全保证功能(如自动防卡、自动停推等控制功能)。随着液压冲击机械的迅速发展，其液压系统也不断得到优化，各种型式及性能的电液控制阅相继应用于液压冲击破碎系统中。
要实现液压冲击机械系统的自动控制，从简化系统结构的角度考虑，冲击系统压力应该在数字信号控制下无级变化输出；同时，推进系统压力和转钎流量也必须能在数字信号控制下无级变化输出。电液伺服阀控制、电液比例阀控制和高速开关电磁阀控制均能实现对这些量的无级变化输出。
电液伺服阀是一种高精度的控制阀，能达到很高的控制精度，但对油液的清洁度要求高，因此，它一般只用于精度要求很高的场合，如数控机床的液压控制系统等。对于类似冲击凿岩等工况恶劣、精度要求不高的场合，一般不用电液伺服阀，除它本身价格昂贵外，会使液压系统的过滤装置成本成倍增加，并且可靠性低。
电液比例阀的控制精度能满足一般工业控制要求，其对油液的清洁度要求与一般液压元件相同，价格也较电液伺服阀便宜，目前国产电液比例阀的性能已完全能满足实际工程需要，但控制电路较复杂。
高速开关电磁阀是近年来美国、德国和日本等国研究开发的一种新型数字阀，它利用方波信号的变化频率和调制率大小来控制阀的开关频率和开关时间比，由此实现对液压系统压力或流量的比例控制。它控制方式简单，直接与计算机接口(无须A／D转换)，通过计算机输出方渡信号给放大器就能直接驱动，价格便宜，该阀对油液清洁要求不高，抗污染能力强，因此，是一种很有前途的电液控制阀。作者在液压冲击控制系统中引入此阀，分别对推进系统和冲击系统的工作压力进行无级输出控制，从而实现对新型液压冲击机械系统输出工作参数的计算机无级调节控制。
二、液压冲击机械液压控制系统总体方案
(一)理论分析
液压冲击机械冲击系统所用压力油直接由冲击泵提供，若忽略管路及阀口压力损失，冲击系统的工作压力即为冲击泵的输出压力，用只表示。液压冲击机械是通过冲击系统压力的变化来实现冲击能和冲击频率的调节控制的。
根据有关理论和实践，如前所述，液压冲击机械冲击系统采用恒压变量泵作为冲击液压能源是最合理的选择。为适应不同的工况，设备的冲击压力及冲击流量需要相应调节，作为冲击泵的恒压变量泵由于本身结构的缺陷，只能通过人工手动调节其变量机构才能达到改变输出压力之目的，因此不能实现冲击压力及流量的无级自动调节。为了解决这个矛盾，作者设计了一种新型变量伺服机构，通过在液压控制系统中BI进高速开关电磁阀，采用计算机控制，产生的输出压力信号直接作用于恒压变量泵的调压弹簧，根据高速开关电磁阀输出压力的不同来达到控制恒压变量泵输出压力的目的，从而实现设备冲击能及冲击频率等工作参数的无级调节。
液压冲击机械推进系统的压力油也取自恒压变量泵，由于推进系统工作压力小于冲击系统工作压力，所以在压力油进入推进油缸之前，必须进行减压，因此，需在推进回路中设置减压阀；同时，结合变行程调节机构的工作原理，液压冲击凿岩破碎要求推进力无级变化及推进流量很小的特点，采用两个两位三通高速开关电磁阀共同构成推进控制回路，实现推进系统压力的无级调节控制和推进开关及换向控制。
对于某些具有转钎机构的液压冲击机械，如液压凿岩机，在液压控制系统中必须有转钎回路，在凿岩破碎过程中，转钎压力是不定的，转钎流量则根据冲击状态及岩石性质而改变，以使冲击和转钎达到合理匹配。对于一般的凿岩系统，为简化结构，采用手动变量柱塞泵作为转钎泵，只要将泵的输出流量调定为转钎马达正常工作所需流量，即可保证在任何冲击状态下均无溢流损失。由于转钎压力较低，也可采用齿轮泵作转钎泵．但必须设置一节流阀调节其流量，以满足凿岩过程对转钎速度的要求，但有能量损失，从价格因素考虑，选用齿轮泵作转钎泵，可作为一种选择方案(用于一些简单的液压冲击凿岩系统)。对于计算机控制的液压冲击机械系统，选用比例变流量泵作为转钎泵较为合理，采用电磁比例变量方式，计算机通过直接控制泵本身带的电磁比例阀输人电流来控制泵的输出流量，实现在任何凿岩状态F无溢流能量损失，转钎换向只须由一个电液换向阀完成。
(二)方案设计
系统工作原理：
1．泵的启动
所有控制阀处于图示位置，启动泵的驱动电机。此时冲击系统通过电液换向阀14的右位卸荷，转钎系统通过电液换向阀3的中位卸荷，而推进系统此时无压力油进入。
2．冲击、推进工作原理
DT通电；电渡换向圆14处于左位，接通冲击油路；高速开关电磁阀9、10、11通电处于脉冲宽度调制(PWM)状态。高速开关电磁阀11输出控制压力作用于恒压变量泵的变量机构，使泵输出所需的调定压力，当泵(冲击泵)的最大输出流量Q大于液压冲击机械在冲击系统压力为阀11调定压力下要求的冲击流量Q时，实际冲击系统压力P等于阀11的调定压力，而冲击流量Q取决于冲击系统压力P。
由于在选择泵时保证了泵的最大输出流量大于液压冲击机械额定工作压力下的冲击流量，因此，在非过载设备运转条件下，凿岩破碎冲击系统压力与流量取决于闽11的控制压力，即取决于计算机施加于高速开关电磁阀11的脉宽调制率。根据液压冲击机械变行程调节机构工作原理，当被破碎物体的物理性质不同时，为获得最优的凿岩破碎效果，要求设备能适时地输出最佳工作参数与之匹配，通过调节高速开关电磁阀11的调制率，使其先导控制恒压变量泵的输出压力来满足设备所具有的变频调能的工作机能。
同时，控制推进液压缸的高速开关电磁阀9、10也处于脉宽调制状态，进行凿岩冲击破碎时，阀10通电全开(此时调制率为100％，实际工作时调制率为85％阀已处于全开启状态)，无级调节施加于阀9上的调制率，即可无级调节阀9的输出压力，也即进入推进缸的工作压力，从而无级控制推进系统施加于物体的推进力。阀9、阀10分别单独通电处于脉宽调制状态，可实现驱动液压冲击机械推进机构工作的推进液压缸正反向运动，即设备推进与返回运动，当阀9、阀10都不通电时，停止液压冲击机械推进。
3．转钎工作原理
DT1和DT2全断电和单独通电，即可实现转钎的开关和换向，调节调速阀4即可调节转钎流量，实现转钎速度的无级调节输出。无级调节BDT，的控制电流，即可无级输出转钎流量，满足转钎速度的无级变化输出，DT1和DT2的单独通电，可实现转钎换向，DT1和DT2都不通电，停止转钎动作。
4．防卡钎工作原理
当液压冲击机械进行凿岩破碎工作时，转钎压力低于先导阀8有调定压力，滚动换向7在弹簧力的作用下处于“右位”。如果发生卡钎，则转钎压力升高，当升高到超过该先导阀7的调定压力时，先导阀内有油液流动，使换向阀左右两端产生压差，这种压差作用在该阀阀芯右端，克服弹簧力使阀芯换向，处于“左位”。这时，推进压力油进入推进液压缸6有杆腔，带动冲击器退回，因此，这种新型液压控制系统还具有自动消除卡钎的能力。
三、新型液压控制系统的技术优势
为适应破碎不同性质的岩石，要求液压冲击机械的工作参数是可以调节的。目前，对于工作参数可调的液压冲击机械及其相应的液压控制系统的研究+国内外有关文献甚少。针对液压冲击机械输出工作参数可无级调节的技术要求，作者研制了一种新颖的活塞行程调节装置(即变行程调节机构)，设计了新型的液压控制系统。其优势技术和先进性体现如下。
(一)元件数字化
20世纪80年代以来，由于现代工程装备对高频响、抗污染能力强、成本低廉的电液控制系统的迫切需求，推动了数字式控制元件的发展。高速开关电磁阀是近年发展起来的新型电液数字阀，在新型液压冲击机械控制系统中，作者首次采用了高速开关电磁阀，它无须DIA转换，可以直接与计算机接口，采用液压脉冲宽度调制(PWM)技术就可实现对其输出压力或流量的比例控制。高速开关电磁阀9、10控制推进液压缸6，高速开关电磁阀11控制恒压变量泵12。计算机产生的PWM控制信号通过放大器分别驱动阀9、10及11，根据冲击机械的工作要求完成对推进缸和恒压变量泵的无级调节控制。此外，电液换向阁4、14也都是具有开关通断控制的数字元件，因此，这些元件作为计算机与被控对象间的桥梁，从而使我们能够直接利用计算机实现对新型液压冲击机械系统工作机能的控制。
(二)结构简单化
采用双泵供油方式，恒压变量泵为冲击和推进系统供油，比侧变流量泵(定量泵)为转钎系统供油。整个系统结构简单、紧凑，从而减少了设备投资，提高了系统工作可靠性。
(三)系统集成化
新型液压控制系统构思新颖，克服了传统的液压系统冲击、推进和转钎分立控制的缺陷，率先把三者有机地统一起来，形成了以高速开关电磁阀为核心的集成控制方案，通过设计合理的电液集成控制阀块，简化了液压控制系统，降低了制造成本，提高了系统的精度和可靠性，从而实现了液压冲击机械系统冲击、推进及转钎机构的一体化集成控制。
(四)控制智能化
新型液压控制系统是液压冲击机械设备的“血液循环系统”，其控制输出参数主要是冲击能和冲击频率。控制系统通过采样变行程调节机构缓冲腔压力传感器传送的油压值与控制计算的设定值进行比较，控制施加于高速开关电磁阀9、10、11上的调制率，控制恒压变量泵系统输出工作压力和推进系统的推进压力，使二者合理匹配，从而控制液压冲击机械输出工作参数。在每一工作循环中，计算机(带数据采集卡)通过采样活塞冲击反弹压缩缓冲腔时峰值油压的变化，其反映的是不同物理性质的被破碎物体(如岩石)特征。因此，新型液压控制系统能够很好地满足液压冲击机械漫备的智能化控制要求，即通过变行程调节机构缓冲腔油压变化一判断被破碎物体的物理性质一采用相关控制策略(如PID控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制等)一控制液压控赳系统相关电渡控制阀(如高速开关电磁阀、电磁换向阀等)一控制冲击系统(恒压变量泵系统)工作压力及推进系统工作压力一控制液压冲击机械设备输出工作参数(冲击能及冲击频率等)。
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