一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统及方法与流程

本发明涉及作业机械控制技术领域，尤其涉及一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统及方法。

背景技术：

旋挖钻机动力头系统是指旋挖钻机钻孔作业时驱动动力头回转进给，进而带动钻杆和钻头工作的整个动力驱动系统，包括发动机、液压泵、多路阀、动力头马达、动力头、钻杆和钻头等。旋挖钻机钻孔作业过程中动力传递路线为发动机通过联轴器带动液压泵旋转，液压泵输出的流量经过多路阀后驱动动力头马达，动力头马达通过减速机增大扭矩带动钻杆，钻杆的转动带动钻头工作。

在动力头进行钻进作业的过程中，由于受到土质、岩石等影响，负载会出现大幅度的波动，因此现有旋挖钻机动力系统一般采用相比液压泵较大的发动机装机功率，以增强旋挖钻机在负载急剧变化时工作的稳定性，但采用装机功率较大的发动机使整机成本上升，同时也造成了发动机功率浪费。如旋挖钻机采用较小装机功率的发动机，在旋挖钻机工作过程中，由于负载较大，发动机掉速较大并且容易出现熄火现象，对旋挖钻机钻孔作业及发动机寿命产生很大影响。

为了尽量减少旋挖钻机动力头系统在工作时发动机功率的浪费，一般采用功率匹配系统来使工程机械中发动机和液压泵功率匹配，从而使液压泵能充分利用发动机功率，同时使发动机运行在燃油经济区域，从而最大化地合理利用发动机能量。

传统的功率匹配调节方法，大多需要检测发动机转速运行情况，根据发动机掉速来控制液压泵的吸收功率，以减小发动机的功率储备，从而防止发动机过载。在发动机的功率与液压泵功率实时调节时，需 要根据工况进行分类，将发动机划分不同的工作区间，相应地调节泵的吸收功率，使发动机稳定运行在目标工作点附近。

考虑到发动机转速自身波动特性的影响，现有方案必须在检测掉速的过程中，给定一个较大的参考设定值，即当检测到发动机的目标转速与实际转速的差值达到某一参考设定值以后，才对变量泵的功率进行控制，这样的控制方法无形中扩大了检测掉速的范围，同时带来了严重的控制滞后性，从而增加了控制难度。同时现有方案一般采用分档模式控制，不同档位采用不同液压泵电流进行功率匹配，控制电流在主泵功率不大于发动机功率时一般不变，考虑到负载波动情况，一般不同模式下主泵功率远小于发动机功率，同时主泵双弹簧拟合恒功率特性并不能保持功率恒定，尤其在负载较大时功率下降幅度较大，因此现有技术方案在解决功率匹配方面进一步受到了限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统及方法，能够在旋挖钻机动力头系统工作的过程中，使控制动力头执行部件的液压泵更加合理地利用发动机的功率。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统，包括：控制部件1、发动机8和至少一个用于为动力头执行部件17供油的主泵，所述发动机8与所述主泵连接，所述控制部件1能够将基于所述发动机8扭矩得到的控制电流与基于所述发动机8功率曲线得到的目标电流进行整合，以对所述主泵进行控制。

进一步地，所述发动机8上设有电控单元4，所述控制部件1能够通过所述电控单元4获取所述发动机8的实际扭矩百分比，并根据所述实际扭矩百分比与预设的极限扭矩百分比之间的偏差得到所述控制电流。

进一步地，所述控制部件1包括PID控制单元19，所述PID控制单元19能够对所述实际扭矩百分比与所述极限扭矩百分比的偏差 进行PID控制以得到所述控制电流。

进一步地，还包括用于检测所述主泵的工作压力的检测部件，所述控制部件1能够根据所述主泵的工作压力和所述发动机8的极限扭矩得到所述目标电流，所述极限扭矩通过所述发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以所述极限扭矩百分比得到。

进一步地，还包括用于为其它执行部件18供油的副泵11，所述副泵11与所述主泵同轴设置，所述检测部件还用于检测所述副泵11的工作压力，所述控制部件1能够根据所述主泵的工作压力、所述副泵11的工作压力和所述发动机8的极限扭矩得到所述目标电流。

进一步地，还包括功率调节器5和正控制口调节器6，所述控制部件1能够根据整合后的电流通过所述功率调节器5和/或所述正控制口调节器6对所述主泵进行控制。

进一步地，还包括比例减压阀，所述控制部件1能够将整合后的电流输出给所述比例减压阀，并通过所述功率调节器5对所述主泵进行功率控制和/或通过所述正控制口调节器6对所述主泵进行排量控制。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制方法，包括：

基于发动机8的扭矩得到控制电流；

基于所述发动机8的功率曲线得到目标电流；

将所述控制电流与所述目标电流进行整合；

根据整合后的电流对主泵进行控制。

进一步地，所述基于发动机8扭矩得到控制电流的步骤具体包括：

获取所述发动机8的实际扭矩百分比；

根据所述实际扭矩百分比与预设的极限扭矩百分比的偏差得到控制电流。

进一步地，所述根据所述实际扭矩百分比与预设的极限扭矩百分比的偏差得到控制电流的步骤具体包括：

对所述实际扭矩百分比与所述极限扭矩百分比的偏差进行PID 控制得到控制电流。

进一步地，所述基于所述发动机8的功率曲线得到的目标电流的步骤具体包括：

根据所述发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以所述极限扭矩百分比得到极限扭矩；

检测所述主泵的工作压力；

根据所述主泵的工作压力和所述发动机8的极限扭矩得到所述目标电流。

进一步地，所述基于所述发动机8的功率曲线得到的目标电流的步骤具体包括：

根据所述发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以所述极限扭矩百分比得到极限扭矩；

检测所述主泵和与所述主泵连接的副泵11的工作压力；

根据所述主泵的工作压力、所述副泵11的工作压力和所述发动机8的极限扭矩得到所述目标电流。

进一步地，所述根据整合后的电流对主泵进行控制的步骤具体包括：

将整合后的电流输出给比例减压阀；

通过所述比例减压阀对功率调节器5进行功率控制；

通过所述比例减压阀对正控制口调节器进行排量控制；

将所述功率调节器5对应的排量与所述正控制口调节器对应的排量进行对比，选取对应排量较小的控制方式对所述主泵进行控制。

进一步地，还包括：

根据所述发动机8的不同转速，预设相应的所述极限扭矩百分比。

基于上述技术方案，本发明实施例的旋挖钻机动力头工作速度的控制系统，能够尽量避免转速波动对控制效果的影响，同时减少在旋挖钻机工作过程中的发动机掉速值，以保持发动机工作稳定性，从而改善钻进作业的稳定性；而且能够较好地解决旋挖钻机发动机和液压泵功率匹配的问题，使液压泵充分利用发动机功率，不仅可以提高旋 挖钻机钻孔的作业效率，同时可使发动机运行在燃油经济区域，最大化的合理利用发动机功率，减少能源浪费。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统的一个实施例的硬件结构框图；

图2为本发明提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统的一个实施例的控制原理图；

图3为在旋挖钻机动力头系统的一个实施例中发动机极限扭矩曲线示意图；

图4为旋挖钻机动力头系统的一个实施例中旋挖钻机主泵的功率曲线示意图；

图5为旋挖钻机动力头系统的一个实施例中旋挖钻机主泵的功率拟合曲线示意图；

图6为本发明提高旋挖钻机动力头工作速度的控制方法的一个实施例的流程示意图；

图7为本发明提高旋挖钻机动力头工作速度的控制方法的另一个实施例的流程示意图；

图8为本发明提高旋挖钻机动力头工作速度的控制方法的再一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

如图1所示的硬件结构框图，本发明提供了一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统，在一个实施例中，该控制系统包括：控制部件1、发动机8和至少一个用于为动力头执行部件17供油的主泵，发动机8同轴驱动至少一个主泵。参见图2所示的控制原理图，控制部件1能够将基于发动机8扭矩得到的控制电流与基于发动机8功率曲线得到的目标电流进行整合，以对主泵进行控制。

本发明该实施例的旋挖钻机动力头工作速度的控制系统，通过将控制电流与目标电流整合对主泵进行控制，能够尽量避免转速波动对控制效果的影响，是一种可以适用于所有转速的通用控制方法，同时可以减少在旋挖钻机工作过程中的发动机掉速值，保持发动机工作稳定性，从而改善钻进作业的稳定性；而且能够较好地解决旋挖钻机发动机和液压泵功率匹配的问题，使液压泵充分利用发动机功率，不仅可以提高旋挖钻机钻孔的作业效率，同时可使发动机运行在燃油经济区域，最大化的合理利用发动机功率，减少能源浪费。

为了使控制部件1能够基于发动机8的扭矩得到控制电流，在发动机8上设有电控单元4，例如，电控单元4为发动机8上的电控系统ECU，电控单元4可以通过CAN总线与控制部件1连接，控制部件1能够通过电控单元4获取发动机8的实际扭矩百分比，并根据实际扭矩百分比与预设的极限扭矩百分比之间的偏差得到控制电流。利用实际扭矩百分比和极限扭矩百分比的偏差作为控制信号对主泵功率进行控制，能够使主泵在不同转速下都运行在发动机经济工作区域，从而提高燃油效率。

这里对该实施例中涉及到的术语进行说明，发动机8的实际扭矩百分比是指发动机当前扭矩值与当前转速下发动机性能曲线的最大扭矩值之间的比值，在图3所示的发动机极限扭矩曲线示意图中，最上部的曲线为发动机性能曲线，在每一个不同转速下都对应一个最大扭矩值，每一个转速下对应的最大扭矩值为常数。极限扭矩百分比是指 根据实际情况设定的发动机的最大扭矩值占发动机性能曲线的最大扭矩值的百分比，在控制旋挖钻机动力头工作的过程中，极限扭矩百分比为预设值，相当于发动机8的扭矩利用率。在进行控制之前，可以根据不同的转速，设置一组相应的极限扭矩百分比。

进一步地，如图2所示，控制部件1包括PID控制单元19，PID控制单元19能够对实际扭矩百分比与极限扭矩百分比的偏差进行PID控制以得到控制电流。除了PID控制方式，本领域技术人员也可以选择其它合适的控制方式。

为了使控制部件1能够基于发动机8功率曲线得到的目标电流，本发明的控制系统还包括用于检测主泵的工作压力的检测部件。在一个实施例中，系统中设有两个主泵，分别为第一主泵9和第二主泵10，发动机8通过联轴器与第一主泵9和第二主泵10连接，第一主泵9和第二主泵10的功率同时被控制，且排量大小可以相同。第一主泵9和第二主泵10分别与第一压力传感器12和第二压力传感器13相连。控制部件1能够采集检测部件测得的压力，并根据主泵的工作压力和发动机8的极限扭矩得到目标电流，极限扭矩通过发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以预设的极限扭矩百分比得到。

通过检测部件检测到的各个液压泵的压力，再结合极限扭矩和压力，就能计算出主泵的排量。根据主泵的压力和排量值，就能够根据图4所示的第一主泵9和第二主泵10的功率曲线，进行二折线的线性拟合，得到图5中的一系列离散曲线，根据极限扭矩值就可以选择对应的功率曲线。对于单条功率曲线，根据主泵的压力，就可以得出对应的目标电流值。本实施例将泵的压力引入到控制系统中，在控制系统中设置不同电流下泵功率特性曲线，根据泵压力和泵功率特性曲线就能计算出控制主泵的目标电流值。下面将针对不同的实施例给出主泵排量的计算方法。

针对于设有两个主泵的实施例，本领域技术人员可以根据如下的方法得到目标电流。首先，根据公式(1)，计算出第一主泵9和第二主泵10所需的排量V1：

V1＝(Klim×Tmax)×η1/(P1+P2) (1)

其中，V1为第一主泵9和第二主泵10的排量，η1为第一主泵9和第二主泵10的效率，Klim为极限扭矩百分比，Tmax为发动机性能曲线的最大扭矩值，P1和P2分别为第一主泵9和第二主泵10的压力。

由此根据公式(1)计算出的主泵排量，再通过第一主泵9和第二主泵10的功率拟合曲线，就能计算出目标电流。

在另一个实施例中，系统中除了主泵，还设有至少一个用于为其它执行部件18供油的副泵11。例如：主泵为功率可调的斜轴式变量双泵，在动力头钻进的作业过程中，主泵为动力头执行部件17提供动力；副泵11为其它液压执行部件18提供动力，副泵11为带压力切断的负载敏感泵，在副泵11压力小于压力切断值时，排量近似为最大排量，而且副泵11与主泵同轴连接，并与第三压力传感器7相连。控制部件1能够根据主泵的工作压力、副泵11的工作压力和发动机8的极限扭矩得到目标电流。

针对同时设有主泵和副泵11的实施例，本领域技术人员可以根据如下的方法得到目标电流。首先，根据公式(2)计算出第一主泵9和第二主泵10所需的排量V1：：

V1＝(Klim×Tmax-P3V2/η2)×η1/(P1+P2) (2)

其中，V2为副泵11的排量，η2为副泵11的效率，P3为副泵11的压力。由此根据公式(1)计算出的主泵排量，再通过第一主泵9和第二主泵10的功率拟合曲线，就能计算出目标电流。

在其它的实施例中，如果控制系统中设置了其它数量的主泵或者副泵，也可以对公式(1)和(2)进行变形，得出与系统结构相匹配的主泵排量计算公式，原理为将发动机8的极限扭矩减去所有副泵实际消耗的功率，差值即为主泵实际消耗的功率，再除以所有主泵的压力之和，即得到主泵的排量。

在获得了控制电流与目标电流之后，控制部件1就会对这两个电流进行整合以控制主泵，下面将通过具体的实施例来说明控制主泵的 方式。如图1所示，控制系统还包括功率调节器5和正控制口调节器6，功率调节器5用于对主泵直接进行功率控制，正控制口调节器6用于对主泵直接进行排量控制。第一主泵9和第二主泵10可以共用一个功率调节器5，也可以共用一个正控制口调节器6。控制部件1能够根据整合后的电流通过功率调节器5和/或正控制口调节器6对主泵进行控制，以达到与发动机8功率相匹配的目的。

进一步地，控制系统中还设有与控制部件1相连的比例减压阀，用于根据输入的电流输出相应的油液压力，以对功率调节器5和正控制口调节器6进行控制。控制部件1能够将整合后的电流输出给比例减压阀，并通过功率调节器5对主泵进行功率控制和/或通过正控制口调节器6对主泵进行排量控制。在图1所示的实施例中，可以设置两个比例减压阀，分别为第一比例减压阀2和第二比例减压阀3，分别对功率调节器5和正控制口调节器6进行控制。在控制旋挖钻机动力头工作的初始环节，还需要设定第一比例减压阀2和第二比例减压阀3的初始电流值。

优选地，控制系统中同时设有功率调节器5和正控制口调节器6，功率调节器5对主泵进行功率控制，主泵的功率是与排量和压力同时相关的量，而正控制口调节器6是直接对主泵的排量进行控制。在当前系统压力下，通过功率调节器5的控制功率值可以获知对应的排量值，将功率调节器5对主泵的间接排量控制值与正控制口调节器6对主泵的直接排量控制值相比较，选择较小的排量值对主泵进行控制。

采用双调节器的优点在于，该实施例能够通过功率调节器5对主泵的功率进行控制，正控制口调节器6对主泵的掉速进行控制，在实际控制中可以根据当前主泵与发动机8的匹配状态来选择采用哪个调节器进行控制。如果只采用功率调节器，则需要根据实际工况对功率调节器的控制方式来回切换，具体体现在切换输入比例减压阀的电流，这样控制系统在状态切换时就会发生抖动，不能稳定地控制动力头执行部件17工作。而本发明的该实施例不需要对控制状态进行切换，因而非常适合于旋挖钻机在工作时由于受到土质影响工作速度经常波动 的工作特性，能够有效地改善钻进作业的稳定性，从而能够提高旋挖钻机动力头的工作速度和效率。

在上述实施例的基础上，下面给出动力源至执行机构之间的连接关系。下面以同时设有主泵和副泵11的实施例给出，第一主泵9和第二主泵10均通过第一多路阀15与动力头执行部件17相连，例如，动力头执行部件17为动力头马达，第一多路阀15的控制油路与液压先导手柄14相连。副泵11通过第二多路阀16与其它执行部件18相连，第二多路阀16的控制油路也与液压先导手柄14相连。

以图1所示的提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统为例，结合图6至图8所示的流程示意图，下面将对本发明控制系统的工作过程进行详细阐述。

(1)初始化及参数设定：设置第一比例减压阀2和第二比例减压阀3的初始电流值；并针对发动机8的不同转速，设置一组相应的极限扭矩百分比；

(2)数据采集：控制部件1通过发动机1的电控单元4获得实际扭矩百分比，并通过第一压力传感器12、第二压力传感器13和第三压力传感器7分别获得第一主泵9、第二主泵10和副泵11的压力信号；

(3)得出控制电流：提取极限扭矩百分比的设定值，得出极限扭矩百分比与实际扭矩百分比的差值，并将此差值作为反馈信号，进行PID调节，输出控制电流信号；

(4)得出目标电流：按照前面给出的方法计算出极限扭矩值，根据第一主泵9和第二主泵10的功率曲线，进行二折线的线性拟合，得到图5中的一系列离散曲线，根据极限扭矩值就可以得到对应的功率曲线。然后通过前面给出的公式(2)计算出主泵的排量，再根据第一主泵9和第二主泵10的功率拟合曲线，计算出目标电流。

(5)将步骤(3)中得到的控制电流与步骤(4)中得到的目标电流进行叠加；

(6)将叠加后的电流信号输出至比例减压阀，进而控制功率调 节器5和/或正控制口调节器6，从而实时对主泵进行控制，不管采用哪个调节器对主泵控制，最终都体现在对主泵的输入功率进行实时控制。随后返回步骤(3)并循环执行后续的步骤。

另外，本发明还提供了一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制方法，可以基于上述实施例所述的各个控制系统，在一个示意性的实施例中，如图6所示，包括如下步骤：

步骤101、基于发动机8的扭矩得到控制电流；

步骤102、基于发动机8的功率曲线得到目标电流；

步骤103、将控制电流与目标电流进行整合；

步骤104、根据整合后的电流对主泵进行控制。

其中，步骤101和步骤102相互独立，既可以同时执行，也可以顺序执行，且这两个步骤的执行顺序不受限制。

为了得到控制电流，在一种实施方式中，如图7和图8所示，步骤101具体包括如下步骤：

步骤101a、获取发动机8的实际扭矩百分比；

步骤101b、根据实际扭矩百分比与预设的极限扭矩百分比的偏差得到控制电流。

利用实际扭矩百分比和极限扭矩百分比的偏差作为控制信号对主泵功率进行控制，能够使主泵在不同转速下运行在发动机经济工作区域，从而提高燃油效率。

在该实施例中，步骤101b具体可以包括：

步骤101b’、对所述实际扭矩百分比与所述极限扭矩百分比的偏差进行PID控制得到控制电流。除了采用PID方式进行控制，也可以选择其它的控制方式。

为了得到目标电流，在一种实施方式中，对于控制系统中只包括主泵的实施例，如图7所示，步骤102具体包括如下步骤：

步骤102a、根据发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以极限扭矩百分比得到极限扭矩；

步骤102b、检测主泵的工作压力；

步骤102c、根据主泵的工作压力和发动机8的极限扭矩得到目标电流。

在另一种实施方式中，对于控制系统中包括同轴设置的主泵和副泵11的实施例，如图8所示，步骤102具体包括如下步骤：

步骤102a、根据发动机8的功率曲线的最大扭矩乘以极限扭矩百分比得到极限扭矩；

步骤102b’、检测主泵和与主泵连接的副泵11的工作压力；

步骤102c’、根据主泵的工作压力、副泵11的工作压力和发动机8的极限扭矩得到目标电流。

在基于发动机8功率曲线得到目标电流的过程中，在控制系统的主题中已经详细地给出了计算目标电流的方法和采用的公式，这里就不再重复说明。

当通过前面的步骤获得了控制电流和目标电流并整合后，参见图8，步骤104根据整合后的电流对主泵进行控制具体包括如下步骤：

步骤104a、将整合后的电流输出给比例减压阀；

步骤104b、通过比例减压阀对功率调节器5进行功率控制；

步骤104c、通过比例减压阀对正控制口调节器6进行排量控制；

步骤104d、将功率调节器5对应的排量与正控制口调节器6对应的排量进行对比，选取对应排量较小的控制方式对主泵进行控制。

在该实施例中，步骤104b和104c相互独立，无特定时序限制，优选为同步执行。由于在控制系统的主题中已经详细地给出功率调节器5和正控制口调节器6的设置及控制方式，关于采用功率调节器5和正控制口调节器6对主泵进行控制的优点也进行了分析，因而该实施例中各个步骤在执行过程中的细节可以参考前面的叙述。

在执行上述实施例的步骤之前，还可以进行参数设定步骤，如下：

步骤100、根据发动机8的不同转速，预设相应的极限扭矩百分比。

除了进行参数设定，还可以进行对各个功能部件进行初始化，例如对比例减压阀设定初始化电流等。

在上述的各个执行步骤中，除了步骤100，其它步骤的执行主体均可以为图1中的控制部件1，例如各种类型的DSP或PLC控制器等。

以上对本发明所提供的一种提高旋挖钻机动力头工作速度的控制系统及方法进行了详细介绍，这两个主题中提到的相关特征和有益效果可以相互借鉴。凡采用等同替换或等效变换控制形成的极限载荷控制系统，均落在本发明要求的保护范围内。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。