工程机械高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制技术

卢 燃，庞 博

（内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市国能北电胜利能源有限公司，锡林郭勒盟 026000）

高压柱塞泵通过柱塞在缸体内上下往复运动，从而产生高压液压能量，用于驱动工程机械的液压执行机构[1]。高压柱塞泵通常由柱塞、缸体、进油口、出油口等组成[2]，通过将液压油从低压区域抽入高压区域，并随后将高压液压油输出来实现液压传动[3]。高压柱塞泵在工程机械中提供了稳定而高效的液压能量，用于控制各种液压驱动系统，如液压缸、液压马达等[4]。然而，由于工程机械环境复杂、工作强度大，传统的手动润滑方法存在着润滑量不均匀等问题，无法满足工程机械高效运行的需求，导致柱塞泵中的滑靴副、柱塞副和配流副是3 个关键的摩擦副的磨损，进而造成摩擦表面间隙增大，引起柱塞泵泄漏等问题[5]。因此，研发一种智能化集中润滑自动控制技术，对工程机械的运行和维护具有重要意义。

文献[6]提出航空柱塞泵关键摩擦性能增强研究，基于柱塞泵关键摩擦副的润滑理论和实验，分析机械设备表面改性和性能增强技术，完成润滑控制；文献[7]提出基于双面平均6 点推导法的柱塞泵滑靴副润滑控制方法，建立柱塞泵滑靴副双面平均6 点推导方法，在恒温、变温、振动与非振动工况下，对柱塞泵测点变量进行精确测量，进而获得滑靴副变化规律，检验滑靴副液体润滑性能，实现柱塞泵润滑控制。上述方法均具有一定的应用性，但依旧存在摩擦副磨损面积较大，导致柱塞泵泄漏，设备寿命周期短的问题。

针对上述研究，提出工程机械高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制技术。

1 工程机械高压柱塞泵组件受力情况分析

在工程机械高压柱塞泵数学模型中，不计柱塞滑靴组件的离心力[8]和底端的摩擦，此时，在Fny力的作用下，柱塞与气缸之间的线接触点始终是垂直的。将柱塞与气缸的间接触力分布长度设定为lo与li，并用当量集中力Fo和Fi来取代，满足表达式为

式中：lf表示柱塞与气缸之间的接触长度，柱塞作往复运动时，柱塞与气缸之间的接触长度也随之改变。

对带铜套筒的柱塞副，用分段函数求出接触长度lf，表达式为

式中：long为最长接触距离；lsht为最短接触距离，即：

式中：R 表示柱塞套筒的直径；lb表示铜套长度；lcnd表示柱塞球到柱塞末端的距离；lcp表示从柱塞球到柱塞颈端面的距离；γmax表示最大倾斜圆盘的倾斜角度；lcbv表示铜套端面与柱塞球的距离；lcbs表示柱塞球与铜套表面的距离；dp 表示柱塞位移量。

对于不带铜套筒的柱塞副，也就是长接触柱塞，lf表达式为

根据力的平衡关系，可以得出y 方向和z 方向的结果分别如式（7）、式（8）所示：

式中：Fn表示反推力；Fr表示柱塞副组件所受的回程作用力；fi、fo表示柱塞两端的库伦摩擦系数；μ表示润滑油粘度；vp表示柱塞在轴向上的往复式速度；hp表示柱塞副的润滑油膜厚度；Fa表示惯性力。

2 基于油膜分析结果获取润滑动态负载压力参数

根据上述计算，可得对于柱塞泵双线集中润滑控制，使用库伦摩擦力进行计算更符合实际情况。因为库伦摩擦力主要描述的是固体接触情况下的摩擦力，与柱塞和气缸之间的实际接触面有关。在柱塞泵中，由于受力点分布不均匀，可能存在一些局部接触和固体摩擦的情况。因此考虑库伦摩擦力，可以更准确地反映实际摩擦状态。

在此基础上，进行双线集中润滑下高压柱塞泵油膜分析。在工程机械高压柱塞泵发生偏心运动时，柱塞与柱塞套筒间的空隙中，会形成一层偏心的柱塞泵润滑油层。假设柱塞与柱塞套都是理想的柱体，则柱塞的润滑油膜厚度h 表达式为

式中：r 表示柱塞的直径；K、B 表示均为柱塞轴向偏心率。

柱塞面的圆柱形的表达式为

式中：L0表示柱塞总长度。在此基础上，根据柱塞的柱面方程，确定了K、B 的数值，从而得到柱塞润滑油膜厚度的偏心位置。

柱塞泵槽内流场的压力场分布可以用雷诺方程来表示：

式中：p 表示油膜压力；vpx表示柱塞面在圆周方向上的速度；vpy表示柱塞往复式的速率。

在柱塞偏心的情况下，柱塞处于一种倾斜状态，因柱塞前、后两个端部的压力差，使得间隙油膜产生动态负载，从而支撑导致动态压力，如图1 所示。

图1 柱塞泵间隙图Fig.1 Clearance diagram of plunger pump

由此可以得出在柱塞泵中的任何一点上由于动态负载压力支撑而产生的压力，表达式为

式中：a=h1/h2，h1、h2表示柱塞泵2 个端部处的间隙油膜厚度；Δp=ps-p0，ps、p0表示柱塞两端的压力值；pk表示动态支撑所产生的压力值；U 表示柱塞移动速率值；L 表示柱塞在柱塞套筒中的剩余长度；z 表示任一点的坐标。

3 工程机械高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制

通过油膜分析，可以了解润滑剂在高压柱塞泵的柱塞与气缸之间形成的油膜情况。根据PID 润滑自动控制原理，确定PID 神经网络每一层的神经元数目、连接模式以及连接权重初值；利用误差反向传播算法对连接权重进行修正，并在线学习调节比例、积分和微分参数KP、KI、KD，从而在双线集中润滑控制下令高压柱塞泵的目标函数趋于最佳。

根据PID 润滑自动控制器的特性，选择适合PID 神经网络的连接权重初值。

PID 润滑自动控制器的输入量是由系统给出的输入量o 与系统输出y 误差值e 构成，也就是：

式中：k 表示采样时间，其中，系统输入为负载压力pk和油膜厚度h1、h2。

PID 控制器的输出是比例、积分和微分动作的线性叠加数v，PID 高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制律表达式为

式中：T 表示取样周期；TI表示积分时间常数；TD表示微分时间常数；e（i）表示误差值取值。

柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制流程，如图2 所示。

图2 柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制流程Fig.2 Intelligent centralized lubrication automatic control flow chart for dual line plunger pump

针对单一输出PID 神经网络，基于PID 自动控制的特性，选择其输入层与隐含层之间的连接权重初值，实现（o，y）→e 函数的映射。对于真实（o，y）→e的映射，从输入层到隐含层的连接权重初值选择为

式中：w1j、w2j表示输入层到隐含层的连接权重数值，其中j=1，2，3。

PID 神经网络的连接权是通过对输入层与隐含层的初始权重进行选取来确定的，则：

式中：w1′、w2′、w3′表示PID 神经网络输入层到隐含层的连接权重数值变量标记。

（1）输入层

PID 神经网络输入层中节点设定包括油膜厚度、润滑动态负载压力、柱塞轴向偏心率等润滑控制参数。将控制参数设定为数值net1（k），真实数值设定为net2（k），则有：

对于每个隐含层的神经元，输入之和netj′（k）为

式中：xi（k）表示输入层神经元的输出总数。

（2）隐含层

（o，y）→e 映射是由隐含层输入之和而得到的。

神经元的比例输出表达式为

式中：u1′（k）表示隐含层的神经元比例元状态。

神经元积分的输出表达式为

式中：u2′（k）表示隐含层的神经元积分元状态。

神经元的微分输出表达式为

式中：u3′（k）表示隐含层的神经元微分元状态。

（3）输出层

对于输出层，输入之和为

当PID 神经网络的连接权重被设定为初始值时，该神经网络的输出润滑控制指标为

PID 神经网络中的连接权重初值即为初始等效PID 控制器。进一步对PID 神经网络进行在线学习，调节连接权重，实现高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制。

4 柱塞泵润滑自动控制实验

为了验证所提技术的润滑控制有效性，设计对比实验。以MCY14-1B 型号高压柱塞泵作为实验对象，设置实验参数为

柱塞直径：20 mm。

柱塞长度：100 mm。

气缸内径：50 mm。

润滑剂参数：选择矿物油作为润滑剂。

实验方法步骤如下：

（1）制备实验装置，配置润滑系统、安装柱塞副和压力传感器测量设备；

（2）设定柱塞泵的动态负载压力分别为18 MPa、25 MPa、30 MPa 三个等级，选用3 种柱塞副间隙油膜厚度为10 μm、17 μm、22 μm 作为实验变量；

（3）在上述条件下开始实验，并记录相关数据，如摩擦力、间隙油膜厚度、润滑剂供给参数等；

（4）在上述实验步骤下，分别分析动态负载和间隙油膜厚度对柱塞副润滑控制性能的影响。通过电动驱动设备施加动态负载，并进行控制和调整，验证所设计高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制技术的性能。

4.1 动态负载压力

柱塞泵的动态负载压力分别为18 MPa、25 MPa、30 MPa 三个等级，15 MPa 作为实验动态负载压力界限，动态负载对柱塞泵压力的影响，如图3 所示。

图3 动态负载对柱塞泵压力的影响Fig.3 Effect of dynamic load on the plunger pump pressure

通过图3 能够看出，随着负载的增加，柱塞泵的压力也逐渐变大。但可以观察到，18 MPa 效果是3 个等级中最佳的。因此，为了验证润滑控制效果，选择压力为18 MPa 作为实验参数。

4.2 柱塞副间隙油膜厚度

选用3 种柱塞副间隙油膜厚度为10 μm、17 μm、22 μm 作为实验变量，如图4 所示。能够看出22 μm的油膜压力最大。随着运行时间的增长，柱塞副间隙油膜厚度会随之改变，由于工程机械高压柱塞泵属于一项大型工程，油膜压力会较大，因此选用22 μm 作为控制约束，验证所提技术的性能。

图4 油膜峰值压力Fig.4 Peak oil film pressure

柱塞副控制前后的变化如图5 所示。通过图5（a）能够看出，未控制时柱塞副的混合摩擦面积较大，会导致设备使用周期缩短，润滑效果较差，设备磨损严重，经过控制后，摩擦面积较小，基本上在0 mm2浮动，证明润滑的自动控制作用，降低了设备的损耗，提高其运行周期时间；从图5（b）可以看出，未控制时的柱塞副油膜间隙厚度较大，导致油液速度梯度增加，摩擦力增加。经过控制后，虽然柱塞副油膜间隙厚度较大，但是油液速度梯度变小，致使摩擦力降低；从图5（c）可以看出，经过控制后柱塞副泄漏量随之减少，明显优于未控制的机械设备状态。

图5 柱塞副控制前后的变化Fig.5 Changes in plunger pair control before and after

综上所述，所提方法柱塞泵润滑控制效果俱佳，减少设备磨损，加强使用寿命。

5 结语

本文提出了工程机械高压柱塞泵双线智能化集中润滑自动控制技术。通过建立工程机械高压柱塞泵组件模型，计算柱塞油膜厚度偏差，得到动态负载支撑产生的压力，采用PID 神经网络算法润滑控制柱塞泵，设置连接权重初值，输出润滑控制指标。实验结果表明，通过智能化集中润滑自动控制技术，工程机械运行过程中的高压柱塞泵可以实时监测并自动调节润滑剂负载压力和油膜厚度，确保每个润滑点都能得到均匀适量的润滑，柱塞泵润滑控制效果较好，从而延长设备的使用寿命，减少故障率，降低维修成本。