全液壓鉆機頂驅回轉機構同步系統(tǒng)分析與仿真

劉麗娜

(內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古通遼028000)

目前各國的液壓鉆機大部分都采用頂部驅動鉆井裝置，簡稱頂驅。該系統(tǒng)不但可以節(jié)省20%～25%的鉆井時間，而且也可有效防止卡鉆事故，特別適用于斜井、高難度的定向井的鉆探。頂驅裝置將由液壓馬達驅動，這就需要高壓大排量的液壓馬達。頂驅回轉機構采用結構形式、尺寸、精度尤其是排量相同、容積效率較高且相等的4個軸向柱塞液壓馬達作為執(zhí)行元件，馬達以并聯(lián)工況為主。當鉆機長時間工作后，會發(fā)現(xiàn)齒輪的磨損嚴重，減速箱因受力不均易產生振動從而影響鉆進性能。出現(xiàn)這種情況的原因在于:系統(tǒng)由4臺液壓馬達提供驅動力，然后再經減速器的1 對減速齒輪將動力傳給主軸，在傳遞過程中，扭矩難免會有差異;另外，4個馬達在尺寸、制造精度等各方面也不可能完全相同，這就造成了鉆進過程中4個馬達的同步精度降低[1]。

1 LUDV控制系統(tǒng)簡介

如圖1所示，4個馬達為并聯(lián)連接，多路換向閥是手動控制換向閥門的組合，以進行多個工作機構的集中控制，采用的型號為力士樂M4、M7 等集成閥組。工作時，4個馬達驅動減速器，減速器再帶動主軸旋轉[2]。為了保證4個馬達的同步轉動，采用了負載獨立流量分配系統(tǒng)(LUDV)。

圖1 頂驅回轉機構液壓原理圖

LUDV系統(tǒng)是力士樂等公司在改進負荷傳感技術的基礎上發(fā)展起來的，是與負載無關的流量分配系統(tǒng)，通常由壓力補償閥、梭閥、LS控制閥等元件組成[3]。當有多個執(zhí)行元件同時工作時，系統(tǒng)通過梭閥來將其中最高的壓力負載信號反饋到壓力補償閥以改變泵的缸體擺腳來實現(xiàn)變量。由于系統(tǒng)能自動檢測出負載的最高壓力，所以泵始終以大于最高壓力一個微小值，為系統(tǒng)供油[4]。這樣一來，泵能夠提供與負載相匹配的流量，減小了系統(tǒng)的能量損失，提高了效率。當泵所提供的流量不能保證各馬達正常工作所需時，并不是優(yōu)先供給負載較小的執(zhí)行元件，而是系統(tǒng)按照節(jié)流口的開口面積大小，按比例地把流量分配給各執(zhí)行元件[5]，從而保證同時工作的執(zhí)行元件動作同步，避免造成元件的磨損。

通過改變各節(jié)流閥閥口面積，不僅實現(xiàn)流量的按比例分配，而且泵輸出功率也與負載功率相匹配，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)約了能源[6]。根據以上敘述，泵的供油量不足時，任何一個馬達也不會停止工作，而是同時按比例地減小轉動速度，并不影響傳動精度，大大提高了系統(tǒng)的工作性能。

綜上所述，流量不受負載的影響是這個控制系統(tǒng)的主要特點。而其他控制系統(tǒng)就不能滿足這一點，目前控制性能良好的獨立流量分配系統(tǒng)已經廣泛應用于各種液壓系統(tǒng)。

2 LUDV控制系統(tǒng)的工作原理及仿真建模

2.1 LUDV控制系統(tǒng)的工作原理

如圖2所示為LUDV控制系統(tǒng)的原理簡圖。

圖2 LUDV控制系統(tǒng)原理圖

控制閥組以整體式多路閥為主，包括操縱閥和壓力補償閥，操縱閥又由節(jié)流閥和換向閥組成，因為換向閥對于控制原理沒有什么影響，所以圖中并沒有畫出。圖中只列出了兩液壓馬達并聯(lián)，如果能實現(xiàn)兩馬達同步，那么4個馬達也就能實現(xiàn)同步。圖中利用梭閥將兩馬達中工作壓力較高的信號pm分別傳給LS控制閥和壓力補償閥，換向節(jié)流環(huán)節(jié)設置在壓力補償閥之前，其進口壓力為泵的出口壓力ps。壓力補償閥控制換向節(jié)流閥的壓差，它的一端壓力為高負載壓力pm，則有:

pA1=pm+pk1pA2=pm+pk2

如果調解其開啟壓力pk使得pk1=pk2，則有pA1=pA2，因為換向節(jié)流閥的前后壓差Δp=ps－pA，由此可得出Δp1=Δp2=Δp，其流量公式為:

式中:Q1、Q2為兩換向節(jié)流閥的流量;

C1、C2為流量系數(shù);

A1、A2為閥口截面積;

Δp為閥口前后壓差;

ρ為液壓油密度。

由以上公式可以得出:流經兩個馬達的流量之比只與兩節(jié)流換向閥的開口面積成正比，即:因此只要調節(jié)好兩閥的開口面積使A1=A2，就可以使進入兩馬達的液壓油的流量相等。當系統(tǒng)負載發(fā)生變化、泵的供油量不足時，Δp 相應減小，但是仍然有Δp1=Δp2=Δp，所以流量仍然與閥的開口面積成正比，流量還是成比例地分配。

2.2 仿真建模

在計算機技術突飛猛進發(fā)展的今天，以及一些相關學科如:流體力學、近代控制理論、可靠性理論等的發(fā)展，為液壓仿真技術的發(fā)展打下了堅實的基礎[7]。應用仿真技術，可以對研究對象進行仿真實驗，研究設計方案的可行性，分析結構參數(shù)對系統(tǒng)或元件性能的影響[8]，從而為設計者提供設計、調試和使用的可靠依據，將進一步推動液壓技術不斷向前發(fā)展。

作者采用法國IMAGINE 公司開發(fā)的AMESim軟件對液壓馬達同步系統(tǒng)進行仿真計算和深入分析。

建立同步系統(tǒng)仿真模型需要用到液壓庫、機械庫、信號庫等。系統(tǒng)中所用到的控制閥如果在軟件中沒有模型，就需要用軟件所帶的液壓元件庫自行設計。對于系統(tǒng)中的動力機構、控制信號以及變量馬達和泵等各種元件，分別在各庫中選取，最終，根據圖2建立如圖3所示的仿真模型。

進行液壓馬達同步系統(tǒng)仿真時，選擇各種元件的模型以及確定各種參數(shù)是很重要的。但是精確地設置參數(shù)是很困難的，只能在反復的仿真過程中不斷地調整各參數(shù)。此次仿真主要是說明閥后壓力補償，使得在負載不相同的情況下，確保閥口前后壓差致使流量分配不受負載影響。故給出壓力補償閥的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 LUDV控制系統(tǒng)仿真模型

表1 壓力補償閥主要參數(shù)

假定兩馬達，分別受負載力矩T1=400 N·m、T2=500 N·m，液壓泵的排量為220 mL/min，額定轉速為1 000 r/min，兩節(jié)流口直徑相同。為了從液壓的角度來解決不同步的問題，采用了在閥后進行壓力補償?shù)姆绞剑m然兩馬達所受負載力矩不一致，用壓力補償?shù)姆绞绞构?jié)流口前后壓差一致，使流量的分配不受負載影響。圖3是采用閥后壓力補償模型的AMESim模型。

3 LUDV系統(tǒng)仿真

圖4是兩馬達所受負載力矩，兩負載的差異很大，馬達入口壓力差異也大，如圖5所示。

圖4 兩馬達所受負載力矩

圖5 兩馬達入口壓力

壓力補償?shù)淖饔镁褪菍毫π〉脑龃?，使兩?jié)流口出口壓力達到一致。如圖6所示，通過補償作用，兩節(jié)流口出口壓力基本一致，且都逼近壓力大的值。這是由于通過梭閥的作用，將壓力大的一方引入壓力補償閥，用來與節(jié)流口壓力進行比較并達到平衡。圖7是節(jié)流口入口壓力，兩節(jié)流口入口壓力一樣，是泵的出口壓力，知道了閥口前后壓力，就知道了閥口前后壓差。如圖8所示兩節(jié)流口前后壓差基本一致。

圖6 兩節(jié)流口出口壓力

圖7 兩節(jié)流口入口壓力

圖8 兩節(jié)流口前后壓差

閥口前后壓差達到一致，使通過節(jié)流口的流量不再受負載的影響，流量的分配由節(jié)流口開度決定，做到了流量的獨立分配。因此要兩馬達同步，只需要控制兩節(jié)流口的開度一致便可達到目的，如圖9、10所示兩馬達的流量、轉速基本達到一致。

圖9 兩馬達流量

圖10 兩馬達轉速

根據以上分析，仿真結果可以總結如下:

通過仿真分析，可以看出閥后壓力補償能很好地實現(xiàn)流量的分配不受負載的影響，通過控制閥口開度來控制通過閥口的流量，同時閥后壓力通過補償達到一致，不會出現(xiàn)流量只流向阻力小的地方的情況，實現(xiàn)了按閥口開度比例來分配流量。

4 結束語

對頂驅回轉機構的液壓馬達同步系統(tǒng)進行了分析，采用負載獨立流量分配(LUDV)控制系統(tǒng)來保證各馬達長時間的同步精度。介紹了LUDV控制系統(tǒng)組成并分析其工作原理，用AMESim軟件建立控制系統(tǒng)模型;最后進行仿真，主要是說明了閥后壓力補償，使得在負載不相同的情況下，確保閥口前后壓差一致，使流量的分配不受負載影響，從而使各馬達的流量保持一致，最終馬達同步。

【1】張翼.正確消除液壓同步馬達的同步誤差[J].流體傳動與控制，2008(6):51－53.

【2】沙永柏.串聯(lián)馬達承載力分析[J].工程機械，2009(2):47－49.

【3】王四新.淺談挖掘機的液壓系統(tǒng)和元件[J].液壓氣動與密封，2000(2):27－28，31.

【4】陳欠根.負載獨立流量分配(LUDV)控制系統(tǒng)[J].液壓與氣動，2003(10):10－11，9.

【5】蔣道成.LUDV控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真[J].機械工程師，2008(4):27－28.

【6】吳曉健.液壓挖掘機功率控制節(jié)能技術研究[D].長沙:中南大學，2005.

【7】程燕，鮑務均.綜述基于ADAMS的液壓仿真虛擬樣機技術[J].機械研究與應用，2005(1):94－95.

【8】江玲玲.基于AMESim的液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真與優(yōu)化研究[D].綿陽:西南科技大學，2007.