基于Amesim的新型防卡釬液壓系統(tǒng)的性能分析

喻 威，陳周偉，陳珍穎，羅春雷

基于Amesim的新型防卡釬液壓系統(tǒng)的性能分析

*喻 威，陳周偉，陳珍穎，羅春雷

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南，長(zhǎng)沙 410083）

針對(duì)現(xiàn)有鑿巖設(shè)備在應(yīng)對(duì)溶洞和裂縫卡釬工況時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)慢而無(wú)法有效防卡釬的問(wèn)題，在對(duì)現(xiàn)有液壓防卡釬控制方案分析的基礎(chǔ)上，提出了一種具有快速響應(yīng)特征的自動(dòng)防溶洞及裂縫卡釬、以及推進(jìn)到位自動(dòng)回退功能的新型鑿巖液壓控制方案。借助AMEsim仿真，對(duì)節(jié)流口、防卡閥等關(guān)鍵元器件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使系統(tǒng)從理論上獲得了最快的響應(yīng)速度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，釬頭打入裂縫中后，推進(jìn)油缸換向響應(yīng)時(shí)間約為0.6 s；釬頭打入溶洞時(shí)，推進(jìn)油缸換向響應(yīng)時(shí)間約為0.5 s，該新控制方案能快速有效預(yù)防卡釬事故、穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)其他同類(lèi)設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

防卡釬；響應(yīng)時(shí)間；鑿巖設(shè)備；裂縫；溶洞

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的鑿巖設(shè)備均已具有不同程度的自動(dòng)化機(jī)能，其中電腦鑿巖臺(tái)車(chē)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布孔—定位—鉆孔的循環(huán)，而一般的開(kāi)環(huán)式控制系統(tǒng)也要求實(shí)現(xiàn)單孔循環(huán)自動(dòng)化[1]。單孔循環(huán)自動(dòng)化是指鑿巖機(jī)開(kāi)孔輕沖擊、鑿巖重沖擊、防卡釬輕沖擊與回退及推進(jìn)到位返回等動(dòng)作的自動(dòng)化。氣動(dòng)鑿巖機(jī)依靠操作者的反應(yīng)速度防止或處理卡釬故障，對(duì)于沖擊功率大、頻率高、鉆進(jìn)速度快的液壓鑿巖機(jī)，仍靠操作者的反應(yīng)速度難以防止卡釬故障，因此液壓鑿巖機(jī)自動(dòng)防卡釬功能顯得尤為重要[2]。

目前國(guó)內(nèi)外的研制的鉆車(chē)都是以轉(zhuǎn)釬壓力為信號(hào)，形成了各式各樣的防卡回路。法國(guó)Secoma公司生產(chǎn)的RPH35型液壓鑿巖機(jī)采用的是容積調(diào)速防卡，轉(zhuǎn)釬壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)減小泵的排量，從而降低推進(jìn)速度，同時(shí)該油壓使得沖擊泵降低排量，減小沖擊功，達(dá)到輕沖擊輕推進(jìn)的效果，從而實(shí)現(xiàn)防卡。瑞典Alimak公司生產(chǎn)的AD101型鑿巖機(jī)采用的是壓力繼電器配合電磁換向閥防卡裝置，屬于二級(jí)防卡，響應(yīng)速度緩慢。芬蘭Tamrock生產(chǎn)的HLR438LS型鑿巖機(jī)使用的是推進(jìn)油路與轉(zhuǎn)釬油路串聯(lián)，并設(shè)置防卡閥的防卡機(jī)理，該回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但是只適用于馬達(dá)—鏈輪推進(jìn)形式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)卡釬輕沖擊時(shí)需另設(shè)回路，使系統(tǒng)復(fù)雜化。瑞典Atlas公司生產(chǎn)的COP系列鑿巖臺(tái)車(chē)在推進(jìn)回路上設(shè)置液動(dòng)換向閥，以轉(zhuǎn)釬壓力作為反饋，當(dāng)轉(zhuǎn)釬壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，推動(dòng)換向閥閥芯換向，實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)快退，該方法簡(jiǎn)單可靠，但是由于防卡閥芯為柱閥，必須有一段密封長(zhǎng)度，使得防卡閥響應(yīng)速度提高受到限制[2-3]。

以上的各種液壓控制系統(tǒng)的防卡方法，雖然其結(jié)構(gòu)各據(jù)特點(diǎn)，均在不同程度上取得了一定的效果，但在實(shí)際生產(chǎn)中還存在著下列較為突出的問(wèn)題：

(1)膠管與閥數(shù)量多，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便，可靠性降低；

(2)自動(dòng)防卡能力不強(qiáng)，關(guān)鍵在于防卡反應(yīng)速度跟不上，卡釬信號(hào)是由轉(zhuǎn)釬壓力信號(hào)傳遞至推進(jìn)油路，再使鑿巖機(jī)回退，傳遞距離遠(yuǎn)，時(shí)間長(zhǎng)，加上數(shù)個(gè)控制閥的換向時(shí)間，使得防卡反應(yīng)速度降低。

(3)對(duì)于溶洞卡釬反應(yīng)緩慢，不能預(yù)防溶洞卡釬故障。

卡釬故障一旦發(fā)生，在陰暗燥熱的隧道中消除故障具有極大勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)阻礙整體施工進(jìn)度。因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工案例，深入探討卡釬機(jī)理，尋求更好的防卡途徑，一直是國(guó)內(nèi)外從事液壓鑿巖工程技術(shù)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

對(duì)此，楊襄璧[4]提出了一種以預(yù)防卡釬為主，處理卡釬為輔的二路反饋三級(jí)防卡釬的自動(dòng)防卡釬方法。胡均平[5]通過(guò)對(duì)推進(jìn)壓力反饋?zhàn)詣?dòng)防卡釬控制條件的研究分析，自動(dòng)防溶洞卡釬的計(jì)算機(jī)控制模型，并進(jìn)行了防溶洞卡釬性能仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試。趙宏強(qiáng)，李美香[6-7]對(duì)潛孔鉆機(jī)設(shè)計(jì)一套利用回轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)壓力同時(shí)作為反饋信號(hào)的能應(yīng)對(duì)多種工況的綜合自動(dòng)防卡鉆控制方案，并對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行了理論研究。筆者曾設(shè)計(jì)一種推進(jìn)壓力自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、鑿巖機(jī)自動(dòng)輕沖及自動(dòng)回退的防卡釬系統(tǒng)，并著重對(duì)其中的防卡閥理論探索和試驗(yàn)研究[8]。

本文在這些研究的基礎(chǔ)上提出一種新的液壓防卡釬方案，該方案以推進(jìn)油壓力作為反饋信號(hào)，力求縮短壓力反饋路徑和反饋壓力建壓時(shí)間，并以反應(yīng)速度快的插裝閥作為防卡閥使用，力求獲得最快的防卡反應(yīng)速度。利用AMEsim軟件對(duì)該液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模分析并對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)該系統(tǒng)的可行性和性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 新型快速防卡釬液壓系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)

1.1 防卡釬機(jī)理的探討

根據(jù)卡釬具體的情況可以分為以下兩種：

(1)裂縫卡釬：卡釬瞬間，釬桿受力極大。釬桿瞬間打入巖石的裂隙中，轉(zhuǎn)釬阻力矩超過(guò)鑿巖系統(tǒng)能供給的最大轉(zhuǎn)矩，釬桿卡死，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)停止，轉(zhuǎn)釬壓力和推進(jìn)壓力同時(shí)升高到最大值。應(yīng)使推進(jìn)方向閥換向，推進(jìn)油缸帶動(dòng)鑿巖機(jī)回退。

(2)溶洞卡釬：釬桿打入巖石溶洞中，阻力消失，使得鑿巖機(jī)快速向前，直至再次撞擊到巖面，碎石卡在釬頭與釬桿的連接處，釬頭拔出困難。此類(lèi)卡釬在液壓系統(tǒng)中首先表現(xiàn)在轉(zhuǎn)釬壓力和轉(zhuǎn)釬壓力突然下降，出現(xiàn)卡釬后表面為兩者同時(shí)升高到最大值。出現(xiàn)此類(lèi)卡釬時(shí)應(yīng)力求在釬頭快速前進(jìn)而未再次撞擊巖面前完成推進(jìn)方向閥換向，使鑿巖機(jī)回退。然后人工操作鑿巖機(jī)進(jìn)行試探性輕推，越過(guò)溶洞后再啟動(dòng)自動(dòng)鑿巖循環(huán)，避免卡釬。

1.2 新型防卡釬液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在生產(chǎn)實(shí)踐中，溶洞卡釬的造成的危害較大，一般也將其作為主要研究部分。對(duì)于裂縫卡釬，因?yàn)樗矔r(shí)壓力上升，鑿巖機(jī)幾乎不前進(jìn)，釬桿行進(jìn)位移小，故大多能退回。而溶洞卡釬時(shí)釬桿行進(jìn)位移大，碎石卡在釬頭與釬桿之間，再使鑿巖機(jī)退回已非常困難。

快速響應(yīng)防卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾條原則：

(1)以實(shí)用為原則，圍繞推進(jìn)壓力設(shè)計(jì)防卡閥組，簡(jiǎn)化油路，縮短壓力反饋路徑；

(2)制方法上來(lái)說(shuō)，采用純液壓控制鑿巖系統(tǒng)，這樣可以減去電液之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，同時(shí)能更好地適應(yīng)惡劣工況；

(3)用響應(yīng)速度快的插裝閥元件搭建系統(tǒng)，最大程度地縮短響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)更好地滿足互換性原則。

根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)出防卡釬液壓系統(tǒng)如圖1。

1減壓閥，2換向閥，3推進(jìn)油缸，4單向節(jié)流閥，5防卡閥，6順序閥主閥，7順序閥先導(dǎo)閥

1.3 快速防卡釬液壓系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)工作過(guò)程包括：輕推輕沖擊開(kāi)眼、重沖擊開(kāi)眼、卡釬返回及運(yùn)動(dòng)到位自動(dòng)返回。圖1中，P1為推進(jìn)換向閥出口壓力；P2為推進(jìn)油缸大腔壓力；P3為推進(jìn)油缸小腔壓力；P4為防卡閥與節(jié)流口D5上方壓力；Di為各處節(jié)流口。

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

(1)輕推輕沖擊開(kāi)眼：推進(jìn)換向閥至于下位，此時(shí)壓力油經(jīng)減壓閥、節(jié)流口D2、進(jìn)入推進(jìn)換向閥以后，分成兩部分，一部分通過(guò)節(jié)流口D11、過(guò)推進(jìn)換向閥流回油箱；另一部分通過(guò)單向節(jié)流閥，進(jìn)入推進(jìn)油缸大腔，鑿巖機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輕推輕沖擊，此時(shí)防卡閥關(guān)閉。

(2)重推鑿巖狀態(tài)：推進(jìn)換向閥置中位，從減壓閥出來(lái)的壓力油通過(guò)單向節(jié)流閥進(jìn)入推進(jìn)油缸大腔，推進(jìn)壓力隨推進(jìn)阻力的增大而增大，實(shí)現(xiàn)重沖擊。

(3)防卡釬狀態(tài)（分兩種情況）：

裂縫卡釬：釬頭沖入硬巖裂縫中被卡住，推進(jìn)壓力升到最大值，推進(jìn)大腔壓力P2增大至順序閥先導(dǎo)閥調(diào)定壓力時(shí)，先導(dǎo)閥打開(kāi)，從P2處流來(lái)的壓力油，分流一部分經(jīng)節(jié)流口D7、節(jié)流口D9回泄漏油箱；順序閥主閥芯在壓差作用下被打開(kāi)，推進(jìn)換向閥換向，鑿巖機(jī)退回。

溶洞卡釬：釬頭打入溶洞中，推進(jìn)阻力突然消失，推進(jìn)大腔處壓力P2迅速降低，防卡閥打開(kāi)，推進(jìn)換向閥換向，鑿巖機(jī)退回。

(4)鑿巖機(jī)推進(jìn)到位自動(dòng)返回：系統(tǒng)的動(dòng)作反應(yīng)及控制過(guò)程與裂縫卡釬一致。

1.4 新型快速防卡釬液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)該系統(tǒng)的核心在于，其卡釬信號(hào)來(lái)源于推進(jìn)油壓的壓力變化，通過(guò)節(jié)流口口的大小，調(diào)節(jié)控制輕推壓力和重推進(jìn)壓力，從而達(dá)到鑿巖機(jī)各種工況的推進(jìn)要求，減小了系統(tǒng)所需的膠管和閥的數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

(2)該系統(tǒng)的防卡裝置由二通插裝閥錐閥組成，由于卡釬信號(hào)由推進(jìn)油壓的變化而來(lái)，其反饋途徑短，相對(duì)轉(zhuǎn)釬壓力反饋來(lái)說(shuō)反饋時(shí)間短，加快了系統(tǒng)防卡釬的反應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)防卡釬能力。

(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用二通插裝錐閥作為防卡閥，因而反應(yīng)靈敏，閥芯運(yùn)動(dòng)無(wú)密閉長(zhǎng)度使得防卡反應(yīng)的速度得到提高，防卡快速性得到保證。

2 卡工況動(dòng)態(tài)仿真

經(jīng)靜態(tài)計(jì)算液壓系統(tǒng)中仿真需要的參數(shù)如下得到：

表1 各節(jié)流口靜態(tài)計(jì)算結(jié)果

2.1 系統(tǒng)AMEsim模型

依據(jù)圖1所示的原理及其結(jié)構(gòu)在Amesim軟件中建立系統(tǒng)模型，如圖2所示。換向閥和插裝閥運(yùn)用Amesim軟件中的Hydraulic Coponent Design庫(kù)中元件搭建，其中換向閥是手動(dòng)復(fù)位形式，因此用質(zhì)量塊的靜摩擦力模擬換向阻力。用力信號(hào)模擬推進(jìn)負(fù)載，參考最優(yōu)軸推力相關(guān)計(jì)算設(shè)定，元器件其他參數(shù)根據(jù)樣本或測(cè)試獲得。

圖2 壓系統(tǒng)AMEsim模型

2.2 結(jié)果分析

首先通過(guò)批處理手段對(duì)靜態(tài)計(jì)算得到的系統(tǒng)中個(gè)節(jié)流口尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示。阻尼孔D3直徑對(duì)溶洞防卡釬性能有很大影響，減小D3直徑可以縮響應(yīng)時(shí)間，但以增大正常工況下的能量損失為代價(jià)，所以應(yīng)在滿足推進(jìn)速度的前提下，盡量選擇小的節(jié)流口，使之既滿足最佳工況的匹配，又可使卡釬性能得到保證。

按照同樣方法對(duì)其他阻尼孔優(yōu)化后得到各阻尼孔的尺寸見(jiàn)表2。

圖3 不同阻尼孔D3直徑對(duì)應(yīng)的P2壓力曲線

表2 各節(jié)流口優(yōu)化后的尺寸

圖4是優(yōu)化后的仿真模型的壓力曲線。用推進(jìn)負(fù)載力隨時(shí)間的函數(shù)模擬卡釬工況：在0.25s時(shí)從重推工況轉(zhuǎn)入裂縫卡釬工況，推進(jìn)負(fù)載由6500N階躍至20000 N。從圖4可以看出，鑿巖機(jī)從重推狀態(tài)轉(zhuǎn)換到裂縫卡釬狀態(tài)，P2點(diǎn)壓力劇增，溢流閥開(kāi)啟，之后下降到減壓閥設(shè)定的壓力，同時(shí)推開(kāi)順序閥。P4點(diǎn)壓力從順序閥開(kāi)啟后開(kāi)始建立壓力，直到足以推動(dòng)換向閥換向。換向閥換向后，推進(jìn)油缸回退，P2點(diǎn)和P4點(diǎn)接通油箱，壓力降為零，整個(gè)換向過(guò)程需要0.4S的響應(yīng)時(shí)間。

圖4 裂縫卡釬時(shí)壓力曲線

圖5是溶洞卡釬工況下的壓力曲線。用推進(jìn)負(fù)載力隨時(shí)間的函數(shù)模擬卡釬工況：在0.04 s時(shí)從重推工況轉(zhuǎn)入溶洞卡釬工況，推進(jìn)負(fù)載由6500 N階躍至0 N。從圖5可以看出，P2點(diǎn)壓力從0.4 s開(kāi)始下降，防卡閥5在D3兩端壓差作用下開(kāi)啟。P4點(diǎn)壓力從防卡閥5開(kāi)啟后建立，換向閥動(dòng)作前達(dá)到最大值，然后壓力下降，換向過(guò)程需要0.18 s響應(yīng)時(shí)間。

圖5 溶洞卡釬壓力曲線

3 試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院與某企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的應(yīng)用了新型快速鑿巖機(jī)防卡釬液壓系統(tǒng)的GLCS16-2型鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)該系統(tǒng)的效果，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖6所示。傳感器選用動(dòng)態(tài)性能良好的壓電式壓力傳感器，測(cè)試儀器為海德泰尼克公司生產(chǎn)的Multisystem 5060手持式液壓測(cè)試儀,同時(shí)連接PC進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)打印。獲得相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的正確性，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。在裂縫卡釬和溶洞卡釬兩種工況下記錄推進(jìn)壓力P2和換向閥控制油口壓力P4的隨時(shí)間變化的曲線。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖7 裂縫卡釬實(shí)驗(yàn)壓力曲線

圖8 溶洞卡釬實(shí)驗(yàn)壓力曲線

由圖7和圖8反應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象可知，釬頭打入裂縫時(shí)需0.6 s反應(yīng)時(shí)間，打到溶洞需要0.5 s反應(yīng)時(shí)間。對(duì)比仿真結(jié)果可知，壓力時(shí)間曲線是基本吻合的，證明液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想正確。因?yàn)榉抡孢^(guò)程中忽略了油缸和管路上的壓力損失，以及仿真時(shí)的推進(jìn)阻力加載是對(duì)真實(shí)情況的簡(jiǎn)化，所以結(jié)果也有所差異。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以液壓鑿巖臺(tái)車(chē)液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種新型液壓防卡釬方案，通過(guò)AMEsim加以仿真，得到了其面對(duì)不同卡釬工況下的動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下：

(1）推進(jìn)壓力能反映出釬頭遭遇的不同的巖石狀況，可作為反饋壓力來(lái)設(shè)計(jì)防卡釬系統(tǒng)；

(2）阻尼孔的尺寸對(duì)防卡釬液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較大，應(yīng)作為優(yōu)化的重點(diǎn)，其中D3對(duì)防溶洞卡釬響應(yīng)速度影響最大，優(yōu)化結(jié)果為1.15mm；

(3)插裝閥閥芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏適用于要求響應(yīng)速度快的場(chǎng)合。

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PERFORMANCE ANALYSIS OF NEW ANTI-JAMMING HYDRAULIC SYSTEM BASED ON AMESIM

*YU Wei, CHEN Zhou-wei, CHEN Zheng-ying, LUO Chun-lei

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan, 410083，China)

In order to avoid the jamming problem of drill-rod because of slow response of existing drilling equipment when facing gaps and karst caves during drilling process, we proposed the principle scheme of a quick-response hydraulic control system which aimed at making the jackdrill return as soon as possible once detected gaps and karst caves. The model of the hydraulic system was established and then solved by AMEsim. The parameters of critical parts such as restrictors and anti-jamming group valve were optimized by simulating to achieving the shortest theoretical response time. The system has been applied to field experiment and the result shows its ascendant ability of preventing jamming failure，the response time is shorter than traditional system in half. This research has great engineering application value to improve the drilling efficiency.

anti-jamming；response time；drilling equipment; gapp；karst cave

TU63

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.016

1674-8085(2014)03-0069-06

2014-03-21；

2014-04-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(SS2012AA041809）；

*喻 威(1988-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士生，主要從事機(jī)電液系統(tǒng)集成與控制技術(shù)研究(E-mail: 364569000@qq.com);

陳周偉(1989-)，男，湖南人郴州人，碩士生，主要從事機(jī)電液系統(tǒng)集成與控制技術(shù)研究(E-mail: 389324556@qq.com);

陳珍穎(1990-)，女，湖南懷化人，碩士生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究(E-mail: 1036754992@qq.com);

羅春雷(1968-)，男，江西高安人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論和工程機(jī)械技術(shù)研究(E-mail: luoclok@163.com).