鑿巖回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)

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(1.山河智能裝備股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410100； 2.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

引言

回轉(zhuǎn)、推進(jìn)為鑿巖鉆機(jī)的關(guān)鍵作業(yè)動(dòng)作，鉆進(jìn)過(guò)程中不同的巖層硬度需要不同的推進(jìn)力，巖層較硬時(shí)，鉆頭較難吃進(jìn)巖層，需要較大的推進(jìn)力；巖層較軟時(shí)，鉆頭較易吃進(jìn)巖層，需要較小的推進(jìn)力。鉆進(jìn)過(guò)程中巖層硬度是變化的，巖層變硬時(shí)，需增大推進(jìn)力，反之需減小推進(jìn)力?；剞D(zhuǎn)力變化能夠反映巖層硬度的變化，回轉(zhuǎn)力增大時(shí)，巖層變軟，反之巖層變硬。推進(jìn)力自適應(yīng)與巖層變化，即可轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力自適應(yīng)與回轉(zhuǎn)力變化，依據(jù)回轉(zhuǎn)力變化主動(dòng)控制推進(jìn)力?？刂乒r為，回轉(zhuǎn)力增大時(shí)，控制推進(jìn)力減小，反之控制推進(jìn)力增大。

可靠的實(shí)現(xiàn)鑿巖回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)控制具有一定的技術(shù)難度，學(xué)術(shù)層面的研究大都集中在鉆進(jìn)機(jī)理、控制方案、控制策略等方面，缺少能夠可靠工程應(yīng)用的鑿巖自適應(yīng)控制系統(tǒng)[1-3]。工程應(yīng)用層面，國(guó)內(nèi)品牌鑿巖鉆機(jī)基本沒(méi)有回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)控制功能。國(guó)際著名品牌鑿巖鉆機(jī)推進(jìn)壓力控制采用直接遠(yuǎn)控負(fù)載敏感主泵的方法，但主泵不只給推進(jìn)油路供油，同時(shí)并聯(lián)給其他油路供油，這就使得不同油路、不同工況工作下主泵壓力的遠(yuǎn)控邏輯復(fù)雜，液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)及維修技術(shù)難以掌握，維護(hù)成本高。

1 回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出鑿巖回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過(guò)推進(jìn)聯(lián)、溢流閥、負(fù)載敏感變量泵等的特殊匹配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)壓力液壓遠(yuǎn)控；采用推進(jìn)壓力液壓遠(yuǎn)控、平衡閥耦合兩溢流閥設(shè)定值、回轉(zhuǎn)壓力無(wú)級(jí)控制平衡閥開(kāi)度等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)無(wú)級(jí)耦合控制[4,5]。

如圖1所示，由負(fù)載敏感變量泵1、負(fù)載敏感比例多路閥3、推進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、液壓油箱8等組成推進(jìn)控制主油路；由負(fù)載敏感比例多路閥3推進(jìn)聯(lián)31及其負(fù)載敏感外控口LsA1、耦合控制閥塊7、回轉(zhuǎn)壓力反饋管路等組成推進(jìn)壓力獨(dú)立液壓遠(yuǎn)控及回轉(zhuǎn)液壓無(wú)級(jí)控制推進(jìn)油路；由液壓泵2、液壓換向閥4、回轉(zhuǎn)馬達(dá)6、液壓油箱8等組成回轉(zhuǎn)控制主油路。本研究界定，推進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5的A1′口進(jìn)油且B1′口回油時(shí)為推進(jìn)下推動(dòng)作，反之為推進(jìn)上提動(dòng)作；回轉(zhuǎn)馬達(dá)的A2′口進(jìn)油且B2′口回油時(shí)為回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)動(dòng)作，反之為回轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)動(dòng)作。

1.負(fù)載敏感變量泵 2.液壓泵 3.負(fù)載敏感比例多路閥 4.液壓換向閥 5.推進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 7.耦合控制閥塊 8.液壓油箱 9.壓力傳感器圖1 回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理圖

負(fù)載敏感比例多路閥3的推進(jìn)聯(lián)31如圖2所示，其特征為，油口A1設(shè)有負(fù)載敏感外控口LsA1，設(shè)有壓差補(bǔ)償器311和負(fù)載反饋梭閥312，壓差補(bǔ)償器311負(fù)載反饋口Ls3通過(guò)推進(jìn)聯(lián)31的閥芯的下位與負(fù)載敏感外控口LsA1連接，壓差補(bǔ)償器311負(fù)載反饋口Ls3與負(fù)載反饋梭閥312的第一進(jìn)油口L31連接，本研究中負(fù)載反饋梭閥312的第二進(jìn)油口L32與液壓油箱8連接。

圖2 推進(jìn)聯(lián)

耦合控制閥塊7的組成如圖3所示，其內(nèi)部匹配及連接特征為，油口C2與強(qiáng)推壓力溢流閥72的進(jìn)油口A4、平衡閥7的1進(jìn)油口A3連接，平衡閥71的回油口B3與弱推壓力溢流閥73的進(jìn)油口A5連接，強(qiáng)推壓力溢流閥72的回油口B4、弱推壓力溢流閥73的回油口B5及所有組成元件的泄油口均與液壓油箱8連接。

71.平衡閥 72.強(qiáng)推壓力溢流閥 73.弱推壓力溢流閥圖3 耦合控制閥塊

2 理論分析

推進(jìn)壓力通過(guò)耦合液壓閥塊7遠(yuǎn)控，耦合液壓閥塊7的油口C2的壓力依次通過(guò)負(fù)載敏感外控口LsA1、推進(jìn)聯(lián)31的閥芯閥體結(jié)構(gòu)、壓差補(bǔ)償器311、負(fù)載反饋梭閥312、負(fù)載敏感比例多路閥3的Ls′口反饋至負(fù)載敏感變量泵1負(fù)載反饋口Ls，負(fù)載敏感變量泵1的出口壓力適應(yīng)于耦合控制閥塊7的油口C2的壓力，進(jìn)而控制推進(jìn)壓力適應(yīng)于耦合控制閥塊7的油口C2的壓力。

平衡閥71的開(kāi)起壓力為預(yù)防卡鉆臨界回轉(zhuǎn)壓力，即回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)耦合控制起始點(diǎn)；全開(kāi)壓力為弱推臨界回轉(zhuǎn)壓力，即回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)耦合控制終止點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)壓力小于所述平衡閥71開(kāi)起壓力時(shí)，平衡閥71處于關(guān)閉狀態(tài)，油口C2的壓力為強(qiáng)推壓力溢流閥72設(shè)定值；回轉(zhuǎn)壓力大于平衡閥71全開(kāi)壓力時(shí)，平衡閥71處于全開(kāi)狀態(tài)，油口C2與強(qiáng)推壓力溢流閥72、弱推壓力溢流閥73均連通，設(shè)定值較低的弱推壓力溢流閥73起作用，油口C2的壓力為弱推壓力溢流閥73設(shè)定值。

回轉(zhuǎn)壓力介于平衡閥71的開(kāi)啟壓力和全開(kāi)壓力之間時(shí)，平衡閥71閥口開(kāi)度由回轉(zhuǎn)壓力通過(guò)油口C1控制，油口C2的壓力由平衡閥71、強(qiáng)推壓力溢流閥72、弱推壓力溢流閥73耦合設(shè)定，壓力平衡方程如下:

pC2=Δp+pA5

pC2+pC1-Fs-k(x+x0)=0

式中,pC2—— 油口C2的壓力值

Δp—— 平衡閥71閥口壓差

pA5—— 弱推壓力溢流閥73設(shè)定值

pC1—— 回轉(zhuǎn)壓力(油口C1的壓力值)

k—— 平衡閥71彈簧剛度

x—— 平衡閥71閥口開(kāi)度

x0—— 平衡閥71彈簧預(yù)壓縮量

Fs—— 穩(wěn)態(tài)液壓動(dòng)力

ρ—— 油液密度

Cd—— 流量系數(shù)

qv—— 負(fù)載敏感外控口LsA輸出流量，為定值

A(x) —— 平衡閥71閥口面積，由閥口形狀和閥口開(kāi)度x確定[6-7]

回轉(zhuǎn)壓力pC1增大，平衡閥閥口開(kāi)度x增大，閥口面積A(x)增大，閥口壓差Δp減小，油口C2的壓力pC2減小；反之，回轉(zhuǎn)壓力pC1減小，平衡閥閥口開(kāi)度x減小，閥口面積A(x)減小，閥口壓差Δp增大，油口C2的壓力pC2增大。

3 系統(tǒng)建模及仿真分析

應(yīng)用AMESim軟件，搭建回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)的AMESim仿真模型，如圖4所示，仿真模型主要包括A10VO泵模型、壓力補(bǔ)償閥模型、平衡閥模型、以及加載模型等，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)AMESim模型

物理量數(shù)值油液密度/kg·m-3890變量泵排量/mL·r-171發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-12100壓力補(bǔ)償閥設(shè)定壓力/bar14高壓溢流閥溢流壓力/bar58低壓溢流閥溢流壓力/bar32平衡閥彈簧剛度/N·mm-1100平衡閥彈簧預(yù)緊力/N552

由圖5可知，回轉(zhuǎn)壓力小于120 bar，推進(jìn)壓力穩(wěn)定在58 bar；回轉(zhuǎn)壓力大于160 bar，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由120 bar增大至160 bar，推進(jìn)壓力由58 bar減小至32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由160 bar減小至120 bar，推進(jìn)壓力由32 bar增大至58 bar；仿真分析結(jié)果與理論分析吻合。

圖5 回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)仿真曲線(xiàn)

4 試驗(yàn)測(cè)試

裝機(jī)試驗(yàn)測(cè)試，分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種工況，靜態(tài)工況測(cè)試為推進(jìn)持續(xù)加載，手動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)壓力，測(cè)試推進(jìn)壓力自適應(yīng)與回轉(zhuǎn)壓力變化的數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)工況測(cè)試為推進(jìn)持續(xù)加載，回轉(zhuǎn)壓力由實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程加載，回轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)壓力互相影響，自適應(yīng)耦合，測(cè)試實(shí)際鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。如圖1所示，回轉(zhuǎn)、推進(jìn)壓力數(shù)據(jù)分別由壓力傳感器91和壓力傳感器92檢測(cè)。耦合控制閥塊平衡閥71開(kāi)啟壓力設(shè)定120 bar，全開(kāi)壓力為160 bar，第一溢流閥設(shè)定58 bar，第二溢流閥設(shè)定32 bar。

由圖6可知，回轉(zhuǎn)壓力小于120 bar，推進(jìn)壓力穩(wěn)定在58 bar；回轉(zhuǎn)壓力大于160 bar，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由120 bar增大至160 bar，推進(jìn)壓力由58 bar減小至32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由160 bar減小至120 bar，推進(jìn)壓力由32 bar增大至58 bar；靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)論與理論及仿真分析吻合。

圖6 靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖7可知，鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程存在多次回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)；圖8為圖7的局部放大圖，反映一次回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，圖中17～18 s區(qū)段，因巖層變化致使回轉(zhuǎn)壓力瞬間增大時(shí)，推進(jìn)壓力隨動(dòng)減小，推進(jìn)壓力減小引起回轉(zhuǎn)壓力減小，回轉(zhuǎn)壓力減小引起推進(jìn)壓力再次增大，推進(jìn)壓力再次增大引起回轉(zhuǎn)壓力再次瞬間增大，推進(jìn)壓力再次隨動(dòng)減小，直至回轉(zhuǎn)推進(jìn)再次平衡工作，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在140 bar、推進(jìn)壓力穩(wěn)定在65 bar。

圖7 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)

動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，提出的回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)性能良好，有效提升鉆進(jìn)過(guò)程的巖層適應(yīng)性。

5 結(jié)論

(1) 特殊匹配推進(jìn)聯(lián)、溢流閥、負(fù)載敏感變量泵等，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)壓力獨(dú)立液壓遠(yuǎn)控；采用推進(jìn)壓力液壓遠(yuǎn)控、平衡閥耦合兩溢流閥設(shè)定值、回轉(zhuǎn)壓力無(wú)級(jí)控制平衡閥開(kāi)度等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)鑿巖回轉(zhuǎn)推進(jìn)無(wú)級(jí)耦合控制，全液壓自適應(yīng);

(2) 仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試表明，提出的回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，控制性能良好，有效提升鑿巖鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程的巖層適應(yīng)性及作業(yè)效率;

(3) 本研究提出的回轉(zhuǎn)推進(jìn)全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)為以全液壓的方式實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)推進(jìn)自適應(yīng)控制，推進(jìn)壓力獨(dú)立液壓遠(yuǎn)控，可靠性高，且功能回路清晰、簡(jiǎn)易。

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