全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

　， ，

(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院， 四川 成都　610059)

引言

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓系統(tǒng)在鉆探設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。而鉆探負(fù)載的變化規(guī)律很復(fù)雜，影響因素很多，如巖層、孔深、鉆孔彎曲等，各因素之間又存在交互作用，因此，鉆探負(fù)載具有隨機(jī)性、關(guān)聯(lián)性和離散性等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)一般采用定量泵+溢流閥的控制方式，這種控制方式能夠完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動(dòng)作循環(huán)和滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能要求，但動(dòng)態(tài)性能差，能量損耗大，系統(tǒng)效率低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代礦山作業(yè)生產(chǎn)要求[2]。因此，充分考慮系統(tǒng)工作效率和能耗控制問(wèn)題，在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)新型液壓系統(tǒng)十分必要。

本研究以ZDY320型全液壓鉆機(jī)為對(duì)象，根據(jù)傳統(tǒng)全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了將負(fù)載敏感技術(shù)與傳統(tǒng)輔助閥塊相結(jié)合的新型液壓系統(tǒng)，盡可能提高液壓系統(tǒng)效率的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。推導(dǎo)出負(fù)載敏感閥和節(jié)流閥的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)在圖形化仿真環(huán)境AMESim中建立負(fù)載敏感泵與液壓系統(tǒng)主軸回轉(zhuǎn)回路模型，進(jìn)一步分析負(fù)載敏感控制系統(tǒng)對(duì)全液壓鉆機(jī)性能的影響及特點(diǎn)，對(duì)理解、設(shè)計(jì)以及使用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)都是十分有意義的，也為今后液壓系統(tǒng)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)提供了參考。

1　負(fù)載敏感系統(tǒng)工作原理

全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)是一種根據(jù)系統(tǒng)壓力及流量需求動(dòng)態(tài)調(diào)整提供所需求的流量和壓力大小的液壓回路，其工作原理圖如圖1所示。

1.變量缸小腔　2.變量缸大腔　3.恒壓變量調(diào)節(jié)閥4.泵控壓力補(bǔ)償器　5.節(jié)流閥圖1　負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖

實(shí)際使用中，負(fù)載敏感泵通常不是與節(jié)流閥，而是與負(fù)載敏感閥或比例換向閥配合使用。為便于介紹負(fù)載敏感系統(tǒng)原理，此處假設(shè)負(fù)載有流量需求。

當(dāng)節(jié)流閥5通徑足夠大且全開(kāi)時(shí)，其前后壓力基本相等，由于泵控壓力補(bǔ)償器4左右腔壓力分別是節(jié)流前和節(jié)流后的壓力，所以此時(shí)其左右腔壓力也基本相等，在泵控壓力補(bǔ)償器內(nèi)部彈簧力作用下泵控壓力補(bǔ)償器處于初始位置，泵變量缸大腔2與回油相通，壓力油進(jìn)入變量缸小腔1推動(dòng)斜盤向大角度方向移動(dòng)，泵工作在最大排量，輸出壓力持續(xù)增大。若輸出壓力增大至超過(guò)恒壓變量調(diào)節(jié)閥3設(shè)定的系統(tǒng)最高壓力時(shí)，恒壓變量調(diào)節(jié)閥3閥芯右移，壓力油經(jīng)恒壓變量調(diào)節(jié)閥3直接進(jìn)入變量缸大腔2，推動(dòng)斜盤向小角度方向移動(dòng)，泵輸出壓力隨即減小至恒壓變量調(diào)節(jié)閥3內(nèi)部彈簧設(shè)定壓力，保證泵輸出壓力始終不超過(guò)系統(tǒng)最高壓力，對(duì)系統(tǒng)起限壓保護(hù)作用。

當(dāng)節(jié)流閥5開(kāi)度逐漸減小時(shí)，如果泵輸出流量不變，則節(jié)流閥5前后壓差逐漸增大。當(dāng)其開(kāi)度減小到一定程度時(shí)，如果泵輸出流量仍然不變，必然會(huì)造成節(jié)流閥5前后壓差超過(guò)泵控壓力補(bǔ)償器4的設(shè)定壓差，于是泵控壓力補(bǔ)償器4的閥芯右移，泵出口油進(jìn)入變量缸大腔2，將斜盤向小角度方向推動(dòng)，泵輸出流量隨即減小，節(jié)流閥5壓差降低。當(dāng)油液流經(jīng)節(jié)流閥5產(chǎn)生的壓差正好與泵控壓力補(bǔ)償器4設(shè)定的壓差相等時(shí)，泵控壓力補(bǔ)償器4達(dá)到平衡狀態(tài)，泵斜盤穩(wěn)定在某個(gè)位置，使泵的輸出流量與節(jié)流閥開(kāi)度相匹配。

2　全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　ZDY320型全液壓鉆機(jī)介紹

ZDY320型工程鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.動(dòng)力頭　2.桅板　3.卡盤　4.夾持器　5.底座6.升降油缸　7.支撐桿　8.調(diào)角油缸圖2　ZDY320型全液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其工作過(guò)程描述如下：

動(dòng)力頭1在液壓油的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)卡盤3回轉(zhuǎn)，卡盤3在液壓油的作用下夾緊鉆桿，帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，同時(shí)動(dòng)力頭1在桅板2上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線給進(jìn)運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)作用完成鉆進(jìn)工作；夾持器4在液壓油作用下夾緊或松開(kāi)鉆桿，可防止鉆桿回退，與卡盤3配合可完成接桿及卸桿工作；底座5上放置質(zhì)量塊或加穩(wěn)鉆支柱進(jìn)行穩(wěn)鉆；升降油缸6在液壓油作用下可完成桅板的升降工作；支撐桿7支撐鉆機(jī)桅板以保持鉆機(jī)穩(wěn)定；調(diào)角油缸8在液壓油作用下可完成鉆進(jìn)角度調(diào)整工作。

2.2　全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳統(tǒng)全液壓鉆機(jī)存在的問(wèn)題，充分考慮液壓系統(tǒng)工作效率和生產(chǎn)成本的情況下，針對(duì)自主研發(fā)的ZDY320型全液壓鉆機(jī)設(shè)計(jì)了新型的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

該液壓系統(tǒng)中，采用了負(fù)載敏感控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制閥塊相結(jié)合的控制方式，負(fù)載敏感比例多路換向閥通過(guò)LS信號(hào)通道提供給負(fù)載敏感泵壓力差信號(hào)，帶有比例調(diào)速功能；主控閥采用負(fù)載敏感比例多路換向閥，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)與鉆桿給進(jìn)動(dòng)作，其他輔助油缸由一連負(fù)載敏感閥輸出壓力油到普通多路換向閥塊控制。由負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載敏感比例多路閥組成的鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)，能根據(jù)液壓馬達(dá)的負(fù)載壓力大小，自動(dòng)匹配泵的輸出壓力。當(dāng)壓力超過(guò)泵預(yù)設(shè)的最高壓力時(shí)，自動(dòng)工作在恒壓狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)起過(guò)載保護(hù)作用。負(fù)載敏感特性可使多路執(zhí)行元件同時(shí)并相互獨(dú)立的以不同速度和壓力工作，每一路換向閥的負(fù)載壓力和流量與系統(tǒng)匹配，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。所以，同定量泵和恒壓變量泵相比，節(jié)能效果顯著，減少系統(tǒng)發(fā)熱，延長(zhǎng)液壓部件壽命，提高生產(chǎn)效率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載，節(jié)省油料耗能；因?yàn)閹в斜壤δ?，啟?dòng)和停止無(wú)沖擊且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

1.負(fù)載敏感泵　2.負(fù)載敏感比例多路閥塊　3.鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)　4.鉆機(jī)給進(jìn)油缸　5.夾持器油缸6.卡盤油缸7.機(jī)身升降油缸　8.機(jī)身調(diào)角油缸　9.輔助控制閥塊圖3　全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

3　負(fù)載敏感控制數(shù)學(xué)模型分析

3.1　節(jié)流閥數(shù)學(xué)模型

假設(shè)圖1中壓力補(bǔ)償器4的閥芯作用面積為A1，彈簧設(shè)定初始?jí)毫镕，負(fù)載壓力為p1，泵出口壓力為p2，節(jié)流閥流量系數(shù)為K，節(jié)流閥開(kāi)口面積為A2，油液密度為ρ，可得節(jié)流閥的流量方程為：

節(jié)流閥芯的平衡方程為：

A0(p2-p1)=FS

式中：A0為節(jié)流閥閥芯面積；FS為節(jié)流閥彈簧設(shè)定壓力。

3.2　壓力補(bǔ)償器閥芯運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)壓力補(bǔ)償器閥芯進(jìn)行受力分析，得出閥芯運(yùn)動(dòng)平衡方程為：

式中：A1為壓力補(bǔ)償器閥芯控制面積；F為壓力補(bǔ)償器彈簧預(yù)調(diào)力；KS為壓力補(bǔ)償器閥彈簧剛度；x為壓力補(bǔ)償器閥芯位移(設(shè)向右為正向)；M為壓力補(bǔ)償器彈簧質(zhì)量[3]。

4　全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真分析

在對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)的理論研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用AMESim仿真軟件對(duì)ZDY320型全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)主軸回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行仿真分析。

4.1　系統(tǒng)建模及參數(shù)設(shè)置

AMESim系統(tǒng)可用于完成工程系統(tǒng)的建模，建模方法類似于功率鍵合圖法，但更為先進(jìn)。其仿真范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電和磁等領(lǐng)域的建模和仿真，且不同領(lǐng)域的模塊之間可直接進(jìn)行物理連接[3]。為清晰表述負(fù)載敏感系統(tǒng)的仿真模型，首先在AMESim中設(shè)計(jì)負(fù)載敏感變量柱塞泵的圖標(biāo)及其超模型，其模型如圖4所示。

全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中，每一路負(fù)載敏感換向閥的負(fù)載壓力經(jīng)過(guò)梭閥選擇后將最高的負(fù)載壓力信號(hào)傳至負(fù)載敏感泵的負(fù)載敏感接口，負(fù)載敏感泵對(duì)負(fù)載壓力變化的自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)回路中。因此，對(duì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模如圖5所示。負(fù)載敏感泵的最大排量為55 mL/r；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min；節(jié)流閥的最大開(kāi)口直徑為10 mm； 負(fù)載敏感閥彈簧預(yù)壓力為157 N，相當(dāng)于該閥受到2 MPa的作用力；限壓閥的開(kāi)啟壓力為15 MPa；液壓馬達(dá)排量為65 mL/r，最高轉(zhuǎn)速為800 r/min；模擬負(fù)載設(shè)定波動(dòng)負(fù)載壓力，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.25 kg·m2，齒輪傳動(dòng)比為8。負(fù)載敏感變量柱塞泵變量機(jī)構(gòu)、限壓機(jī)構(gòu)及負(fù)載敏感閥在AMESim中均沒(méi)有可用模型，故用AMESet及HCD模塊即液壓元件設(shè)計(jì)模塊構(gòu)建負(fù)載敏感系統(tǒng)圖標(biāo)超模型如圖4。仿真環(huán)境中，介質(zhì)密度為850 kg/m3， 體積模量為1700 MPa，動(dòng)力黏度為0.051 Pa·s，參考溫度為40 ℃ 。

1.變量機(jī)構(gòu)　2.限壓閥模型　3.負(fù)載感應(yīng)控制器圖4　負(fù)載敏感變量柱塞泵圖標(biāo)及仿真模型

圖5　鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)主軸回轉(zhuǎn)回路仿真模型

4.2　系統(tǒng)仿真分析

在實(shí)際工況中影響全液壓鉆機(jī)的因素很多，如巖層硬度的變化、鉆孔深度及孔壁狀態(tài)等，使得全液壓鉆機(jī)負(fù)載具有很大的隨機(jī)性和模糊性。因此為盡量模擬實(shí)際工況中遇到的不穩(wěn)定的負(fù)載壓力，在AMESim中設(shè)置模擬負(fù)載變化曲線如圖6所示。在AMESim中運(yùn)行80 s，輸出相應(yīng)仿真結(jié)果，馬達(dá)入口壓力和泵口輸出壓力變化曲線如圖7所示。

圖6　負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬工況變化曲線

圖7　馬達(dá)入口壓力與泵出口壓力變化曲線

由圖7可以觀察到，從電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行到運(yùn)行至10 s 過(guò)程中，給定模擬負(fù)載基本為零，系統(tǒng)輸出壓力基本維持在2.25 MPa，該壓力比負(fù)載敏感閥設(shè)定壓差高出0.25 MPa，該值與系統(tǒng)管阻、泵結(jié)構(gòu)等有關(guān)，用以滿足整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)泄，即系統(tǒng)空載時(shí)，泵以低壓小排量輸出，大大減少了系統(tǒng)的能量損耗。從仿真時(shí)間10～80 s 的過(guò)程中，泵出口壓力始終隨著負(fù)載壓力的變化而變化，且始終比負(fù)載壓力高出約2 MPa的恒定值，即負(fù)載壓力增大時(shí)，節(jié)流閥前后壓差增大，液壓油經(jīng)過(guò)壓力限制閥進(jìn)入小變量油缸彈簧腔推動(dòng)活塞，使得負(fù)載敏感泵斜盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，泵口壓力增大；負(fù)載壓力減小時(shí)，泵控壓力補(bǔ)償器閥芯右移，泵出口油進(jìn)入大變量缸推動(dòng)斜盤逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，泵口壓力減小，泵出口壓力隨負(fù)載壓力增大或減小過(guò)程中始終高出負(fù)載壓力2 MPa， 該值不受負(fù)載變化的影響。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析，結(jié)合ZDY320型實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)的部分參數(shù)設(shè)置及其回轉(zhuǎn)工況，可以得出以下結(jié)論：

(1) 系統(tǒng)壓力自適應(yīng)，即系統(tǒng)壓力始終與負(fù)載壓力變化相適應(yīng)，且高于負(fù)載壓力一個(gè)恒定值，滿足設(shè)計(jì)需求；

(2) 系統(tǒng)空載時(shí)，泵以低壓小排量輸出，避免了溢流的發(fā)生，減少了能量損耗。同時(shí)減少了系統(tǒng)發(fā)熱量，延長(zhǎng)了液壓部件壽命；

(3) 系統(tǒng)帶有比例功能，調(diào)速方便，啟動(dòng)停止平穩(wěn)；

(4) 系統(tǒng)過(guò)載保護(hù)，即泵輸出壓力始終不超過(guò)系統(tǒng)最高壓力，對(duì)系統(tǒng)起限壓保護(hù)作用。

由負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載敏感比例閥組成的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，能夠大大降低系統(tǒng)能耗以達(dá)到節(jié)能的目的；良好壓力自適應(yīng)性能很大程度提高了系統(tǒng)的工作效率。但具有負(fù)載敏感技術(shù)的液壓元件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，部分零件精度極高，對(duì)加工制造技術(shù)具有很高的要求，對(duì)油液清潔程度也十分敏感。由于我國(guó)加工制造業(yè)水平限制，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及維護(hù)難度大、成本高，這正是我們后續(xù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)亟待解決的問(wèn)題。

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