潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置仿真分析

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置仿真分析

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

分析了行走驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)的工作原理，對行走驅(qū)動裝置進行了受力分析以及運動分析。利用AMESim建立起行走驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，分別對單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況、變速換擋行走工況、爬坡工況進行了分析研究。

潛孔鉆機；行走驅(qū)動裝置；AMESim；工況仿真分析

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，礦石的需求量也隨之增長，而潛孔鉆機等采礦關(guān)鍵技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。潛孔鉆機是一種鑿巖鉆孔裝備，沖擊器與鉆頭一起進入鉆孔內(nèi)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)停留在鉆孔外驅(qū)動鉆頭回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)巖石鉆孔[1]?，F(xiàn)階段國內(nèi)很多高校和研究院都對潛孔鉆機進行相關(guān)研究，研究內(nèi)容主要涉及防卡鉆系統(tǒng)、鉆機的平臺、除塵系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等。

潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置主要是用來驅(qū)動潛孔鉆機的移動，實現(xiàn)潛孔鉆機的短距離的行走和穿孔過程中的移位。作業(yè)場所的不平整、碎石、高溫以及潮濕等，這些惡劣因素決定了潛孔鉆機的驅(qū)動行走機構(gòu)必須具備較高的性能。從潛孔鉆機整機的各項動作所需要的功率來看，其中行走驅(qū)動裝置所消耗的功率最大[2]。若潛孔鉆機的行走功率設(shè)置偏大，顯然會出現(xiàn)功率浪費的情況，若行走功率設(shè)置偏小則會出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象[2]。由于礦場存在著多種不利因素，且潛孔鉆機的行走速度比較緩慢，能量利用率低，因此有必要對行走驅(qū)動裝置在不同工況下進行分析研究。

1 行走驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)在潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)通常采用“四輪一帶”形式，發(fā)動機直接驅(qū)動變量泵，高壓油通過控制閥之后驅(qū)動液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)帶動履帶轉(zhuǎn)動，從而使?jié)摽足@機前進或后退。潛孔鉆機行走液壓系統(tǒng)是一個雙變量泵一雙變量馬達(dá)獨立驅(qū)動的液壓回路，左右的液壓馬達(dá)相互獨立[2]。潛孔鉆機通過行走驅(qū)動裝置可實現(xiàn)前進、后退和速度的控制，也可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。

潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。當(dāng)潛孔鉆機原地不動時，換向閥4處于中位，行走驅(qū)動裝置不工作。當(dāng)換向閥4處于右位時，高壓油通過換向閥4右邊閥口進入工作回路中。高壓油再經(jīng)過單向閥6后進入變量馬達(dá)12中，變量馬達(dá)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時換向閥7閥芯左端與高壓油接通，而右端與油箱相通，換向閥7閥芯在左右兩端壓力差的作用下而處于左位，而換向閥9由于閥芯右端受到高壓油的作用而處于右位，則高壓油經(jīng)過梭閥8和二位三通換向閥9之后進入變量馬達(dá)排量控制缸，使變量馬達(dá)斜盤的傾角增大，變量馬達(dá)的排量也立即增大，從而使?jié)摽足@機行走狀態(tài)進入低速模式；當(dāng)外接油口K接通高壓油時，換向閥9的閥芯左側(cè)受到高壓油的作用，換向閥9處于左位，變量馬達(dá)排量控制缸的左腔與油箱相通，變量馬達(dá)斜盤的傾角減小，變量馬達(dá)的排量也立即減小，潛孔鉆機行走狀態(tài)進入高速模式。同理控制換向閥4處于左位，即可以實現(xiàn)變量馬達(dá)的反轉(zhuǎn)，使?jié)摽足@機進入后退狀態(tài)。

圖1 潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)原理

2 潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置動力學(xué)分析

2.1 行走驅(qū)動裝置的運動分析

潛孔鉆機履帶式行走機構(gòu)的核心部件包括懸架構(gòu)造和行走機構(gòu)，懸架構(gòu)造的主要功能是用來連接各種部件，確保鉆機的穩(wěn)定性，行走機構(gòu)由“四輪一帶”組成來支撐機體，傳送發(fā)動機功率，利用履帶與地面的相互作用，從而產(chǎn)生機械行走和作業(yè)的牽引力[3]。在潛孔鉆機行進當(dāng)中，若履帶與路的接觸面之間不存在滑移現(xiàn)象時，履帶的移動速度等于與之相接觸處的驅(qū)動鏈輪的圓周速度，在這種情況下潛孔鉆機的移動速度為：

式中：nm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；nl為行走驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，rpm；t0為履帶板兩端銷孔之間的直線距離，m；Zk為履帶板上的塊數(shù)；rd為驅(qū)動輪半徑，m；im為液壓驅(qū)動裝置的傳動比。

但在實際情況中，由于存在著各種不利因素，履帶與地面之間必定存在著一定程度的滑移，則潛孔鉆機實際行走速度與理論速度之間的關(guān)系可表述為：

式中：δ為履帶相對地面的滑轉(zhuǎn)率。把（1）式帶入（2）式可得:

2.2 行走裝置的受力分析

履帶式車輛是靠履帶板卷繞時地面對履帶接觸面產(chǎn)生的反作用力來推動車輛移動的。而對于潛孔鉆機來說，拉力是屬于內(nèi)部作用力，它的作用效果是把履帶的接觸面從支重輪下拉出，從而使地面對履帶的接地段產(chǎn)生水平方向的反作用力，正是這種反作用力的形成為潛孔鉆機提供了驅(qū)動力，力的方向與鉆機行進的方向同向。在動力由驅(qū)動輪傳遞到履帶的接地段的這個過程中必定存在能量損失[4]。如果這個過程中能量傳遞損失用履帶驅(qū)動段效率來表示，則潛孔鉆機驅(qū)動力的切線牽引力便可表示為：

式中：Ft為履帶產(chǎn)生的拉力，N；ηr為履帶驅(qū)動段效率；Mk為行走馬達(dá)輸出的力矩，Nm；rd為鉆機驅(qū)動輪半徑，m。

在等速前進的工況下潛孔鉆機的牽引力為：

潛孔鉆機在行走過程中，受到的外部阻力主要有滾動阻力、坡道阻力和工作阻力。

滾動阻力：

式中：α為運動表面對水平的傾角，°；G為潛孔鉆機的重量，N；f為路面的摩擦因素。

坡道阻力Fi：

式中：正號表示潛孔鉆機上坡時的工況，負(fù)號表示潛孔鉆機下坡時的工況。

潛孔鉆機受到工作阻力Fx表示的是工作裝置受到的阻力，而在非牽引車輛受到的工作阻力一般為0。

則作用在潛孔鉆機上的外部阻力總和即為：

則潛孔鉆機的牽引力為：

潛孔鉆機等速前進時，有效牽引力Fkp的表達(dá)式為:

當(dāng)潛孔鉆機在水平地面上勻速移動時：

潛孔鉆機在不穩(wěn)定工況下行走時，慣性力會對鉆機的行走造成影響，此時牽引力為

式中：Fj乃為潛孔鉆機受到的慣性阻力，可通過公式計算：

式中：正號表示潛孔鉆機加速時受到的慣性力；負(fù)號表示潛孔鉆機減速時受到的慣性力；ηm為馬達(dá)的總效率；Je為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；v為潛孔鉆機移動速度，m/s。

此時潛孔鉆機的有效牽引力Fkp為：

為了能使?jié)摽足@機能夠正常行走，所受到的阻力與地面附著力應(yīng)滿足下式：

其中：G為潛孔鉆機附著重量；φ為附著系數(shù)。

3 仿真模型的搭建

LMS Imagine.Lab AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺[5]。用戶可以在這個單一平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能[6]。

利用AMESim中元件庫中的元件塔建驅(qū)動行走裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。圖中各種元件的意義可以通過AMESim軟件手冊查閱來獲得[7]。

4 在不同工況下的仿真結(jié)果與分析

4.1 單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下仿真結(jié)果分析

假設(shè)潛孔鉆機在理想的混凝土水平地面上行走，且此時液壓馬達(dá)處于最大排量，即潛孔鉆機處于緩慢行走狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)定時設(shè)定在行走裝置單側(cè)驅(qū)動輪上的力矩為 13 160 Nm，仿真時間設(shè)置為 4，前一秒為潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置啟動階段，1～4為潛孔鉆機單側(cè)轉(zhuǎn)彎仿真時間，得到單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下馬達(dá)進口壓力變化曲線，如圖3所示。

圖2 行走液壓系統(tǒng)的AMESim模型

圖3 單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下的仿真曲線

由圖3可知，當(dāng)添加了載荷之后，液壓馬達(dá)進口壓力值急劇上升，峰值達(dá)到了16 MPa左右，經(jīng)過短暫的震蕩之后液壓馬達(dá)進口壓力穩(wěn)定在10.5 MPa左右。由此可以得出單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下行走系統(tǒng)的穩(wěn)定好，有很好的響應(yīng)速度，但卻存在超調(diào)量過大的問題。

4.2 換擋變速行走工況下仿真分析

假設(shè)潛孔鉆機是在平面上行走，前面是液壓系統(tǒng)的驅(qū)動階段。啟動完畢之后潛孔鉆機開始慢速行走，在潛孔鉆機行走3 s之后令液壓馬達(dá)的排量減半，潛孔鉆機進入快速行走的狀態(tài)，此時在行走驅(qū)動輪上施加的動力矩為5 800 Nm。整個仿真過程持續(xù)7 s，得到變量馬達(dá)進口壓力變化曲線，如圖4所示。

由仿真結(jié)果圖可以得出變量馬達(dá)的進口壓力在仿真開始后瞬間出現(xiàn)峰值，最大值達(dá)到了14 MPa左右，但經(jīng)過短時間的波動之后進入穩(wěn)定狀態(tài)，變量馬達(dá)的進口壓力穩(wěn)定在5.2 MPa；在液壓馬達(dá)的排量發(fā)生變化的情況下，液壓馬達(dá)入口位置的壓力先急速變小，然后急劇變大，最后緩慢進入穩(wěn)定狀態(tài)。壓力快速降低是由于在變量馬達(dá)排量減少瞬間，潛孔鉆機行走速度立即增大，行走驅(qū)動裝置所需要的流量瞬間變大，所以壓力值會突然變小，然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該工況下液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，但響應(yīng)速度顯然較慢，液壓系統(tǒng)會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象。

4.3 爬坡工況分析

在潛孔鉆機啟動3 s之后開始模擬上爬坡度為15°的斜面，爬坡過程持續(xù)17 s。在這種工況下，相當(dāng)于 3 s后把一個斜坡阻力施加到潛孔鉆機上，阻力的范圍是0～70 636 N。這種工況下總的仿真時間設(shè)定為25，得到如圖 5所示的液壓馬達(dá)進口壓力變化曲線。

圖4 換擋變速行走工況下仿真結(jié)果

圖5 爬坡工況下仿真分析結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可以看出，當(dāng)給潛孔鉆機施加一個斜坡阻力后，液壓馬達(dá)進口處的壓力先急劇上升，然后緩慢上升，最后進入一個穩(wěn)定狀態(tài)。這種工況下行走系統(tǒng)進入穩(wěn)定的時間比較長，且在剛開始的階段會存在沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

先介紹了潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置的液壓系統(tǒng)工作原理，然后對行走驅(qū)動裝置進行了運動與受力分析。利用AMESim建立了潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置的仿真模型，分別對單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況、換擋變速行走工況以及爬坡工況這3種狀態(tài)進行仿真分析。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)在負(fù)載變化和換擋變速時，都存在壓力沖擊現(xiàn)象，其過渡階段的特性有待于改進。仿真分析結(jié)果為日后潛孔鉆機的行走驅(qū)動裝置的改善與設(shè)計提供了參考。

［1］ 趙宏強，郭艷，吳雙斌.基于模糊控制的潛孔鉆機推進回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真［J］.計算機防真，2011（8）：159-162．

［2］ 謝武裝.潛孔鉆機行走驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

［3］ 趙宏強，謝武裝，蔣海華.潛孔鉆機履帶行駛液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（10）：97-100.

［4］ 徐曉龍.履帶式濕地推土機行走系統(tǒng)仿真研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2014.

［5］ 李景陽，安林超.淺談計算機輔助技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.企業(yè)導(dǎo)報，2014（11）：144.

［6］ 賴茶秀，黃志堅.液壓系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.南方金屬，2007（6）：8-11.

［7］ Imagine company.AMESim user manual Version 7.0［M］．France：Imagine S.A，2002．

【責(zé)任編輯：解連江】

Simulation analysis of driving device of submersible drilling rig

LV Dexian
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

The article analyzes the working principle of walking driving device hydraulic system,and carries out the dynamic analysis of walking driving device.Using AMESim to establish the simulation model of the walking driving device hydraulic system ,the author researches the single side turning condition,the variable speed shift working condition and the climbing condition.

submersible drilling rig;walking driving device;AMESim;condition simulation analysis

TD422.1

B

1671－9816（2017）06－0066－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.019

呂德仙.潛孔鉆機行走驅(qū)動裝置仿真分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：66-69.

2016-12-03

呂德仙（1988—）男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理工程師，2011年畢業(yè)于呼倫貝爾學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在安家?guī)X露天礦穿爆班工作。