錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)工作特性研究

張廷壽

（中國鐵建重工集團有限公司，長沙 410100）

錨桿鉆機是錨桿支護(hù)施工的關(guān)鍵設(shè)備之一，其動力方式有電動、氣動及液壓。

近年來，隨著我國巖土工程迅速發(fā)展，液壓錨桿鉆機在煤港礦道和巖土錨固工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，錨桿鉆機的液壓系統(tǒng)存在靈活性差、防卡鉆能力弱、推進(jìn)力可調(diào)范圍小等問題。本文對錨桿鉆機液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和分析，并通過AMESim建模仿真軟件進(jìn)行仿真與分析，仿真結(jié)果驗證了錨桿鉆機實際工況特性與液壓系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性，達(dá)到實際工況需求[2]。

1 液壓系統(tǒng)總體方案分析與設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

設(shè)計液壓系統(tǒng)時，力求簡單實用，盡可能用少量液壓元件來實現(xiàn)鉆機所具備的各種動作和功能，降低故障率。要求液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，選用互換性好（標(biāo)準(zhǔn)化）的液壓元件，整機操作安全、簡單，同時提高錨桿鉆機工作效率。

1.2 液壓系統(tǒng)原理

結(jié)合實際工況要求，筆者設(shè)計出錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)，如圖1所示。

1.3 動力源供油方式的選擇

因執(zhí)行機構(gòu)僅有一個液壓馬達(dá)和一個液壓油缸，馬達(dá)排量為130 mL/r，油缸最大伸縮行程為2600mm，考慮錨桿鉆機機構(gòu)合理性、簡單實用性的特點，采用單泵供油方式。恒壓變量泵為推進(jìn)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)供油，泵出口設(shè)安全閥起安全保護(hù)作用，推進(jìn)回路設(shè)有電磁換向閥、防卡鉆閥、平衡閥，回轉(zhuǎn)回路設(shè)有電磁換向閥。兩回路通過順序閥連接。

1.4 液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)工作原理分析

從圖1可看出，液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)各部分工作原理如下。

1.5 泵的啟動

各控制閥位于圖1中所示狀態(tài)時，啟動泵的驅(qū)動電機。此時，三位四通電磁換向閥工作于中位，推進(jìn)、回轉(zhuǎn)回路處于卸荷狀態(tài)，無壓力油進(jìn)入系統(tǒng)。

1.5.1 推進(jìn)工作原理

在推進(jìn)回路中，三位四通電磁換向閥3的左位控制錨桿鉆機推進(jìn)油缸反向（動力頭退回）工作，右位控制錨桿鉆機推進(jìn)油缸正向（動力頭推進(jìn)）工作，調(diào)節(jié)換向閥手柄可以推進(jìn)回路的流量，實現(xiàn)推進(jìn)速度無極控制。三位四通電磁換向閥斷電時，錨桿鉆機停止推進(jìn)。

圖1 錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)原理

1.5.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓回路

回轉(zhuǎn)回路中動力頭的轉(zhuǎn)速隨著恒壓變量泵1排量的變化而變化，三位四通電磁換向閥3左位時動力頭反轉(zhuǎn)，右位時動力頭正轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)換向閥手柄可以調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)回路的流量，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度控制。

1.6 防卡鉆工作原理

錨桿鉆機進(jìn)行鉆孔工作時，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力小于順序閥4的調(diào)定壓力時，順序閥不動作，防卡鉆閥5處于右位，正常鉆孔。若發(fā)生意外卡鉆，回轉(zhuǎn)壓力增大至大于順序閥4的調(diào)定壓力，順序閥4開啟，回轉(zhuǎn)壓力油經(jīng)過順序閥4作用于防卡鉆閥5的兩液控端口。由于節(jié)流減壓作用，當(dāng)左邊控制力大于右邊控制力時，防卡鉆閥5換向，閥的左位處于工作狀態(tài)，壓力油進(jìn)入推進(jìn)液壓缸有桿腔，活塞桿帶動鉆桿自動退回，液壓回路自動實現(xiàn)防卡鉆功能。

2 基于AMESim軟件液壓控制系統(tǒng)建模與仿真

2.1 基于AMESim軟件液壓控制系統(tǒng)建模

LMS Imagine.lab AMESim是法國Imagine公司于1995年推出的綜合仿真軟件，通過將元件已有的模型連接起來，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，現(xiàn)對錨桿鉆機的關(guān)鍵參數(shù)及仿真參數(shù)做以下設(shè)定。

系統(tǒng)壓力280bar，系統(tǒng)流量160L/min，回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量130mL/r，回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速420r/min，全閥調(diào)定壓力250bar，最大負(fù)載扭矩200N·m，順序閥開啟壓力150bar，回轉(zhuǎn)載荷慣性1kg·m2，無桿腔平衡閥設(shè)定壓力100bar，有桿腔平衡閥設(shè)定壓力50bar，長油缸活塞質(zhì)量20kg，短油缸活塞質(zhì)量10kg，油缸缸徑63mm，油缸桿徑45mm?；谝陨蠀?shù)和錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)的工作原理，建立的錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)AMESim模型如圖2所示。隨后進(jìn)入仿真模式，仿真時間設(shè)定為4s，時間步長設(shè)定為0.01s。

圖2 錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，若此時改變負(fù)載力，則推進(jìn)力隨負(fù)載力變化曲線如圖3所示。由圖3可知，推進(jìn)力可調(diào)范圍廣，負(fù)載力增大時推進(jìn)力增大，負(fù)載力減少時推進(jìn)力減少，推進(jìn)力隨負(fù)載力變化而變化，可有效減小系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)工作效率。

圖3 推進(jìn)力隨負(fù)載力變化曲線

圖4 推進(jìn)油缸位移隨時間變化曲線

3 結(jié)語

本文設(shè)計并介紹了錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)的工作原理，建立了鉆機液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型，分析了錨桿鉆機在回轉(zhuǎn)、推進(jìn)過程中，外負(fù)載對錨桿鉆機推進(jìn)力的影響情況，研究了系統(tǒng)防卡鉆工況、回轉(zhuǎn)壓力對系統(tǒng)推進(jìn)油缸的影響情況。仿真結(jié)果驗證了錨桿鉆機實際工況特性和液壓系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性，對錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)設(shè)計有指導(dǎo)意義。