基于AMESim的液壓錨桿鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的建模與仿真

王博 原思聰 江祥奎

關(guān)鍵詞： 液壓錨桿鉆機(jī); 動力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu); 液壓系統(tǒng); 建模仿真; AMESim; 工作參數(shù)

中圖分類號： TN98?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0103?05

Abstract： The working principle of the power head slewing mechanism of the hydraulic roofbolter is analyzed. The AMESim hydraulic simulation software is used to simulate and study the serial and parallel working modes of hydraulic motor in the design process of slewing system. The model is established by analyzing the working principle of slewing mechanism， and the parameters of series and parallel working modes are set. The dynamic changes of the speed， pressure and output torque of the motor are analyzed while the hydraulic motor works in series and parallel states. The simulation results show that the hydraulic motor in series state is suitable for the occasion of small load and large rotating speed， and the hydraulic motor in parallel state is suitable for the occasion of larger load， which provides the theoretical basis for the optimization design of slewing mechanism of the hydraulic roofbolter and development of new products.

Keywords： hydraulic roofbolter; power head slewing mechanism; hydraulic system; modeling and simulation; AMESim; working parameter

0 ?引 ?言

液壓錨桿鉆機(jī)作為錨桿支護(hù)工程施工的關(guān)鍵設(shè)備，影響著支護(hù)質(zhì)量的好壞與速度的快慢。不同的支護(hù)工況應(yīng)選用相應(yīng)的錨桿鉆機(jī)。目前，機(jī)載型液壓錨桿鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于煤巷礦道和巖石錨固工程施工中。動力頭是液壓錨桿鉆機(jī)的核心設(shè)備，主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)組成[1]。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是液壓錨桿鉆機(jī)的重要組成部分，其性能對整臺鉆機(jī)的效率有較大影響。液壓錨桿鉆機(jī)在鉆進(jìn)的過程中，操作者往往不太清楚土壤的質(zhì)地，因而液壓系統(tǒng)的負(fù)載時刻處于波動之中。因?yàn)橐簤哄^桿鉆機(jī)的負(fù)載本身有隨機(jī)性、離散性以及動態(tài)性等特點(diǎn)，因此非常有必要在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中利用AMESim按照實(shí)際工作狀態(tài)的需要對其動態(tài)性能進(jìn)一步的分析、建模和研究。

1 ?AMESim仿真軟件介紹

AMESim是法國Imag?ine公司20世紀(jì)末提出的一款主要應(yīng)用于解決實(shí)際問題的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真以及動態(tài)性能分析的計(jì)算機(jī)軟件。AMESim軟件的界面主要通過C語言完成，其算法一般用FORTRAN語言編寫，不需要其他商用軟件作為輔助支撐。AMESim有四個層層深入的建模方式，數(shù)學(xué)方程、方塊圖和基本元素為基礎(chǔ)級別級和最高級別的元件級。AMESim中的工具和元件都比較完整，在用戶分析和系統(tǒng)優(yōu)化時發(fā)揮了重要的作用。AMESim仿真運(yùn)行模式分為動態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真、間斷連續(xù)仿真模式以及批處理仿真模式。將多種模式結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)特定問題的動態(tài)參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)態(tài)分析。

2 ?回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理

動力頭的回轉(zhuǎn)為液壓錨桿鉆機(jī)提供轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，與動力頭的推拉實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的鉆孔以及回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔。根據(jù)施工時的地質(zhì)條件以及鉆進(jìn)時的狀態(tài)，動力頭的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要滿足如下基本要求[2]：

1） 具有不同的轉(zhuǎn)速。松軟的地質(zhì)條件下，鉆頭的鉆進(jìn)速度快;堅(jiān)硬的地質(zhì)條件下，轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)速度慢。按照設(shè)計(jì)要求，動力轉(zhuǎn)速取0～100 r/min。

2） 提供足夠的轉(zhuǎn)矩，帶動動力頭實(shí)現(xiàn)對地層的鉆進(jìn)和切削。

3） 工作安全可靠、維修方便。

為滿足以上基本要求，設(shè)計(jì)了一個變量泵帶動兩個定量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)工作要求，設(shè)計(jì)的油路如圖1所示。設(shè)計(jì)時，動力頭由雙液壓馬達(dá)驅(qū)動，對稱的布置在輸出軸兩側(cè)的對角線上。這種布置可以改善動力頭傳動的平穩(wěn)性，減少沖擊力，延長使用壽命。動力頭的回轉(zhuǎn)需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)，鉆進(jìn)時回轉(zhuǎn)阻力大用低轉(zhuǎn)速，回拖擴(kuò)孔時阻力小用高轉(zhuǎn)速，增大回拖速度。

圖1中，液壓馬達(dá)1，2壓力油由液壓泵通過換向閥3，4提供，當(dāng)換向閥4左、右位接通時，即可實(shí)現(xiàn)兩馬達(dá)正反轉(zhuǎn)，減速器中小齒輪通過兩個馬達(dá)中的輸出軸驅(qū)動，兩個小齒輪共同驅(qū)動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)動力頭的正反轉(zhuǎn)。兩馬達(dá)的串并聯(lián)通過換向閥3中的右位接通時即可實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過工作壓力范圍時，溢流閥將開啟，工作腔壓力油便溢流回油路。馬達(dá)的連接方式并不是隨意設(shè)置，而是根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。因而在對動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真時，按照馬達(dá)的串并聯(lián)方式進(jìn)行分類仿真。

3 ?仿真模型的建立

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的模型建立如圖2所示，圖中HSV34?08電磁比例換向閥是調(diào)整2個液壓馬達(dá)串并聯(lián)的控制閥，HSV34?02電磁比例換向閥是調(diào)整馬達(dá)正反轉(zhuǎn)以及停止的控制閥。因此在AMESim參數(shù)設(shè)置時重點(diǎn)需要把握的就是對兩個電磁比例換向閥的參數(shù)設(shè)定。

3.1 ?液壓馬達(dá)的串聯(lián)

為了實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的串聯(lián)，設(shè)置HSV34?08換向閥處于中位機(jī)能，然后完成HSV34?02換向閥相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。應(yīng)用AMESim進(jìn)行仿真，便可得到該系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。

仿真模型中有關(guān)元件的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)圖3～圖5設(shè)置模型中的相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行 AMESim仿真。設(shè)置信號保證電磁比例換向閥處于中位（液壓馬達(dá)串聯(lián)），然后設(shè)置信號使得控制馬達(dá)正反轉(zhuǎn)的電磁比例換向閥發(fā)生階躍變化（由靜止到啟動），根據(jù)此設(shè)置可以得到馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、壓力、轉(zhuǎn)矩等動態(tài)特性如圖6～圖9所示。

如圖6～圖8所示均為由靜止到突然換向時的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果。由于兩個液壓馬達(dá)串聯(lián)形成剛性連接從而使得兩個液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化圖重合。

圖6表示馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化的動態(tài)圖，可以看出，系統(tǒng)在階躍輸入后，最初有一個衰減震蕩，衰減率大約為25%。說明系統(tǒng)較為良好，0.22 s之后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7表示串聯(lián)馬達(dá)的壓力動態(tài)變化，從圖7中可以看出，馬達(dá)1的壓力瞬時達(dá)到95 bar，在0.3 s之前有振蕩，最低谷到達(dá) 55 bar，0.3 s以后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值大約是在 90 bar。液壓馬達(dá)2的相應(yīng)時間較為緩慢，在3 s以后壓力才逐漸有所上升，并且上升的速度非常緩慢。

圖8表示串聯(lián)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩動態(tài)圖，從圖8中可以看出，馬達(dá)1工作后瞬時達(dá)到500 N[?]m，經(jīng)過0.2 s的振蕩以后回到穩(wěn)定值400 bar。經(jīng)過4 s以后，馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩又開始變化，呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。馬達(dá)2工作后瞬時達(dá)到250 bar，同樣經(jīng)過0.2 s以后回到穩(wěn)定值150 bar，經(jīng)過3.5 s以后又開始呈現(xiàn)下降的趨勢，說明在負(fù)載作用的情況下，主要是馬達(dá)1起到克服負(fù)載的作用。

圖9表示2 s后負(fù)載由420 N[?]m突然增加到600 N[?]m時液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的動態(tài)特點(diǎn)圖。從圖9中可以看出，兩馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩的動態(tài)變化基本上和圖8相類似，區(qū)別是兩個馬達(dá)震蕩后到開始發(fā)生變化時所用的時間不一樣，馬達(dá)1約用了1.8 s，馬達(dá)2用了2.8 s。同樣地，在負(fù)載變化時，馬達(dá)1輸出轉(zhuǎn)矩所提供的作用是最大的。

從對串聯(lián)液壓馬達(dá)的仿真效果圖來看，系統(tǒng)在階躍輸入的情況下馬達(dá)作用時的響應(yīng)速度快，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。但需要注意的是，工作過程中，主要是馬達(dá)1發(fā)揮主要作用，帶來的后果是與馬達(dá)連接的齒輪承受較大的壓力，容易產(chǎn)生疲勞損壞，所以在使用液壓馬達(dá)串聯(lián)的工作模式時，應(yīng)當(dāng)將其用在比較松軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)上面，這樣就可以保證鉆機(jī)快速高效地工作，還能夠保證零部件不受損壞。

3.2 ?液壓馬達(dá)并聯(lián)

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示，為使液壓馬達(dá)能夠并聯(lián)工作，需要設(shè)置控制馬達(dá)串并聯(lián)的的控制閥處于右位機(jī)能。利用 AMESim仿真軟件進(jìn)行仿真，設(shè)定負(fù)載為460 N[?]m，仿真階段是從靜止開始啟動（階躍信號控制）。圖10～圖12顯示了馬達(dá)并聯(lián)時馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、輸出壓力、轉(zhuǎn)矩的動態(tài)變化。

圖10為并聯(lián)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，前0.2 s發(fā)生振蕩，且震蕩幅度較大，系統(tǒng)相對不穩(wěn)定。在0.2 s以后，系統(tǒng)才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩變化圖，從中可以發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律基本相同，但是馬達(dá)1在震蕩時期的峰值相對較高，這是由于液壓油在到達(dá)液壓馬達(dá)2的途中，經(jīng)過兩個電磁比例換向閥后產(chǎn)生了壓力損失，因此馬達(dá)2的壓力總體上要比馬達(dá)1的壓力降低20左右。觀察圖12可以發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩基本相同，這是由于在并聯(lián)狀態(tài)下兩液壓馬達(dá)的受力狀態(tài)基本相同。圖10～圖12還反映出換向閥由靜止開始啟動，從而導(dǎo)致了液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、輸出力矩以及壓力都產(chǎn)生了幅度較為劇烈的震蕩。

4 ?結(jié) ?論

根據(jù)對液壓錨桿鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真建模研究發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)的串并聯(lián)在工作時的特征參數(shù)的動態(tài)還是有相當(dāng)大的差異，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 在階躍信號的輸入作用下，串聯(lián)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，在0.2 s時達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)。但是兩馬達(dá)的輸出壓力的動態(tài)響應(yīng)差距相對來說比較大，液壓油最先流進(jìn)的馬達(dá)響應(yīng)速度最快，馬達(dá)1響應(yīng)的時間是在0.1 s就進(jìn)入到了穩(wěn)定狀態(tài)，而馬達(dá)2則是在3 s以后才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，相對來說影響時間較長。

2） 串聯(lián)狀態(tài)下，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩差異性也比較大，具體表現(xiàn)在液壓油后流進(jìn)的液壓馬達(dá)承擔(dān)的負(fù)載較大，前一個馬達(dá)承受的負(fù)載較小，因此液壓馬達(dá)的串聯(lián)主要應(yīng)用在載荷較小，轉(zhuǎn)速較大的場合。

3） 并聯(lián)狀態(tài)下，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力響應(yīng)的時間也比較快。在表現(xiàn)形式上，并聯(lián)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩基本相同，適用于負(fù)載比較大的場合。

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