螺桿樁機液壓式動力頭恒功率系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

(北京科技大學機械工程學院， 北京 100083)

引言

螺桿樁機以承載力高、地質(zhì)適應性強、經(jīng)濟性好等特點被廣泛應用于基礎(chǔ)施工領(lǐng)域[1]。動力頭是螺桿樁機的核心部件，當前多采用電機驅(qū)動式，但在使用中經(jīng)常出現(xiàn)扭矩低和轉(zhuǎn)速不均等問題，嚴重影響了打樁質(zhì)量和效率。

針對上述問題，有不少學者就驅(qū)動液壓化做了研究。鄭秀月等[2]研究了內(nèi)外雙動力頭長螺旋鉆機，提出了內(nèi)外雙液壓馬達動力頭液壓系統(tǒng)及其動力頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，并用AMESim軟件進行動態(tài)仿真，但是并未提出控制策略。萬麗榮等[3]對變量泵變量馬達調(diào)速系統(tǒng)建立了數(shù)學模型，并對此基于MATLAB/Simulink軟件做了動態(tài)仿真。尹千才[4]研究了長螺旋鉆機的液壓動力頭，設(shè)計了動力頭結(jié)構(gòu)及齒輪箱，提出了變量泵控制變量馬達的動力頭液壓系統(tǒng)，并基于AMESim軟件對液壓動力頭傳動鏈系統(tǒng)進行了仿真分析在不同控制策略下的響應。蘇健行等[5-7]在液壓系統(tǒng)設(shè)計中，對變量泵控制變量馬達進行數(shù)學模型建立和AMESim軟件仿真。陳子建等[8]通過建模對液壓系統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速進行了分析，利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真分析可以獲得合理的系統(tǒng)參數(shù)[9-12]。

盡管國內(nèi)學者提到了動力頭液壓系統(tǒng)控制策略及仿真方法，但對樁機動力頭液壓系統(tǒng)的設(shè)計及研究比較少。本研究主要是針對雙電機驅(qū)動式螺桿樁機動力頭扭矩低，轉(zhuǎn)速不均等問題，提出樁機動力頭及控制策略，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于恒功率泵的全液壓樁機動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)。利用AMESim對該系統(tǒng)進行建模，并在斜坡負載、帶負載啟動和突變負載工況下對該系統(tǒng)仿真分析，為樁機等工程機械鉆進液壓系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

1 螺桿樁機動力頭結(jié)構(gòu)及工作原理

動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用是將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆桿，并且隨鉆桿鉆進深度的變化和地基土層的變化，能夠自動調(diào)速和調(diào)整扭矩。如圖1所示，設(shè)計的高鐵樁機動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)元件包括：電機、液壓泵、液壓多路換向閥、液壓馬達、減速機等。各元件之間的關(guān)系：電機通過聯(lián)軸器直接連接到液壓變量泵；液壓多路換向閥控制液壓馬達的啟動及轉(zhuǎn)向；液壓馬達輸出的轉(zhuǎn)速與扭矩經(jīng)過減速箱的減速增扭后輸出到鉆桿。

1.動力頭支架 2.灌漿管路 3.液壓馬達 4.立柱5.減速機 6.滑輪圖1 高鐵樁機動力頭

2 液壓動力頭控制方案

螺桿樁機工作機構(gòu)主要有動力頭-鉆桿、主卷揚-鋼絲繩系統(tǒng)。動力頭的液壓馬達會對負載進行高壓自動控制；液壓系統(tǒng)通過液壓泵進行恒功率控制；打樁與拔樁時，傳感器測出動力頭液壓馬達轉(zhuǎn)速與鉆桿轉(zhuǎn)速，通過動力頭鉆桿-主卷揚鋼絲繩聯(lián)動模型計算出主卷揚液壓變量泵所需排量，進而控制鉆進時鉆桿下放速度，螺桿樁機鉆進控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 高鐵樁機控制邏輯圖

3 螺桿樁機動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計

動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

在回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)中，變量泵為恒功率自動控制負載敏感泵，泵的負載敏感接口與換向多路閥組的負載敏感結(jié)構(gòu)連接在一起，構(gòu)成負載敏感系統(tǒng)。電機啟動后，帶動泵轉(zhuǎn)動，液壓泵會根據(jù)當前負載壓力的大小決定排量，再給執(zhí)行機構(gòu)供給合適流量的油，起到恒功率和節(jié)能的作用。換向多路閥組內(nèi)集成了溢流閥，限制了系統(tǒng)最高工作壓力，溢流的油液會通過閥組內(nèi)部管路與系統(tǒng)的回油連到一起，確保系統(tǒng)壓力在工作安全區(qū)。液壓馬達通過變量油缸進行高壓自動控制，可隨負載壓力自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和扭矩，提高施工效率。

1.換向多路閥 2.電機 3.液壓泵 4.單向閥 5.油箱6.空氣濾清器 7.回油過濾器 8.散熱器 9.高壓濾清器10.補油閥塊 11.液壓馬達圖3 動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓原理圖

4 螺桿樁機動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真

回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

4.1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

電比例泵的電——機械轉(zhuǎn)換元件用的是比例電磁鐵，將電流信號轉(zhuǎn)換為力和位移，比例電磁鐵的輸入電流與換向閥閥芯位移的關(guān)系為：

xv=Kii

(1)

式中，xv—— 滑閥閥芯位移

Ki—— 電—機械轉(zhuǎn)換常數(shù)

i—— 輸入電流信號

假設(shè)三通閥的響應能力是理想的，有恒定的供油壓力，回油時沒有背壓，壓力為0,則三通閥的流量方程為：

qL=Kqxv-Kcpc

(2)

式中，qL——負載流量

Kq—— 流量增益系數(shù)

xv—— 閥芯位移

Kc—— 壓力-流量系數(shù)

pc—— 變量活塞缸壓力

進入活塞缸進油腔的流量為：

(3)

式中，qL—— 活塞缸進入流量

Ah—— 活塞缸無桿腔活塞面積

xp—— 活塞缸活塞位移

Vc—— 活塞缸控制腔容積

βe—— 有效體積彈性模量

Cip—— 活塞缸內(nèi)泄漏系數(shù)

pc—— 活塞缸控制腔壓力

輸出力與負載力的平衡方程為：

(4)

式中，Ar—— 變量缸有桿腔活塞面積

m—— 活塞桿等效質(zhì)量

B—— 活塞和阻尼的黏性阻尼系數(shù)

FL—— 外負載力

K—— 變量活塞缸總彈簧剛度

變量泵原理圖如圖4所示，仿真模型如圖5所示。變量泵的控制機構(gòu)主要由恒功率變量控制閥、高壓切斷閥、負載敏感閥、變量缸和變量杠桿組成。在泵工作功率沒有達到事先設(shè)定好的功率時，變量閥處于右位，排量最大，在相同轉(zhuǎn)速下，泵的輸出流量最大。加入工作壓力超過了彈簧的設(shè)定值，杠桿式變量閥芯移動壓力油進入大變量缸，使排量有所減少，直至重新回到平衡狀態(tài)。工作壓力可以按相同比例增加，從而保持泵的輸出功率為常數(shù)。

圖4 恒功率變量泵原理圖

圖5 恒功率變量泵仿真模型

液壓馬達原理圖如圖6所示，仿真模型如圖7所示，因為動力頭要能夠正反轉(zhuǎn)，液壓馬達選用的是雙向變量馬達模型，其排量的變化由壓力信號及變量油缸控制。

鉆桿每回轉(zhuǎn)1圈，鉆桿鉆具就要進給1個螺距。設(shè)高鐵樁機鉆桿螺距為p，動力頭在某時刻的轉(zhuǎn)速為n，則此時鉆桿鉆具的進給速度應為:

u=n·p

(5)

圖6 液壓馬達原理圖

圖7 液壓馬達仿真模型

主卷揚絞車直徑為d，忽略鋼絲在繩在打樁過程中的顫動及彈性變形，則此刻主卷揚絞車的轉(zhuǎn)速為:

(6)

主卷揚減速器減速比為i，則主卷揚馬達轉(zhuǎn)速為:

nm=nj·i

(7)

通過馬達與變量泵的流量關(guān)系計算馬達轉(zhuǎn)速為:

(8)

式中,qvpmax—— 變量泵最大排量

nd—— 電機轉(zhuǎn)速

x—— 變量泵排量控制信號

qvm—— 主卷揚馬達排量

聯(lián)立得到變量泵控制排量信號x與動力頭轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式為：

(9)

建模時省略了如高壓過濾器、單向閥、換向閥等元件。根據(jù)液壓系統(tǒng)圖將上面的各部分原件在整合在一起，整個動力頭液壓系統(tǒng)模型如圖8所示，2個馬達通過減速機與螺紋鉆桿相連，模型把鉆桿的轉(zhuǎn)動慣量及負載扭矩平分給了2個馬達，直接將阻力矩信號加到已考慮轉(zhuǎn)動慣量和黏性摩擦的旋轉(zhuǎn)負載模型當中。

圖8 動力頭液壓系統(tǒng)仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

1) 斜坡負載工況仿真

設(shè)動力頭鉆進時受到0～443 kN·m之間的負載扭矩，仿真時間為40 s，給定一斜坡負載后仿真。單個動力頭仿真結(jié)果如圖 9～圖11所示。在0～5 s時刻，由于動力頭剛啟動，隨負載壓力增大，系統(tǒng)壓力增大，但是有少許的波動存在，液壓馬達排量一直保持在最小排量，液壓泵輸出流量恒定，動力頭以最大轉(zhuǎn)速9 r/min 破土鉆進；在8 s左右，當系統(tǒng)壓力隨負載壓力增大到21 MPa左右時，液壓泵進入恒功率控制模式，泵輸出流量減小，動力頭轉(zhuǎn)速開始減小，馬達排量還是保持在最小排量；在11 s時，系統(tǒng)壓力達到23 MPa，液壓馬達開始進入高壓自動控制模式，排量逐漸增大，動力頭轉(zhuǎn)速減??；在33 s左右，馬達排量達到最大值，且系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定在28 MPa，動力頭轉(zhuǎn)速達到最小值，輸出扭矩達到最大值。除此之外，在動力頭輸出扭矩在達到最大值之前，負載扭矩一直要小于動力頭的輸出扭矩，這是因為仿真時考慮了粘滯摩擦系數(shù)，而且粘滯摩擦力與轉(zhuǎn)速成正比。在剛啟動時，轉(zhuǎn)速較高，粘滯摩擦力要比之后轉(zhuǎn)速低、負載增大時的粘滯摩擦力要大，所以隨著時間推移，高鐵樁機動力頭輸出扭矩會越來越接近負載。

圖9 穩(wěn)定負載與動力頭輸出扭矩變化曲線

圖10 動力頭轉(zhuǎn)速曲線

圖11 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力仿真曲線

2) 帶負載啟動工況仿真

高鐵樁機經(jīng)常會出現(xiàn)帶負載啟動的情況，在仿真模型中給定穩(wěn)定負載340 kN·m，仿真時間為40 s，給單個動力頭所受穩(wěn)定負載和輸出扭矩如圖12～圖14所示。考慮到鉆桿鉆具的轉(zhuǎn)動慣量(鉆桿鉆具有一定重量)，動力頭轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)壓力要經(jīng)過一定的時間后才能達到穩(wěn)定的狀態(tài)：當整個系統(tǒng)穩(wěn)定后，馬大排量一直沒有改變，始終維持在一個固定值，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在27.5 MPa，動力頭轉(zhuǎn)速也維持在3.6 r/min。由于油液的粘滯性，在系統(tǒng)工作時，油液產(chǎn)生粘滯阻力，所以導致動力頭輸出扭矩要大于負載扭矩，穩(wěn)定之后動力頭的輸出扭矩要比負載扭矩大8.9 kN·m，穩(wěn)定在178.9 kN·m。

圖12 穩(wěn)定負載與動力頭輸出扭矩變化曲線

圖13 動力頭轉(zhuǎn)速曲線

圖14 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對穩(wěn)定負載的響應曲線

3) 突變負載工況仿真

高鐵樁機打樁作業(yè)時土層多變，模擬負載時，選取極端工況，即土層變化，負載驟變，等效為穩(wěn)定負載一段時間后加入階躍負載。0～60 s區(qū)間內(nèi)，假設(shè)樁機在較軟土質(zhì)打樁，在60 s時，鉆桿鉆具進入到較硬的土質(zhì)，如鵝卵石層，動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)受到的扭矩阻力會突然增加。如圖15所示回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力上升，但是沒有太大的波動；如圖16所示，在轉(zhuǎn)矩負載發(fā)生突變時，動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過高壓恒功率泵控制自身的排量來改變動力頭轉(zhuǎn)速；鉆進阻力突然增大，副泵在鉆桿-主卷揚聯(lián)動控制模塊改變自身排量，進而控制鉆桿鉆進速度，如圖17所示，鉆桿仿真鉆進速度與理論鉆進速度一致，但是在負載突然變化時，會有少許的波動。

5 結(jié)論

(1) 提出的樁機動力頭液壓系統(tǒng)控制策略改善了原型號螺桿樁機雙電機驅(qū)動式動力頭扭矩低、轉(zhuǎn)速不均等問題。

圖15 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力仿真曲線

圖16 動力頭仿真轉(zhuǎn)速曲線

圖17 動力頭仿真鉆進速度與理論鉆進速度曲線

(2) 設(shè)計了基于恒功率泵的全液壓樁機動力頭回轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓系統(tǒng)，利用AMESim對該系統(tǒng)進行建模，并在斜坡負載、帶負載啟動和突變負載工況下對該系統(tǒng)性能進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的液壓系統(tǒng)輸出壓力穩(wěn)定，且能隨負載變化進行轉(zhuǎn)速和扭矩自動調(diào)節(jié)，能夠保證樁機在工作過程的穩(wěn)定性。