集束式潛孔錘氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)同步特性的分析

婁磊，蘭三東，陳孟舉，秦偉業(yè)

( 1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2.四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，四川成都 611130；3.貴州中煙工業(yè)有限公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700)

0 前言

在煤礦瓦斯抽采、強(qiáng)排水、通風(fēng)、送料、礦山救援逃生等領(lǐng)域，輸送通道掘進(jìn)常采用集束式潛孔錘進(jìn)行作業(yè)。集束式潛孔錘作業(yè)時(shí)需要集中供氣，氣體由空壓機(jī)集中輸出，經(jīng)輸氣管路分配至集束潛孔錘內(nèi)的各個(gè)潛孔錘，氣體的流量和壓力要根據(jù)巖層及工況的變化不斷調(diào)整。當(dāng)前采用集束式潛孔錘進(jìn)行作業(yè)時(shí)，往往采用高壓、大流量、大功率的空壓機(jī)集中供氣，在巖層及工況發(fā)生變化時(shí)，不能調(diào)節(jié)氣流的壓力及流量，造成鉆孔鑿巖能耗過大。在現(xiàn)有集束式潛孔鑿巖技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文作者設(shè)計(jì)一種氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能使集束式潛孔錘在不同工況作業(yè)時(shí)，氣流得到有效調(diào)節(jié)與分配，從而提高鑿巖效率，減少能耗。

集束式潛孔錘工作時(shí)，如空壓機(jī)的流量較小則會(huì)造成上返巖屑不利、堵鉆現(xiàn)象，如空壓機(jī)的流量較大會(huì)出現(xiàn)空壓機(jī)憋壓，如流量過大還會(huì)出現(xiàn)潛孔錘頭斷裂，造成潛孔錘不沖擊等惡劣事故。因此，如何保證攜巖和鉆進(jìn)所需的風(fēng)量和壓力，并使之合理分配，顯得極其重要。因此，研究集束式潛孔錘的氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，分析氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理，并采取相應(yīng)措施控制機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)使氣流得到合理分配，是十分必要的。

針對集束式潛孔錘的作業(yè)效率問題，石智軍等對大直徑集束式潛孔錘的掘進(jìn)工藝進(jìn)行分析并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)， 結(jié)果表明大直徑集束式潛孔錘比普通牙輪鉆孔效率提高了3倍。高文強(qiáng)對集束式潛孔錘的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用Fluent對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣通道中氣體的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了模擬。

針對多油缸同步控制問題，方子帆、許立等人采用AMESim軟件，分析了同步閥的閥芯直徑、彈簧剛度及節(jié)流孔孔徑對同步閥流量特性的影響。蔣淋和姚平喜設(shè)計(jì)了一種新型三級結(jié)構(gòu)同步閥，該同步閥增加了流量和壓力補(bǔ)償功能，提高了它在負(fù)載均勻工況時(shí)的流量分配精度。李洪龍、汪飛雪等對雙缸液壓機(jī)的同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了不同控制策略、不同負(fù)載特性對雙缸同步特性的影響。王寶山等設(shè)計(jì)了高地隙履帶作業(yè)車，采用分流集流閥對履帶車的履帶馬達(dá)進(jìn)行控制，研究了不同負(fù)載下履帶車的跑偏特性。吳娜、李勝永等對鍛造液壓機(jī)的雙缸同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了PID及模糊-單神經(jīng)元PID對液壓缸同步特性的影響。李海軍等基于灰色預(yù)測理論，設(shè)計(jì)了雙缸同步控制器，并進(jìn)行了雙缸同步誤差研究。劉佑民等針對航天領(lǐng)域的雙液壓缸舉升系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了智能同步控制器并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的智能同步控制器同步控制效果良好。田英等人采用蟻群PID算法對串聯(lián)及并聯(lián)型的雙缸系統(tǒng)進(jìn)行了同步控制，結(jié)果表明蟻群PID算法對并聯(lián)型雙缸系統(tǒng)的同步控制效果優(yōu)于串聯(lián)型系統(tǒng)。

上述研究人員對不同工程裝備的雙缸或多缸系統(tǒng)進(jìn)行了同步控制研究，主要集中在同步控制策略及同步閥同步性能的研究，研究結(jié)果為文中集束式潛孔錘氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的同步研究提供了參考。本文作者設(shè)計(jì)并制作了集束式潛孔錘的氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。采用同步閥對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)油缸進(jìn)行控制，對比分析不同偏載工況下，氣流調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)油缸的同步特性。

1 集束式潛孔錘及氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理

集束式潛孔錘模型如圖1所示，主要由潛孔錘段、氣流調(diào)節(jié)端及鉆桿段組成。鉆桿為中空型鉆桿，保證鉆桿內(nèi)部可以通過氣流，氣流調(diào)節(jié)段主要對鉆桿內(nèi)流入的氣流進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對氣流的分配。

圖1 集束式潛孔錘模型

集束式潛孔錘氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理如圖2所示，鉆桿內(nèi)腔的壓縮空氣流經(jīng)氣流調(diào)節(jié)段時(shí)，調(diào)節(jié)閥在驅(qū)動(dòng)油缸的作用下動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥片打開，高壓氣流經(jīng)過調(diào)節(jié)閥流向低壓分流氣室，經(jīng)排氣孔進(jìn)行吹渣作業(yè)。通過調(diào)節(jié)閥門的開度可以調(diào)節(jié)分流氣流量，從而可實(shí)現(xiàn)對高壓氣室壓力和流量的調(diào)節(jié)。經(jīng)排氣孔排出的氣體可對孔底巖屑進(jìn)行吹洗，合理調(diào)節(jié)閥門可以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和攜巖氣流的有效分配。

圖2 集束式潛孔錘氣流調(diào)節(jié)原理

氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模型如圖3所示，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由外筒、內(nèi)筒、驅(qū)動(dòng)油缸及調(diào)節(jié)閥組成。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的內(nèi)筒和鉆桿內(nèi)部的氣流通道對應(yīng)，外筒和潛孔錘的低壓分流腔對應(yīng)。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)油缸的作用下動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)閥片打開，鉆桿內(nèi)部的高壓氣體被分流至低壓分流氣室，起到調(diào)節(jié)集束式潛孔錘氣流壓力和流量的作用。

圖3 氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2 同步閥控模型建立

2.1 同步閥結(jié)構(gòu)及工作原理

同步閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。同步閥由閥體、左右彈簧、左右主閥芯、左右通流閥、中間彈簧、閥蓋及定差減壓閥組成。左右兩側(cè)主閥芯通過中間彈簧及掛鉤相連。分流時(shí)，在壓力油作用下掛鉤起作用；集流時(shí)，在壓力油的作用下，左右兩側(cè)主閥芯壓縮中間彈簧。

圖4 同步閥裝配圖

同步閥工作時(shí)，P口進(jìn)液壓油，經(jīng)定差減壓閥后油液分為三部分，一部分經(jīng)節(jié)流孔a流向主閥芯的左側(cè)彈簧腔，一部分經(jīng)節(jié)流孔b流向主閥芯的右側(cè)彈簧腔，另外一部分經(jīng)節(jié)流孔c流向主閥芯的中間彈簧腔。流經(jīng)左側(cè)彈簧腔的油液經(jīng)可變節(jié)流孔e流向工作油口A，流經(jīng)右側(cè)彈簧腔的油液經(jīng)可變節(jié)流孔k流向工作油口B，從而實(shí)現(xiàn)油液的分流。當(dāng)一側(cè)負(fù)載口壓力變化時(shí)，如A口負(fù)載增大，則左側(cè)彈簧腔壓力升高，推動(dòng)主閥芯向右移動(dòng)，增大節(jié)流孔e的開口面積，減小節(jié)流孔k的開口面積，提高右側(cè)通道的阻力，增大壓降，直至左右主閥芯兩側(cè)受到的力平衡，A口和B口的流量又恢復(fù)至相同。圖5所示為同步閥的實(shí)物拆解圖，可以看到主閥芯為左右兩半，通過掛鉤相連接。

圖5 同步閥體及閥芯實(shí)物

圖6所示為定差減壓閥的裝配圖。定差減壓閥由閥蓋、閥體、減壓閥閥套、彈簧、閥芯及下活塞組成。圖7所示為定差減壓閥的實(shí)物拆解圖。定差減壓閥的工作原理：主閥體P口進(jìn)油，油液經(jīng)過減壓閥閥套上的進(jìn)油孔，一部分作用于下活塞的上表面，一部分經(jīng)過閥套上的節(jié)流孔a流向左側(cè)彈簧腔，另一部分經(jīng)過閥套上的節(jié)流孔b流向右側(cè)彈簧腔。流向左側(cè)彈簧腔的油液經(jīng)節(jié)流孔d流向閥芯的上表面，流向右側(cè)彈簧腔的油液經(jīng)節(jié)流孔f流向下活塞的下表面。經(jīng)過節(jié)流孔a和b分別流向左右兩側(cè)彈簧腔的油液壓差僅與閥芯上方的彈簧力有關(guān)，形成定差減壓閥。節(jié)流孔a和b的開口面積與系統(tǒng)流量的變化相一致，保證流量突變時(shí)通過其壓降恒定，可使同步閥能適應(yīng)的流量范圍增大。節(jié)流孔d和節(jié)流孔f由減壓閥閥套外表面切割而成。

圖6 定差減壓閥裝配圖

圖7 定差減壓閥實(shí)物

2.2 同步閥數(shù)學(xué)模型

同步閥的控制原理如圖8所示。

圖8 同步閥控原理

節(jié)流孔a的流量方程為

(1)

節(jié)流孔b的流量方程為

(2)

節(jié)流孔c的流量方程為

(3)

節(jié)流孔e的流量方程為

(4)

節(jié)流孔k的流量方程為

(5)

同步閥總的流量連續(xù)性方程為

(6)

同步閥左側(cè)閥芯的受力方程為

(7)

同步閥右側(cè)閥芯的受力方程為

(8)

式中:、、分別為節(jié)流孔a、b和c的面積；為主閥芯的移動(dòng)量；為同步閥定差減壓閥閥套內(nèi)扣除閥芯部分的容積；為左右側(cè)彈簧腔內(nèi)彈簧的剛度；為中間彈簧剛度。

3 試驗(yàn)原理及方案

集束式潛孔錘氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)同步試驗(yàn)的液壓原理如圖9所示。3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸由電磁閥及2個(gè)同步閥控制驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。加載油缸由減壓閥及電磁閥組控制，減壓閥可以設(shè)定不同壓力，加載油缸主要作用是為驅(qū)動(dòng)油缸設(shè)定不同阻力，驗(yàn)證不同載荷工況下，驅(qū)動(dòng)油缸的同步特性。

圖9 同步試驗(yàn)液壓系統(tǒng)原理

圖10所示為加載油缸布置圖。3個(gè)加載油缸間隔120°布置，其一端固定與頂板上，另一端固定于加載板上，設(shè)定3個(gè)加載油缸的減壓閥壓力，即可設(shè)定不同的加載狀態(tài)。

圖10 加載油缸布置示意

圖11所示為閥門上移示意。驅(qū)動(dòng)油缸推動(dòng)閥門上移，漏出氣孔。為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)油缸的同步特性，此次設(shè)計(jì)的閥門機(jī)構(gòu)內(nèi)筒和閥門的間隙為15 mm。加載油缸的壓力通過減壓閥設(shè)定，其不同載荷組合如表1所示。

圖11 閥門上移示意

表1 加載油缸設(shè)置參數(shù) 單位:MPa

4 三缸同步試驗(yàn)研究

三缸同步試驗(yàn)裝置如圖12所示，其液壓系統(tǒng)控制原理如圖9所示，加載方案如表1所示。調(diào)節(jié)閥門控制系統(tǒng)如圖13所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)：主溢流閥設(shè)定壓力為25 MPa，油源最大輸出流量為100 L/min，驅(qū)動(dòng)油缸的行程為120 mm。試驗(yàn)時(shí)采用研華工控機(jī)進(jìn)行控制，控制板卡為PCI-1716，編程控制驅(qū)動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)及加載油缸的加載，檢測信號由閥板上的位移傳感器傳給工控機(jī)。加載油缸設(shè)定參數(shù)分為3組，每組設(shè)定載荷見表1。為檢測閥門的運(yùn)動(dòng)誤差，工控機(jī)控制驅(qū)動(dòng)油缸以三角波的形式往返運(yùn)動(dòng)。

圖12 調(diào)節(jié)閥門試驗(yàn)裝置

圖13 調(diào)節(jié)閥門控制系統(tǒng)

對氣流調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行均載及偏載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖14、圖15及圖16所示。試驗(yàn)過程中為避開油缸的起始位置，從油缸行至20～95 mm處進(jìn)行往返試驗(yàn)。

圖14 均載試驗(yàn)曲線 圖15 偏載模式1試驗(yàn)曲線

圖16 偏載模式2試驗(yàn)曲線

圖14所示為調(diào)節(jié)閥門均載試驗(yàn)曲線。圖中為0～15 s時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸為伸出工況，為15～30 s時(shí)，驅(qū)動(dòng)油缸小腔(有桿腔)進(jìn)油，為縮回工況?？芍涸跒?～15 s時(shí)，驅(qū)動(dòng)電磁閥換向時(shí)，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸大腔接通壓力油，同時(shí)驅(qū)動(dòng)閥門向前移動(dòng)，當(dāng)閥門到達(dá)95 mm處，驅(qū)動(dòng)電磁閥換向，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸小腔接通壓力油，帶動(dòng)閥門向后移動(dòng)至20 mm處。之后驅(qū)動(dòng)油缸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行至120 s時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)油缸在均載狀態(tài)下循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)油缸在同步閥控制作用下，同步精度較好，位移曲線幾乎重合，位移誤差在1%以內(nèi)。

圖15所示為偏載模式1試驗(yàn)曲線?？芍涸跒?～15 s時(shí)，在起始階段，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移曲線重合度較好；隨著位移的增加，由于負(fù)載不均勻，同步閥芯在偏載載荷的作用下，自動(dòng)調(diào)整重新分配流量，但由于閥芯不平衡力、內(nèi)漏及節(jié)流孔加工誤差的影響，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移誤差逐漸增大，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，位移誤差達(dá)8 mm。

圖16所示為偏載模式2試驗(yàn)曲線?？芍涸谖灰茷?0～40 mm時(shí)，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移曲線重合度較好，由于負(fù)載不均勻，隨著位移的增加，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移誤差逐漸增大，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，位移誤差達(dá)12 mm。

對比圖14—圖16可知：在均載狀態(tài)下，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移曲線重合度較好，位移誤差在1%以內(nèi)，隨著偏載載荷的增加，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移誤差逐漸增大，由偏載模式1變化到偏載模式2時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥門的最大位移誤差由10%增大到15%。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了集束式潛孔沖擊器的氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，分析了其運(yùn)動(dòng)原理。針對氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥門的同步控制，分析了同步閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理，推導(dǎo)了同步閥的流量方程及主閥芯受力方程。

(2)搭建氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺，測試了均載狀態(tài)和偏載狀態(tài)下氣流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的同步特性。結(jié)果表明：在均載狀態(tài)下，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移曲線重合度高，同步閥的同步性能好，隨著偏載載荷的增加，3個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸的位移誤差逐漸增大，由偏載模式1變化到偏載模式2時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥門的最大位移誤差由10%增大到15%。