不同比例閥抑制潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓沖擊特性分析

婁磊，秦偉業(yè)，陳孟舉，吳萬榮,芮紅艷,劉智

(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.貴州中煙工業(yè)有限公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)(包括動(dòng)臂和鉆架機(jī)構(gòu))運(yùn)動(dòng)屬于大慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)，具有高壓、大流量等特點(diǎn)。其變幅工作過程如下：動(dòng)臂主控閥在先導(dǎo)油壓的作用下開啟，主泵泵出的液壓油進(jìn)入動(dòng)臂液壓缸，由于潛孔鉆機(jī)動(dòng)臂及鉆架質(zhì)量大，動(dòng)臂液壓缸在大慣性的作用下不能立即轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)臂液壓缸進(jìn)油腔油壓持續(xù)升高，產(chǎn)生液壓沖擊。當(dāng)液壓力克服動(dòng)臂及鉆架的各種阻力時(shí)，動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)臂液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)的油壓急劇減小。潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)在啟動(dòng)或換向瞬間壓力波動(dòng)較大，鉆機(jī)臂架振動(dòng)嚴(yán)重，容易造成泵、閥等液壓元器件的損壞。因此，研究潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動(dòng)換向瞬間的液壓沖擊，并采取相應(yīng)控制措施，具有重要意義。

針對(duì)工程機(jī)械中變幅機(jī)構(gòu)的振動(dòng)問題，梁演釗設(shè)計(jì)了蓄能器的減震方案，并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明該方案減震效果較明顯。曹博等人針對(duì)樁架在工作中承受復(fù)雜多變的力，容易引起樁架工作振動(dòng)及不穩(wěn)定的問題，對(duì)不同變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。針對(duì)汽車起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)工作特性，顧燕采用負(fù)載口獨(dú)立控制的方法減振和節(jié)能。吳萬榮、王成賓等分析了大質(zhì)量負(fù)載下，由于慣性導(dǎo)致的系統(tǒng)沖擊，通過增加變阻尼裝置，并聯(lián)回轉(zhuǎn)緩沖閥或設(shè)定溢流閥的開啟規(guī)律來減緩液壓系統(tǒng)的啟動(dòng)沖擊。張振等人對(duì)電動(dòng)靜液作動(dòng)器的沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了抑制電動(dòng)靜液作動(dòng)器沖擊的方法。范久臣、汪小芳等基于AMESim軟件分別對(duì)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)換擋沖擊和負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的換向沖擊特性進(jìn)行了仿真分析，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。在旋轉(zhuǎn)類控制閥的研究方面，王鶴、左希慶等為了分析旋轉(zhuǎn)激閥的激振波形及2D電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性，分別研究了不同旋轉(zhuǎn)節(jié)流槽口的節(jié)流形狀、節(jié)流面積及電磁鐵性能對(duì)波形及流量特性的影響。液壓系統(tǒng)的沖擊主要與控制閥口的開啟特性有關(guān)，LOU、冀宏等人對(duì)換向閥芯上不同形狀節(jié)流槽的節(jié)流特性進(jìn)行了研究，并加工了不同類型換向閥芯，將它們應(yīng)用在螺旋鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，有效降低了螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的換向沖擊。

上述研究人員針對(duì)旋轉(zhuǎn)閥及某些工程裝備中的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究?；诖耍疚淖髡卟捎眯D(zhuǎn)比例閥抑制潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動(dòng)換向瞬間的液壓沖擊。主要原理是利用伺服電機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯的轉(zhuǎn)角進(jìn)行合理控制，以降低或消除變幅系統(tǒng)的壓力沖擊。

1 潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)工作原理及沖擊特性

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理如圖1所示，主要由泵組、溢流閥組、主控閥組、先導(dǎo)電磁閥及動(dòng)臂油缸組成。

圖1 潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理

泵組由主泵和先導(dǎo)泵組成，工作時(shí)主泵向主控比例閥供油，先導(dǎo)泵向先導(dǎo)電磁閥組供油，先導(dǎo)比例電磁閥控制主控閥組換向，主控閥組控制動(dòng)臂油缸組運(yùn)動(dòng)，平衡閥組主要給動(dòng)臂油缸組提供背壓，起到一定的緩沖作用。另外,當(dāng)動(dòng)臂帶動(dòng)鉆架在某一姿態(tài)固定時(shí)，平衡閥可以確保動(dòng)臂在此姿態(tài)位置不變。圖2所示為潛孔鉆機(jī)實(shí)物，主要由鉆桿架、鉆機(jī)動(dòng)臂、舉升液壓缸、鉆機(jī)平臺(tái)等組成。鉆機(jī)動(dòng)臂和鉆桿架在作業(yè)時(shí)需不斷調(diào)整姿態(tài)，則把動(dòng)臂和鉆桿架合稱為變幅機(jī)構(gòu)。

圖2 潛孔鉆機(jī)實(shí)物

潛孔鉆機(jī)作業(yè)時(shí)需不斷調(diào)整變幅機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，因鉆架質(zhì)量較大，在主控比例閥換向的瞬間往往造成動(dòng)臂部位油缸兩腔油壓劇烈振蕩。由圖1可知，當(dāng)主控比例閥換向時(shí)，高壓油通過主控比例閥口經(jīng)平衡閥中的單向閥流入動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)的左腔。由于鉆桿架和動(dòng)臂的質(zhì)量大、慣性大，動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)在油壓的作用下不能立即動(dòng)作，如果主控比例閥換向時(shí)突然流入動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔的流量較大，則動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔的壓力會(huì)急劇增大并發(fā)生振蕩。如減小主控比例閥換向瞬間流入動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔(或右腔)的油液流量，可減弱動(dòng)臂舉升油缸(動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)油缸)左右腔油液的壓力振蕩。為此，對(duì)普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥的流量特性進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用于潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2 沖擊控制模型建立

2.1 比例閥口流量特性

潛孔鉆機(jī)液壓系統(tǒng)一般采用普通滑閥式比例閥進(jìn)行控制，本文作者對(duì)普通滑閥式比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥進(jìn)行對(duì)比研究。

普通滑閥式比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥的流量計(jì)算公式：

(1)

式中：為比例閥閥口流量系數(shù)；為比例閥閥口的節(jié)流面積；為液壓油的密度；Δ為比例閥閥口的壓差。由于潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動(dòng)或換向瞬間的沖擊主要是由于通過節(jié)流閥口的流量不穩(wěn)定引起的，故可通過調(diào)節(jié)液控比例閥口的壓差和比例閥口的面積來控制啟動(dòng)或換向瞬間的壓力沖擊。

2.2 比例閥口節(jié)流控制分析

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)沖擊現(xiàn)象僅發(fā)生在系統(tǒng)的換向階段，閥芯剛剛打開時(shí)，系統(tǒng)的沖擊現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，故需詳細(xì)分析不同結(jié)構(gòu)比例閥芯開啟瞬間對(duì)變幅系統(tǒng)沖擊的影響。圖3、圖4所示分別為單節(jié)及雙節(jié)U形滑閥的結(jié)構(gòu)，圖5所示為滑閥在閥體內(nèi)的裝配圖?；y靠電動(dòng)力或液動(dòng)力在閥體內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)來改變其開口量，調(diào)節(jié)閥口的節(jié)流面積，從而控制油液流量。結(jié)合圖1可知，先導(dǎo)電磁閥組右側(cè)電磁線圈通電后，先導(dǎo)泵的高壓油從B1口流出，推動(dòng)主控閥組左側(cè)主控閥的閥芯向上運(yùn)動(dòng)，主泵的高壓油從主控閥組的b1口流出，動(dòng)臂舉升油缸動(dòng)作。

圖3 單節(jié)U形滑閥

圖4 雙節(jié)U形滑閥

圖5 滑閥在閥體內(nèi)裝配

主控閥組內(nèi)的滑閥兩端為油腔，油腔內(nèi)有對(duì)中彈簧。當(dāng)油腔內(nèi)無油壓時(shí)，主控滑閥芯在對(duì)中彈簧的作用下處于中位。當(dāng)油腔一端通先導(dǎo)油時(shí)，主閥便向另一端移動(dòng)，當(dāng)先導(dǎo)油壓、主閥彈簧、液動(dòng)力相平衡時(shí)，滑閥處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)，通過閥口的流量穩(wěn)定。但當(dāng)滑閥開啟或換向的瞬間，主控閥內(nèi)的滑閥失去平衡，閥口流量急劇變化，造成壓力沖擊。通過改變滑閥上節(jié)流口的形狀和不同節(jié)流口的組合可以減弱滑閥開啟或換向時(shí)的沖擊，但不能完全消除液壓沖擊。本文作者同時(shí)采用普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥對(duì)潛孔鉆機(jī)的變幅系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)比普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥的控制特性。

圖6所示為旋轉(zhuǎn)比例閥結(jié)構(gòu)，主要由伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)比例閥芯、旋轉(zhuǎn)比例閥套及角度傳感器構(gòu)成。其工作原理：伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)比例閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器檢測(cè)閥芯的旋轉(zhuǎn)角度，并反饋給控制器;當(dāng)閥芯上三角槽孔和閥套上的孔槽即將接觸時(shí)，控制器降低伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速或以停頓—轉(zhuǎn)動(dòng)的間隔方式進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動(dòng)，直到旋轉(zhuǎn)比例閥芯和閥套上的油路全部溝通。通過旋轉(zhuǎn)比例閥控制速度，并通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)比例閥芯節(jié)流口形狀，可控制或消除液壓沖擊。

圖6 旋轉(zhuǎn)比例閥結(jié)構(gòu)

圖7所示為旋轉(zhuǎn)比例閥芯的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)比例閥芯節(jié)流口形狀采用三角槽形狀。圖8為旋轉(zhuǎn)比例閥芯、閥套組合裝配圖及閥口節(jié)流面積示意。旋轉(zhuǎn)比例閥芯通過伺服電機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)閥芯的三角槽即將靠近閥套上的空槽邊緣時(shí)，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使旋轉(zhuǎn)比例閥芯上的三角槽以適當(dāng)?shù)乃俣葴贤ㄩy套上的空槽，降低液壓沖擊。

圖7 旋轉(zhuǎn)比例閥芯

圖8 旋轉(zhuǎn)比例閥芯閥套組合及閥口節(jié)流面積

如圖8所示，旋轉(zhuǎn)比例閥芯旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉较颍D(zhuǎn)比例閥在時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度為，則旋轉(zhuǎn)比例閥三角節(jié)流槽節(jié)流面積公式為

(2)

=

(3)

(4)

其中：為旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯上三角槽的中心角；為旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯的半徑。

3 變幅機(jī)構(gòu)沖擊控制試驗(yàn)研究

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理如圖1和圖9所示，圖1所示為普通比例閥控制原理，圖9所示為旋轉(zhuǎn)比例閥控制動(dòng)臂舉升系統(tǒng)液壓原理。試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)：試驗(yàn)系統(tǒng)油源壓力為25 MPa，流量為100 L/min。動(dòng)臂加質(zhì)量塊系統(tǒng)總質(zhì)量約為1 600 kg。試驗(yàn)時(shí)先導(dǎo)電磁閥組控制主控閥組的換向，通過裝在舉升油缸進(jìn)、回油腔的壓力傳感器檢測(cè)比例閥換向時(shí)舉升油缸進(jìn)、回油腔的壓力。試驗(yàn)時(shí)采用S7-1200PLC編程,控制舉升油缸的舉升下降，舉升油缸到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)，由直線位移傳感器檢測(cè)，并將到位信息反饋給PLC，從而控制主控比例閥換向，實(shí)現(xiàn)舉升油缸反向運(yùn)動(dòng)。

圖9 旋轉(zhuǎn)比例閥控制動(dòng)臂舉升系統(tǒng)液壓原理

圖10所示為普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥裝配圖，圖11所示為潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)換向沖擊測(cè)試系統(tǒng)。

圖10 普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥裝配

圖11 變幅機(jī)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

如圖9所示：試驗(yàn)時(shí)伺服電機(jī)帶動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，角度傳感器檢測(cè)閥芯旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)閥芯的三角節(jié)流槽旋轉(zhuǎn)至閥套槽口邊緣時(shí)，伺服控制器降低伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度或以停頓—轉(zhuǎn)動(dòng)的間隔方式進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動(dòng)，使三角節(jié)流槽和閥套槽口以合理的速度溝通。

圖12所示為普通比例閥采用單節(jié)U形滑閥控制時(shí)，動(dòng)臂舉升油缸大、小腔壓力曲線。可知：在0～50 s內(nèi)，主控比例閥換向時(shí)，舉升油缸小腔(有桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，油壓升高至10 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸小腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力為12 MPa，壓力波動(dòng)范圍約為3 MPa；在50～120 s內(nèi)，主控比例閥換向時(shí)，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，壓力約由回油壓力2 MPa劇烈升高至13 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸大腔有約7 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力高達(dá)18 MPa,壓力波動(dòng)范圍約為7 MPa。

圖12 單節(jié)U形滑閥控制時(shí)動(dòng)臂舉升試驗(yàn)壓力曲線

圖13所示為普通比例閥采用雙節(jié)U形節(jié)流閥控制時(shí)，動(dòng)臂舉升油缸大、小腔壓力曲線?？芍涸?～50 s內(nèi)，主控比例閥換向時(shí)，舉升油缸小腔(有桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，油壓升高至10 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸小腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力為11 MPa。壓力波動(dòng)范圍約為2 MPa；在50～120 s內(nèi)，主控比例閥換向時(shí)，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，壓力由回油壓力2 MPa劇烈升高至13 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸大腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力約為15 MPa，壓力波動(dòng)范圍約為3 MPa。對(duì)比圖11和圖12，可以看出：在相同的控制條件下，雙節(jié)U形節(jié)流閥能顯著減小潛孔鉆機(jī)動(dòng)臂舉升系統(tǒng)的換向沖擊，但雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不能完全消除主控比例閥的換向沖擊。

圖13 雙節(jié)U形節(jié)流閥控制時(shí)動(dòng)臂舉升試驗(yàn)壓力曲線

圖14所示為旋轉(zhuǎn)比例閥控制時(shí)，動(dòng)臂舉升油缸大、小腔壓力曲線?？芍涸?～40 s內(nèi)，旋轉(zhuǎn)比例閥換向時(shí)，原本處于回油狀態(tài)的油缸小腔，在伺服電機(jī)的控制下緩慢接通高壓油，油壓逐漸升高至10 MPa，無壓力沖擊現(xiàn)象；在40～80 s內(nèi)，旋轉(zhuǎn)比例閥換向時(shí)，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)接通壓力油，壓力由回油壓力2 MPa升高至13 MPa，油槽溝通時(shí)間大約為10 s，無壓力沖擊產(chǎn)生。對(duì)比圖12—圖13，可以看出：在相同的控制條件下，雙節(jié)U形節(jié)流閥能顯著減小潛孔鉆機(jī)動(dòng)臂舉升系統(tǒng)的換向沖擊，但雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不能完全消除主控比例閥的換向沖擊；采用旋轉(zhuǎn)比例閥控制時(shí)，適當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)比例閥的換向時(shí)間，可完全消除換向沖擊。

圖14 旋轉(zhuǎn)比例閥控制時(shí)動(dòng)臂舉升試驗(yàn)壓力曲線

4 結(jié)論

(1)分析了普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥的區(qū)別，推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)比例閥三角節(jié)流槽口過流面積公式。

(2)搭建了潛孔鉆機(jī)動(dòng)臂舉升試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比分析了不同比例閥對(duì)舉升系統(tǒng)液壓沖擊的影響，結(jié)果表明：與采用單節(jié)U形閥芯的比例閥相比，采用雙節(jié)U形閥芯的普通比例閥更能降低液壓系統(tǒng)啟動(dòng)和換向瞬間的沖擊，但不能完全消除液壓沖擊。當(dāng)合理控制旋轉(zhuǎn)比例閥的換向時(shí)間時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)比例閥的液壓系統(tǒng)可完全消除壓力沖擊。