液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)分析及仿真研究*

熊中剛，劉 忠※，楊 能，王 罡，龔東昌，張明勛，洛桑達(dá)娃，陳 順

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；3.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850010；4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041）

0 引言

在能源礦山爆破施工中，大都采用液壓鑿巖掘進(jìn)鉆孔工藝，由于地層存在溶洞、裂紋巖石負(fù)載不均勻的現(xiàn)象，在鑿巖鉆孔中會(huì)出現(xiàn)鉆孔偏斜現(xiàn)象，使炮孔達(dá)不到要求或鉆桿廢棄于炮孔中，嚴(yán)重影響鉆孔效率。關(guān)于預(yù)防鉆孔偏斜，國(guó)內(nèi)外研究者做了一些研究，如Chai 等[1]針對(duì)鉆孔偏斜的問(wèn)題，建立了偏斜的理論模型，通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證了鉆孔偏斜產(chǎn)生的原因和預(yù)防偏斜的措施；張延忠[2]為了解決弧形工作閘門2 個(gè)油缸存在偏差的問(wèn)題，提出了一種啟閉機(jī)同步液壓控制系統(tǒng)，通過(guò)單比例調(diào)速閥聯(lián)合常規(guī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)同步控制，確保2 個(gè)油缸之間的同步性，通過(guò)這種組合方式，能夠有效糾正弧形工作閘門偏差，經(jīng)試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了該方案的可行性；Liu等[3]針對(duì)錨桿鉆孔偏斜的問(wèn)題，研制了新型錨桿糾偏裝置，保證了鉆孔過(guò)程的偏斜問(wèn)題，提高了鉆孔的質(zhì)量；Zhang 等[4]針對(duì)鉆孔軌跡偏斜問(wèn)題，提出了行動(dòng)者-批評(píng)者強(qiáng)化學(xué)習(xí)和積分滑模控制的自適應(yīng)容錯(cuò)控制方法，對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井眼軌跡進(jìn)行跟蹤和校正，經(jīng)過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)在軌跡糾偏具有良好作用；楊西等[5]針對(duì)軋制車輪運(yùn)輸?shù)钠眴?wèn)題，提出了糾偏機(jī)構(gòu)+負(fù)載敏感液壓控制的方法，利用2 個(gè)油缸進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)仿真研究驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性；簡(jiǎn)鵬等[6]針對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程姿態(tài)控制滯后性導(dǎo)致偏斜的問(wèn)題，提出了一種盾構(gòu)施工的姿態(tài)自動(dòng)控制方法，經(jīng)仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明該方法具有較高的可靠性和實(shí)用性；冀超輝[7]針對(duì)鉆機(jī)鉆孔過(guò)程偏移導(dǎo)致鉆孔偏斜的問(wèn)題，提出了后續(xù)鉆孔或補(bǔ)打鉆孔的糾偏方法，改善了鉆孔偏斜的現(xiàn)象。

液壓鑿巖工程實(shí)踐表明，研究液壓鑿巖機(jī)糾偏控制方法在提高鉆鑿效率的同時(shí)還能降低能耗，進(jìn)而推動(dòng)液壓鑿巖裝備朝著智能化方向發(fā)展[8-10]。本文針對(duì)鑿巖機(jī)鉆孔糾偏問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)，詳細(xì)敘述其工作原理，經(jīng)過(guò)理論和仿真分析，揭示鉆孔偏斜對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)的影響，驗(yàn)證該系統(tǒng)糾偏的可行性和可靠性。

1 液壓鑿巖糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓鑿巖機(jī)工作原理

液壓鑿巖機(jī)通過(guò)將液壓能轉(zhuǎn)化為沖擊機(jī)械能達(dá)到將巖石破碎的目的。液壓鑿巖機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 液壓鑿巖機(jī)工作原理

高壓油由高壓油口和換向閥進(jìn)入沖擊系統(tǒng)，從低壓油口流出，其中換向閥屬于二位三通液動(dòng)換向閥。首先，活塞處于最左端時(shí)，液壓油經(jīng)活塞前腔由S1口進(jìn)入換向閥，使換向閥右位機(jī)能接入，使高壓油路同步涌入活塞前腔及后腔，由于活塞后腔A2和活塞前腔A1的面積差，且A1 大于A2，使得兩油腔產(chǎn)生壓力差。由于這個(gè)壓差，活塞會(huì)受到向前的推力從而加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞的運(yùn)動(dòng)速度提高時(shí)，后腔需要更多的液體流量。如果所需流量超過(guò)了液壓泵提供的流量，系統(tǒng)供能不足時(shí)，則通過(guò)高壓蓄能器中儲(chǔ)存的高壓油與活塞前腔回油同步向活塞后腔提供液體流量，以滿足其沖程運(yùn)動(dòng)的流量需求。當(dāng)沖擊活塞撞擊釬尾時(shí)，沖程控制口與回程控制口接通，使換向閥兩端受力發(fā)生變化，換向閥左位機(jī)能接入，從而實(shí)現(xiàn)快速換向，結(jié)束鑿巖機(jī)的沖程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)換向套閥換向時(shí)，沖擊活塞的后腔與回油通道連通，沖擊活塞在高壓油作用下回位。當(dāng)活塞前腔再次與沖程控制口相通時(shí)，高壓油路與控制油路相連。此時(shí)，高壓油與前后腔相連接，但由于換向閥左端的壓力損失，形成差動(dòng)連接，回程加速運(yùn)動(dòng)結(jié)束，但活塞會(huì)因?yàn)閼T性繼續(xù)進(jìn)行回程減速運(yùn)動(dòng)，直至沖擊活塞停止運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，高壓蓄能器會(huì)將剩余的能量以液壓能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，至此，沖擊機(jī)構(gòu)完成一個(gè)工作循環(huán)。

液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)利用沖擊活塞不斷撞擊釬尾，將液壓能轉(zhuǎn)化為沖擊能，輸出連續(xù)的沖擊能量，以達(dá)到釬尾破碎巖石的效果。

1.2 糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本文針對(duì)液壓鑿巖機(jī)鉆孔偏斜的問(wèn)題，提出了糾偏控制系統(tǒng)方案，如圖2 所示。糾偏工作過(guò)程如下：液壓泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，輸出一定壓力與流量的液流，溢流閥調(diào)定糾偏控制系統(tǒng)總工作壓力；電磁換向閥通過(guò)推進(jìn)控制閥組輸入一定壓力與流量的液流控制推進(jìn)缸，完成液壓鑿巖機(jī)進(jìn)退動(dòng)作，電磁換向閥控制液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)，完成液壓鑿巖機(jī)釬桿回轉(zhuǎn)作業(yè)，進(jìn)而為液壓鑿巖機(jī)過(guò)程提供轉(zhuǎn)速和破巖扭矩；液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)壓力信號(hào)直接作用于推進(jìn)控制閥組，推進(jìn)控制閥組控制工作液壓缸下腔與其上腔壓力平衡，以自適應(yīng)調(diào)節(jié)推進(jìn)缸無(wú)桿腔壓力；同時(shí)，通過(guò)糾偏控制器發(fā)出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例溢流閥的比例電磁線圈DT6，以調(diào)節(jié)推進(jìn)缸回油壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)工作壓力的有效補(bǔ)償[11-13]。

圖2 液壓糾偏控制系統(tǒng)

此外，針對(duì)該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一種糾偏控制器。該控制器采集回轉(zhuǎn)馬達(dá)的壓差信號(hào)，通過(guò)比較計(jì)算，可以得出液壓鑿巖機(jī)鑿巖鉆鑿時(shí)的阻力矩，利用鑿巖軸壓力與轉(zhuǎn)釬阻力矩公式，可以計(jì)算得出鑿巖機(jī)的軸壓力，然后根據(jù)不同施工工況下鑿巖機(jī)的推進(jìn)力與軸壓力的關(guān)系，計(jì)算出鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中所需的理論推進(jìn)力；把理論推進(jìn)力與實(shí)際推進(jìn)力差作為輸入控制信號(hào)，作用于比例溢流閥比例線圈，使其成比例開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)缸壓力補(bǔ)償控制，由此可避免鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中因鑿巖機(jī)推進(jìn)力的不均勻而引起的鉆孔偏斜。

該糾偏控制器能夠?qū)崿F(xiàn)鑿巖機(jī)的精確控制，根據(jù)鑿巖機(jī)的作業(yè)工況和鑿巖鉆進(jìn)的阻力變化，以自動(dòng)調(diào)節(jié)推進(jìn)缸的工作壓力，確保鑿巖機(jī)的推進(jìn)力與軸壓力的平衡，從而避免鉆孔偏斜，提高鑿巖效率和施工質(zhì)量?？偠灾?，糾偏控制系統(tǒng)通過(guò)液壓泵、溢流閥、電磁換向閥、推進(jìn)缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等組件的協(xié)調(diào)工作，以及糾偏控制器的精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)工作壓力的補(bǔ)償和控制，保證了鑿巖機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確鑿巖。

1.3 液壓鑿巖沖擊力學(xué)分析

液壓鑿巖機(jī)在鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆鑿掘進(jìn)所需的軸壓推進(jìn)力與巖石的硬度密切相關(guān)[14]，針對(duì)不同種類及物理性質(zhì)的巖石，其鉆鑿掘進(jìn)所需的軸壓推進(jìn)力不同[15-19]。為避免因推進(jìn)力過(guò)大或過(guò)小而導(dǎo)致鉆孔偏斜，依據(jù)工程實(shí)踐，可得出釬桿所需軸向推進(jìn)力Fd與巖石硬度的關(guān)系如式（1）所示。

式中：D為鉆桿直徑，m；f2為巖石硬度系數(shù)。

液壓鑿巖機(jī)釬桿所受阻力Fz如式（2）所示。

式中：ki為鉆具-巖石的接觸系數(shù)；z為鉆頭的切削刃數(shù)；h為切削深度，m；vz為鉆桿速度，m∕s；h為鉆進(jìn)深度，m。

其中，鉆進(jìn)深度h如式（3）所示。

式中：r為鑿巖機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速，r∕min。

鑿巖機(jī)釬桿在鉆進(jìn)過(guò)程中所受回轉(zhuǎn)阻力矩如式（4）所示。

聯(lián)立式（1）～（4）可得式（5）。

針對(duì)ZJ-150 型液壓鑿巖機(jī)，其轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)為外回轉(zhuǎn)齒輪減速裝置，由回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)釬桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，則

式中：Mr為鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出力矩。

將式（5）代入式（6），可得鑿巖所需軸壓力為：

式中：Vm為馬達(dá)排量，m3∕s；ηm為馬達(dá)機(jī)械效率；ηi為馬達(dá)容積效率；Δp為馬達(dá)進(jìn)出口壓差。

液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)提供的推進(jìn)力為：

式中：pt1為推進(jìn)缸進(jìn)油壓力，MPa；pt2為推進(jìn)缸回油壓力，MPa；As1為推進(jìn)缸進(jìn)油路有效作用面積，m2；As2為推進(jìn)缸回油路有效作用面積，m2。

液壓鑿巖機(jī)在水平鑿巖工況下，其推進(jìn)力與機(jī)體所產(chǎn)生的軸壓力相等。而在垂直向下鑿巖工況下，鑿巖機(jī)機(jī)體所提供的推進(jìn)力與軸壓力呈一定的關(guān)系[14]。具體而言，推進(jìn)力與軸壓力之間的關(guān)系取決于鉆鑿的巖石性質(zhì)和鑿巖機(jī)系統(tǒng)的工作參數(shù)。根據(jù)這些因素，可以計(jì)算出鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中所需的理論推進(jìn)力，并相應(yīng)地調(diào)整液壓鑿巖機(jī)的工作參數(shù)，以達(dá)到最佳的鑿巖效果。

2 仿真研究

2.1 仿真模型建立

依據(jù)糾偏控制系統(tǒng)方案，通過(guò)AMESim 建立如圖3所示的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)的模型。

圖3 液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)所研究的液壓鑿巖機(jī)機(jī)型，確定其物理參數(shù)如表1所示[18-20]。

表1 仿真系統(tǒng)的物理參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

液壓鑿巖機(jī)在施工作業(yè)中通常會(huì)面對(duì)不同類型的巖石，這些巖石可以被分為軟巖、中硬巖和硬巖，其對(duì)應(yīng)的巖石硬度系數(shù)f2分別為5、10、15。為適應(yīng)不同的工況，針對(duì)水平鑿巖、垂直向下鑿巖2 種典型工況，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究，施加不同的推進(jìn)力作用于巖石，以模擬實(shí)際施工過(guò)程中的情況。

2.3.1 水平鑿巖工況

將溢流閥調(diào)定的系統(tǒng)壓力分別設(shè)置為4、5、6 MPa，其推進(jìn)缸的進(jìn)油腔壓力和回油腔壓力曲線如圖4～6所示。由圖可知，在初始階段的0.2 s 內(nèi)，由于液壓泵輸出壓力不穩(wěn)定，其壓力曲線存在小時(shí)段的波動(dòng)，其后系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中圖4～5 所示的推進(jìn)缸回油口壓力在工作區(qū)間存在一定波動(dòng)，這是由于液壓馬達(dá)進(jìn)出口油液壓差的波動(dòng)所引起的。

圖4 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為4 MPa）

圖5 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為5 MPa）

圖6 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為6 MPa）

依據(jù)圖4～6 可得出仿真數(shù)據(jù)如表2 所示。由表可知，在鑿巖機(jī)的系統(tǒng)壓力保持恒定的情況下，當(dāng)鑿巖機(jī)鉆鑿的巖石硬度變化時(shí)，推進(jìn)缸的進(jìn)油壓力幾乎不會(huì)改變；但回油壓力與巖石硬度成反比關(guān)系，鉆鑿軟巖時(shí)，推進(jìn)缸回油壓力最大，鉆鑿堅(jiān)硬巖石時(shí)，回油壓力最小，其原因在于鉆鑿遇到堅(jiān)硬巖石對(duì)軸壓力的需求最大；推進(jìn)缸的進(jìn)油壓力隨著鉆孔偏斜控制系統(tǒng)壓力的增大也逐步增大。

表2 在水平鑿巖工況時(shí)的仿真結(jié)果

2.3.2 垂直向下鑿巖工況

將溢流閥調(diào)定的系統(tǒng)壓力分別設(shè)置為4、5、6 MPa，其推進(jìn)缸的進(jìn)油腔壓力和回油腔壓力曲線如圖7～9 所示。由圖可知，在初始階段的0.2 s 內(nèi)，由于液壓泵輸出壓力不穩(wěn)定，其壓力曲線存在小時(shí)段的波動(dòng)，其后系統(tǒng)快速達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。推進(jìn)缸回油口壓力在工作區(qū)間存在一定波動(dòng)，主要由液壓馬達(dá)進(jìn)出口油液壓差的波動(dòng)所導(dǎo)致。其仿真結(jié)果趨勢(shì)基本與水平鑿巖工況一致。

圖7 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為4 MPa）

圖8 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為5 MPa）

圖9 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)油缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為6 MPa）

依據(jù)圖7～9中壓力曲線數(shù)據(jù)，可得出仿真數(shù)據(jù)如表3所示，其系統(tǒng)壓力與巖石硬度和推進(jìn)油缸的進(jìn)油、回油壓力之間的關(guān)系與水平鉆鑿工況下相似。

表3 在垂直向下鑿巖工況時(shí)的仿真結(jié)果

2.3.3 水平與垂直鉆鑿工況比較

分析2種不同鑿巖工況可以得出：工況不同，鉆鑿對(duì)象巖石相同，液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)缸進(jìn)油壓力有一定的差別；由于作用于巖石的軸壓力和機(jī)體提供推進(jìn)力關(guān)系的不同，對(duì)于垂直向下鑿巖工況，鑿巖機(jī)推進(jìn)缸回油壓力較小。鑿巖機(jī)系統(tǒng)壓力不變時(shí)，鑿巖工況不同，推進(jìn)缸回油壓力增量不同，但推進(jìn)缸進(jìn)油壓力增量大小幾乎不變。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的工作原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了理論分析和仿真研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）采用鉆孔糾偏控制系統(tǒng)對(duì)液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)油壓進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)姆绞?，以避免鑿巖鉆進(jìn)過(guò)程中，因鑿巖機(jī)的推進(jìn)力變化而引起的鉆孔偏斜。

（2）鑿巖機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力與軸壓力之間的關(guān)系取決于鉆鑿的巖石性質(zhì)和鑿巖機(jī)系統(tǒng)的工作參數(shù)。

（3）鉆孔糾偏控制系統(tǒng)的推進(jìn)缸進(jìn)油壓力變化較小，回油壓力變化較大；鉆孔偏斜產(chǎn)生的原因?yàn)殍弾r機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力與鉆鑿所需的推進(jìn)力不匹配，進(jìn)而驗(yàn)證了，液壓糾偏控制系統(tǒng)的可行性；為改進(jìn)液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏提供了技術(shù)方案。