劉麗娜

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000)

目前各國(guó)的液壓鉆機(jī)大部分都采用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)頂驅(qū)。該系統(tǒng)不但可以節(jié)省20%～25%的鉆井時(shí)間，而且也可有效防止卡鉆事故，特別適用于斜井、高難度的定向井的鉆探。頂驅(qū)裝置將由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，這就需要高壓大排量的液壓馬達(dá)。頂驅(qū)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)形式、尺寸、精度尤其是排量相同、容積效率較高且相等的4個(gè)軸向柱塞液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，馬達(dá)以并聯(lián)工況為主。當(dāng)鉆機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后，會(huì)發(fā)現(xiàn)齒輪的磨損嚴(yán)重，減速箱因受力不均易產(chǎn)生振動(dòng)從而影響鉆進(jìn)性能。出現(xiàn)這種情況的原因在于:系統(tǒng)由4臺(tái)液壓馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力，然后再經(jīng)減速器的1 對(duì)減速齒輪將動(dòng)力傳給主軸，在傳遞過(guò)程中，扭矩難免會(huì)有差異;另外，4個(gè)馬達(dá)在尺寸、制造精度等各方面也不可能完全相同，這就造成了鉆進(jìn)過(guò)程中4個(gè)馬達(dá)的同步精度降低[1]。

1 LUDV控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示，4個(gè)馬達(dá)為并聯(lián)連接，多路換向閥是手動(dòng)控制換向閥門(mén)的組合，以進(jìn)行多個(gè)工作機(jī)構(gòu)的集中控制，采用的型號(hào)為力士樂(lè)M4、M7 等集成閥組。工作時(shí)，4個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速器，減速器再帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)[2]。為了保證4個(gè)馬達(dá)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，采用了負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)(LUDV)。

圖1 頂驅(qū)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓原理圖

LUDV系統(tǒng)是力士樂(lè)等公司在改進(jìn)負(fù)荷傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是與負(fù)載無(wú)關(guān)的流量分配系統(tǒng)，通常由壓力補(bǔ)償閥、梭閥、LS控制閥等元件組成[3]。當(dāng)有多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)梭閥來(lái)將其中最高的壓力負(fù)載信號(hào)反饋到壓力補(bǔ)償閥以改變泵的缸體擺腳來(lái)實(shí)現(xiàn)變量。由于系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)出負(fù)載的最高壓力，所以泵始終以大于最高壓力一個(gè)微小值，為系統(tǒng)供油[4]。這樣一來(lái)，泵能夠提供與負(fù)載相匹配的流量，減小了系統(tǒng)的能量損失，提高了效率。當(dāng)泵所提供的流量不能保證各馬達(dá)正常工作所需時(shí)，并不是優(yōu)先供給負(fù)載較小的執(zhí)行元件，而是系統(tǒng)按照節(jié)流口的開(kāi)口面積大小，按比例地把流量分配給各執(zhí)行元件[5]，從而保證同時(shí)工作的執(zhí)行元件動(dòng)作同步，避免造成元件的磨損。

通過(guò)改變各節(jié)流閥閥口面積，不僅實(shí)現(xiàn)流量的按比例分配，而且泵輸出功率也與負(fù)載功率相匹配，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)約了能源[6]。根據(jù)以上敘述，泵的供油量不足時(shí)，任何一個(gè)馬達(dá)也不會(huì)停止工作，而是同時(shí)按比例地減小轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并不影響傳動(dòng)精度，大大提高了系統(tǒng)的工作性能。

綜上所述，流量不受負(fù)載的影響是這個(gè)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。而其他控制系統(tǒng)就不能滿(mǎn)足這一點(diǎn)，目前控制性能良好的獨(dú)立流量分配系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種液壓系統(tǒng)。

2 LUDV控制系統(tǒng)的工作原理及仿真建模

2.1 LUDV控制系統(tǒng)的工作原理

如圖2所示為L(zhǎng)UDV控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。

圖2 LUDV控制系統(tǒng)原理圖

控制閥組以整體式多路閥為主，包括操縱閥和壓力補(bǔ)償閥，操縱閥又由節(jié)流閥和換向閥組成，因?yàn)閾Q向閥對(duì)于控制原理沒(méi)有什么影響，所以圖中并沒(méi)有畫(huà)出。圖中只列出了兩液壓馬達(dá)并聯(lián)，如果能實(shí)現(xiàn)兩馬達(dá)同步，那么4個(gè)馬達(dá)也就能實(shí)現(xiàn)同步。圖中利用梭閥將兩馬達(dá)中工作壓力較高的信號(hào)pm分別傳給LS控制閥和壓力補(bǔ)償閥，換向節(jié)流環(huán)節(jié)設(shè)置在壓力補(bǔ)償閥之前，其進(jìn)口壓力為泵的出口壓力ps。壓力補(bǔ)償閥控制換向節(jié)流閥的壓差，它的一端壓力為高負(fù)載壓力pm，則有:

pA1=pm+pk1pA2=pm+pk2

如果調(diào)解其開(kāi)啟壓力pk使得pk1=pk2，則有pA1=pA2，因?yàn)閾Q向節(jié)流閥的前后壓差Δp=ps－pA，由此可得出Δp1=Δp2=Δp，其流量公式為:

式中:Q1、Q2為兩換向節(jié)流閥的流量;

C1、C2為流量系數(shù);

A1、A2為閥口截面積;

Δp為閥口前后壓差;

ρ為液壓油密度。

由以上公式可以得出:流經(jīng)兩個(gè)馬達(dá)的流量之比只與兩節(jié)流換向閥的開(kāi)口面積成正比，即:因此只要調(diào)節(jié)好兩閥的開(kāi)口面積使A1=A2，就可以使進(jìn)入兩馬達(dá)的液壓油的流量相等。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化、泵的供油量不足時(shí)，Δp 相應(yīng)減小，但是仍然有Δp1=Δp2=Δp，所以流量仍然與閥的開(kāi)口面積成正比，流量還是成比例地分配。

2.2 仿真建模

在計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的今天，以及一些相關(guān)學(xué)科如:流體力學(xué)、近代控制理論、可靠性理論等的發(fā)展，為液壓仿真技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。應(yīng)用仿真技術(shù)，可以對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究設(shè)計(jì)方案的可行性，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)或元件性能的影響[8]，從而為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)、調(diào)試和使用的可靠依據(jù)，將進(jìn)一步推動(dòng)液壓技術(shù)不斷向前發(fā)展。

作者采用法國(guó)IMAGINE 公司開(kāi)發(fā)的AMESim軟件對(duì)液壓馬達(dá)同步系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析。

建立同步系統(tǒng)仿真模型需要用到液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、信號(hào)庫(kù)等。系統(tǒng)中所用到的控制閥如果在軟件中沒(méi)有模型，就需要用軟件所帶的液壓元件庫(kù)自行設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)中的動(dòng)力機(jī)構(gòu)、控制信號(hào)以及變量馬達(dá)和泵等各種元件，分別在各庫(kù)中選取，最終，根據(jù)圖2建立如圖3所示的仿真模型。

進(jìn)行液壓馬達(dá)同步系統(tǒng)仿真時(shí)，選擇各種元件的模型以及確定各種參數(shù)是很重要的。但是精確地設(shè)置參數(shù)是很困難的，只能在反復(fù)的仿真過(guò)程中不斷地調(diào)整各參數(shù)。此次仿真主要是說(shuō)明閥后壓力補(bǔ)償，使得在負(fù)載不相同的情況下，確保閥口前后壓差致使流量分配不受負(fù)載影響。故給出壓力補(bǔ)償閥的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 LUDV控制系統(tǒng)仿真模型

表1 壓力補(bǔ)償閥主要參數(shù)

假定兩馬達(dá)，分別受負(fù)載力矩T1=400 N·m、T2=500 N·m，液壓泵的排量為220 mL/min，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，兩節(jié)流口直徑相同。為了從液壓的角度來(lái)解決不同步的問(wèn)題，采用了在閥后進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)姆绞?，雖然兩馬達(dá)所受負(fù)載力矩不一致，用壓力補(bǔ)償?shù)姆绞绞构?jié)流口前后壓差一致，使流量的分配不受負(fù)載影響。圖3是采用閥后壓力補(bǔ)償模型的AMESim模型。

3 LUDV系統(tǒng)仿真

圖4是兩馬達(dá)所受負(fù)載力矩，兩負(fù)載的差異很大，馬達(dá)入口壓力差異也大，如圖5所示。

圖4 兩馬達(dá)所受負(fù)載力矩

圖5 兩馬達(dá)入口壓力

壓力補(bǔ)償?shù)淖饔镁褪菍毫π〉脑龃?，使兩?jié)流口出口壓力達(dá)到一致。如圖6所示，通過(guò)補(bǔ)償作用，兩節(jié)流口出口壓力基本一致，且都逼近壓力大的值。這是由于通過(guò)梭閥的作用，將壓力大的一方引入壓力補(bǔ)償閥，用來(lái)與節(jié)流口壓力進(jìn)行比較并達(dá)到平衡。圖7是節(jié)流口入口壓力，兩節(jié)流口入口壓力一樣，是泵的出口壓力，知道了閥口前后壓力，就知道了閥口前后壓差。如圖8所示兩節(jié)流口前后壓差基本一致。

圖6 兩節(jié)流口出口壓力

圖7 兩節(jié)流口入口壓力

圖8 兩節(jié)流口前后壓差

閥口前后壓差達(dá)到一致，使通過(guò)節(jié)流口的流量不再受負(fù)載的影響，流量的分配由節(jié)流口開(kāi)度決定，做到了流量的獨(dú)立分配。因此要兩馬達(dá)同步，只需要控制兩節(jié)流口的開(kāi)度一致便可達(dá)到目的，如圖9、10所示兩馬達(dá)的流量、轉(zhuǎn)速基本達(dá)到一致。

圖9 兩馬達(dá)流量

圖10 兩馬達(dá)轉(zhuǎn)速

根據(jù)以上分析，仿真結(jié)果可以總結(jié)如下:

通過(guò)仿真分析，可以看出閥后壓力補(bǔ)償能很好地實(shí)現(xiàn)流量的分配不受負(fù)載的影響，通過(guò)控制閥口開(kāi)度來(lái)控制通過(guò)閥口的流量，同時(shí)閥后壓力通過(guò)補(bǔ)償達(dá)到一致，不會(huì)出現(xiàn)流量只流向阻力小的地方的情況，實(shí)現(xiàn)了按閥口開(kāi)度比例來(lái)分配流量。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)頂驅(qū)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)同步系統(tǒng)進(jìn)行了分析，采用負(fù)載獨(dú)立流量分配(LUDV)控制系統(tǒng)來(lái)保證各馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間的同步精度。介紹了LUDV控制系統(tǒng)組成并分析其工作原理，用AMESim軟件建立控制系統(tǒng)模型;最后進(jìn)行仿真，主要是說(shuō)明了閥后壓力補(bǔ)償，使得在負(fù)載不相同的情況下，確保閥口前后壓差一致，使流量的分配不受負(fù)載影響，從而使各馬達(dá)的流量保持一致，最終馬達(dá)同步。

【1】張翼.正確消除液壓同步馬達(dá)的同步誤差[J].流體傳動(dòng)與控制，2008(6):51－53.

【2】沙永柏.串聯(lián)馬達(dá)承載力分析[J].工程機(jī)械，2009(2):47－49.

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