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(1.山河智能裝備股份有限公司， 湖南 長沙 410100； 2.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

引言

回轉(zhuǎn)、推進為鑿巖鉆機的關(guān)鍵作業(yè)動作，鉆進過程中不同的巖層硬度需要不同的推進力，巖層較硬時，鉆頭較難吃進巖層，需要較大的推進力；巖層較軟時，鉆頭較易吃進巖層，需要較小的推進力。鉆進過程中巖層硬度是變化的，巖層變硬時，需增大推進力，反之需減小推進力?；剞D(zhuǎn)力變化能夠反映巖層硬度的變化，回轉(zhuǎn)力增大時，巖層變軟，反之巖層變硬。推進力自適應(yīng)與巖層變化，即可轉(zhuǎn)化為推進力自適應(yīng)與回轉(zhuǎn)力變化，依據(jù)回轉(zhuǎn)力變化主動控制推進力?？刂乒r為，回轉(zhuǎn)力增大時，控制推進力減小，反之控制推進力增大。

可靠的實現(xiàn)鑿巖回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)控制具有一定的技術(shù)難度，學(xué)術(shù)層面的研究大都集中在鉆進機理、控制方案、控制策略等方面，缺少能夠可靠工程應(yīng)用的鑿巖自適應(yīng)控制系統(tǒng)[1-3]。工程應(yīng)用層面，國內(nèi)品牌鑿巖鉆機基本沒有回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)控制功能。國際著名品牌鑿巖鉆機推進壓力控制采用直接遠控負載敏感主泵的方法，但主泵不只給推進油路供油，同時并聯(lián)給其他油路供油，這就使得不同油路、不同工況工作下主泵壓力的遠控邏輯復(fù)雜，液壓系統(tǒng)故障檢測及維修技術(shù)難以掌握，維護成本高。

1 回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

提出鑿巖回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過推進聯(lián)、溢流閥、負載敏感變量泵等的特殊匹配設(shè)計，實現(xiàn)推進壓力液壓遠控；采用推進壓力液壓遠控、平衡閥耦合兩溢流閥設(shè)定值、回轉(zhuǎn)壓力無級控制平衡閥開度等技術(shù)措施，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)無級耦合控制[4,5]。

如圖1所示，由負載敏感變量泵1、負載敏感比例多路閥3、推進執(zhí)行機構(gòu)5、液壓油箱8等組成推進控制主油路；由負載敏感比例多路閥3推進聯(lián)31及其負載敏感外控口LsA1、耦合控制閥塊7、回轉(zhuǎn)壓力反饋管路等組成推進壓力獨立液壓遠控及回轉(zhuǎn)液壓無級控制推進油路；由液壓泵2、液壓換向閥4、回轉(zhuǎn)馬達6、液壓油箱8等組成回轉(zhuǎn)控制主油路。本研究界定，推進執(zhí)行機構(gòu)5的A1′口進油且B1′口回油時為推進下推動作，反之為推進上提動作；回轉(zhuǎn)馬達的A2′口進油且B2′口回油時為回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)動作，反之為回轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)動作。

1.負載敏感變量泵 2.液壓泵 3.負載敏感比例多路閥 4.液壓換向閥 5.推進執(zhí)行機構(gòu) 6.回轉(zhuǎn)馬達 7.耦合控制閥塊 8.液壓油箱 9.壓力傳感器圖1 回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理圖

負載敏感比例多路閥3的推進聯(lián)31如圖2所示，其特征為，油口A1設(shè)有負載敏感外控口LsA1，設(shè)有壓差補償器311和負載反饋梭閥312，壓差補償器311負載反饋口Ls3通過推進聯(lián)31的閥芯的下位與負載敏感外控口LsA1連接，壓差補償器311負載反饋口Ls3與負載反饋梭閥312的第一進油口L31連接，本研究中負載反饋梭閥312的第二進油口L32與液壓油箱8連接。

圖2 推進聯(lián)

耦合控制閥塊7的組成如圖3所示，其內(nèi)部匹配及連接特征為，油口C2與強推壓力溢流閥72的進油口A4、平衡閥7的1進油口A3連接，平衡閥71的回油口B3與弱推壓力溢流閥73的進油口A5連接，強推壓力溢流閥72的回油口B4、弱推壓力溢流閥73的回油口B5及所有組成元件的泄油口均與液壓油箱8連接。

71.平衡閥 72.強推壓力溢流閥 73.弱推壓力溢流閥圖3 耦合控制閥塊

2 理論分析

推進壓力通過耦合液壓閥塊7遠控，耦合液壓閥塊7的油口C2的壓力依次通過負載敏感外控口LsA1、推進聯(lián)31的閥芯閥體結(jié)構(gòu)、壓差補償器311、負載反饋梭閥312、負載敏感比例多路閥3的Ls′口反饋至負載敏感變量泵1負載反饋口Ls，負載敏感變量泵1的出口壓力適應(yīng)于耦合控制閥塊7的油口C2的壓力，進而控制推進壓力適應(yīng)于耦合控制閥塊7的油口C2的壓力。

平衡閥71的開起壓力為預(yù)防卡鉆臨界回轉(zhuǎn)壓力，即回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)耦合控制起始點；全開壓力為弱推臨界回轉(zhuǎn)壓力，即回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)耦合控制終止點。回轉(zhuǎn)壓力小于所述平衡閥71開起壓力時，平衡閥71處于關(guān)閉狀態(tài)，油口C2的壓力為強推壓力溢流閥72設(shè)定值；回轉(zhuǎn)壓力大于平衡閥71全開壓力時，平衡閥71處于全開狀態(tài)，油口C2與強推壓力溢流閥72、弱推壓力溢流閥73均連通，設(shè)定值較低的弱推壓力溢流閥73起作用，油口C2的壓力為弱推壓力溢流閥73設(shè)定值。

回轉(zhuǎn)壓力介于平衡閥71的開啟壓力和全開壓力之間時，平衡閥71閥口開度由回轉(zhuǎn)壓力通過油口C1控制，油口C2的壓力由平衡閥71、強推壓力溢流閥72、弱推壓力溢流閥73耦合設(shè)定，壓力平衡方程如下:

pC2=Δp+pA5

pC2+pC1-Fs-k(x+x0)=0

式中,pC2—— 油口C2的壓力值

Δp—— 平衡閥71閥口壓差

pA5—— 弱推壓力溢流閥73設(shè)定值

pC1—— 回轉(zhuǎn)壓力(油口C1的壓力值)

k—— 平衡閥71彈簧剛度

x—— 平衡閥71閥口開度

x0—— 平衡閥71彈簧預(yù)壓縮量

Fs—— 穩(wěn)態(tài)液壓動力

ρ—— 油液密度

Cd—— 流量系數(shù)

qv—— 負載敏感外控口LsA輸出流量，為定值

A(x) —— 平衡閥71閥口面積，由閥口形狀和閥口開度x確定[6-7]

回轉(zhuǎn)壓力pC1增大，平衡閥閥口開度x增大，閥口面積A(x)增大，閥口壓差Δp減小，油口C2的壓力pC2減??；反之，回轉(zhuǎn)壓力pC1減小，平衡閥閥口開度x減小，閥口面積A(x)減小，閥口壓差Δp增大，油口C2的壓力pC2增大。

3 系統(tǒng)建模及仿真分析

應(yīng)用AMESim軟件，搭建回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)的AMESim仿真模型，如圖4所示，仿真模型主要包括A10VO泵模型、壓力補償閥模型、平衡閥模型、以及加載模型等，主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)AMESim模型

物理量數(shù)值油液密度/kg·m-3890變量泵排量/mL·r-171發(fā)動機轉(zhuǎn)速/r·min-12100壓力補償閥設(shè)定壓力/bar14高壓溢流閥溢流壓力/bar58低壓溢流閥溢流壓力/bar32平衡閥彈簧剛度/N·mm-1100平衡閥彈簧預(yù)緊力/N552

由圖5可知，回轉(zhuǎn)壓力小于120 bar，推進壓力穩(wěn)定在58 bar；回轉(zhuǎn)壓力大于160 bar，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由120 bar增大至160 bar，推進壓力由58 bar減小至32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由160 bar減小至120 bar，推進壓力由32 bar增大至58 bar；仿真分析結(jié)果與理論分析吻合。

圖5 回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)仿真曲線

4 試驗測試

裝機試驗測試，分靜態(tài)和動態(tài)兩種工況，靜態(tài)工況測試為推進持續(xù)加載，手動調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)壓力，測試推進壓力自適應(yīng)與回轉(zhuǎn)壓力變化的數(shù)據(jù)；動態(tài)工況測試為推進持續(xù)加載，回轉(zhuǎn)壓力由實際鉆進過程加載，回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力互相影響，自適應(yīng)耦合，測試實際鑿巖鉆進過程中回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)變化的動態(tài)數(shù)據(jù)。如圖1所示，回轉(zhuǎn)、推進壓力數(shù)據(jù)分別由壓力傳感器91和壓力傳感器92檢測。耦合控制閥塊平衡閥71開啟壓力設(shè)定120 bar，全開壓力為160 bar，第一溢流閥設(shè)定58 bar，第二溢流閥設(shè)定32 bar。

由圖6可知，回轉(zhuǎn)壓力小于120 bar，推進壓力穩(wěn)定在58 bar；回轉(zhuǎn)壓力大于160 bar，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由120 bar增大至160 bar，推進壓力由58 bar減小至32 bar；回轉(zhuǎn)壓力由160 bar減小至120 bar，推進壓力由32 bar增大至58 bar；靜態(tài)試驗測試結(jié)論與理論及仿真分析吻合。

圖6 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)

由圖7可知，鑿巖鉆進過程存在多次回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)；圖8為圖7的局部放大圖，反映一次回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)動態(tài)過程，圖中17～18 s區(qū)段，因巖層變化致使回轉(zhuǎn)壓力瞬間增大時，推進壓力隨動減小，推進壓力減小引起回轉(zhuǎn)壓力減小，回轉(zhuǎn)壓力減小引起推進壓力再次增大，推進壓力再次增大引起回轉(zhuǎn)壓力再次瞬間增大，推進壓力再次隨動減小，直至回轉(zhuǎn)推進再次平衡工作，回轉(zhuǎn)壓力穩(wěn)定在140 bar、推進壓力穩(wěn)定在65 bar。

圖7 動態(tài)測試數(shù)據(jù)

圖8 動態(tài)自適應(yīng)測試數(shù)據(jù)

動態(tài)測試數(shù)據(jù)表明，提出的回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)性能良好，有效提升鉆進過程的巖層適應(yīng)性。

5 結(jié)論

(1) 特殊匹配推進聯(lián)、溢流閥、負載敏感變量泵等，實現(xiàn)推進壓力獨立液壓遠控；采用推進壓力液壓遠控、平衡閥耦合兩溢流閥設(shè)定值、回轉(zhuǎn)壓力無級控制平衡閥開度等技術(shù)措施，實現(xiàn)鑿巖回轉(zhuǎn)推進無級耦合控制，全液壓自適應(yīng);

(2) 仿真分析及試驗測試表明，提出的回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，控制性能良好，有效提升鑿巖鉆機鉆進過程的巖層適應(yīng)性及作業(yè)效率;

(3) 本研究提出的回轉(zhuǎn)推進全液壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)，特點為以全液壓的方式實現(xiàn)回轉(zhuǎn)推進自適應(yīng)控制，推進壓力獨立液壓遠控，可靠性高，且功能回路清晰、簡易。

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