呂德仙

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置仿真分析

呂德仙

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

分析了行走驅(qū)動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的工作原理，對(duì)行走驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了受力分析以及運(yùn)動(dòng)分析。利用AMESim建立起行走驅(qū)動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，分別對(duì)單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況、變速換擋行走工況、爬坡工況進(jìn)行了分析研究。

潛孔鉆機(jī)；行走驅(qū)動(dòng)裝置；AMESim；工況仿真分析

0 引 言

近年來(lái)，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，礦石的需求量也隨之增長(zhǎng)，而潛孔鉆機(jī)等采礦關(guān)鍵技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。潛孔鉆機(jī)是一種鑿巖鉆孔裝備，沖擊器與鉆頭一起進(jìn)入鉆孔內(nèi)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停留在鉆孔外驅(qū)動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)巖石鉆孔[1]。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)很多高校和研究院都對(duì)潛孔鉆機(jī)進(jìn)行相關(guān)研究，研究?jī)?nèi)容主要涉及防卡鉆系統(tǒng)、鉆機(jī)的平臺(tái)、除塵系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等。

潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)潛孔鉆機(jī)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)的短距離的行走和穿孔過(guò)程中的移位。作業(yè)場(chǎng)所的不平整、碎石、高溫以及潮濕等，這些惡劣因素決定了潛孔鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)必須具備較高的性能。從潛孔鉆機(jī)整機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)作所需要的功率來(lái)看，其中行走驅(qū)動(dòng)裝置所消耗的功率最大[2]。若潛孔鉆機(jī)的行走功率設(shè)置偏大，顯然會(huì)出現(xiàn)功率浪費(fèi)的情況，若行走功率設(shè)置偏小則會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足的現(xiàn)象[2]。由于礦場(chǎng)存在著多種不利因素，且潛孔鉆機(jī)的行走速度比較緩慢，能量利用率低，因此有必要對(duì)行走驅(qū)動(dòng)裝置在不同工況下進(jìn)行分析研究。

1 行走驅(qū)動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)在潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)通常采用“四輪一帶”形式，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變量泵，高壓油通過(guò)控制閥之后驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使?jié)摽足@機(jī)前進(jìn)或后退。潛孔鉆機(jī)行走液壓系統(tǒng)是一個(gè)雙變量泵一雙變量馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的液壓回路，左右的液壓馬達(dá)相互獨(dú)立[2]。潛孔鉆機(jī)通過(guò)行走驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和速度的控制，也可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。

潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。當(dāng)潛孔鉆機(jī)原地不動(dòng)時(shí)，換向閥4處于中位，行走驅(qū)動(dòng)裝置不工作。當(dāng)換向閥4處于右位時(shí)，高壓油通過(guò)換向閥4右邊閥口進(jìn)入工作回路中。高壓油再經(jīng)過(guò)單向閥6后進(jìn)入變量馬達(dá)12中，變量馬達(dá)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時(shí)換向閥7閥芯左端與高壓油接通，而右端與油箱相通，換向閥7閥芯在左右兩端壓力差的作用下而處于左位，而換向閥9由于閥芯右端受到高壓油的作用而處于右位，則高壓油經(jīng)過(guò)梭閥8和二位三通換向閥9之后進(jìn)入變量馬達(dá)排量控制缸，使變量馬達(dá)斜盤的傾角增大，變量馬達(dá)的排量也立即增大，從而使?jié)摽足@機(jī)行走狀態(tài)進(jìn)入低速模式；當(dāng)外接油口K接通高壓油時(shí)，換向閥9的閥芯左側(cè)受到高壓油的作用，換向閥9處于左位，變量馬達(dá)排量控制缸的左腔與油箱相通，變量馬達(dá)斜盤的傾角減小，變量馬達(dá)的排量也立即減小，潛孔鉆機(jī)行走狀態(tài)進(jìn)入高速模式。同理控制換向閥4處于左位，即可以實(shí)現(xiàn)變量馬達(dá)的反轉(zhuǎn)，使?jié)摽足@機(jī)進(jìn)入后退狀態(tài)。

圖1 潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)原理

2 潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)力學(xué)分析

2.1 行走驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)分析

潛孔鉆機(jī)履帶式行走機(jī)構(gòu)的核心部件包括懸架構(gòu)造和行走機(jī)構(gòu)，懸架構(gòu)造的主要功能是用來(lái)連接各種部件，確保鉆機(jī)的穩(wěn)定性，行走機(jī)構(gòu)由“四輪一帶”組成來(lái)支撐機(jī)體，傳送發(fā)動(dòng)機(jī)功率，利用履帶與地面的相互作用，從而產(chǎn)生機(jī)械行走和作業(yè)的牽引力[3]。在潛孔鉆機(jī)行進(jìn)當(dāng)中，若履帶與路的接觸面之間不存在滑移現(xiàn)象時(shí)，履帶的移動(dòng)速度等于與之相接觸處的驅(qū)動(dòng)鏈輪的圓周速度，在這種情況下潛孔鉆機(jī)的移動(dòng)速度為：

式中：nm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；nl為行走驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，rpm；t0為履帶板兩端銷孔之間的直線距離，m；Zk為履帶板上的塊數(shù)；rd為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m；im為液壓驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)比。

但在實(shí)際情況中，由于存在著各種不利因素，履帶與地面之間必定存在著一定程度的滑移，則潛孔鉆機(jī)實(shí)際行走速度與理論速度之間的關(guān)系可表述為：

式中：δ為履帶相對(duì)地面的滑轉(zhuǎn)率。把（1）式帶入（2）式可得:

2.2 行走裝置的受力分析

履帶式車輛是靠履帶板卷繞時(shí)地面對(duì)履帶接觸面產(chǎn)生的反作用力來(lái)推動(dòng)車輛移動(dòng)的。而對(duì)于潛孔鉆機(jī)來(lái)說(shuō)，拉力是屬于內(nèi)部作用力，它的作用效果是把履帶的接觸面從支重輪下拉出，從而使地面對(duì)履帶的接地段產(chǎn)生水平方向的反作用力，正是這種反作用力的形成為潛孔鉆機(jī)提供了驅(qū)動(dòng)力，力的方向與鉆機(jī)行進(jìn)的方向同向。在動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)輪傳遞到履帶的接地段的這個(gè)過(guò)程中必定存在能量損失[4]。如果這個(gè)過(guò)程中能量傳遞損失用履帶驅(qū)動(dòng)段效率來(lái)表示，則潛孔鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)力的切線牽引力便可表示為：

式中：Ft為履帶產(chǎn)生的拉力，N；ηr為履帶驅(qū)動(dòng)段效率；Mk為行走馬達(dá)輸出的力矩，Nm；rd為鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

在等速前進(jìn)的工況下潛孔鉆機(jī)的牽引力為：

潛孔鉆機(jī)在行走過(guò)程中，受到的外部阻力主要有滾動(dòng)阻力、坡道阻力和工作阻力。

滾動(dòng)阻力：

式中：α為運(yùn)動(dòng)表面對(duì)水平的傾角，°；G為潛孔鉆機(jī)的重量，N；f為路面的摩擦因素。

坡道阻力Fi：

式中：正號(hào)表示潛孔鉆機(jī)上坡時(shí)的工況，負(fù)號(hào)表示潛孔鉆機(jī)下坡時(shí)的工況。

潛孔鉆機(jī)受到工作阻力Fx表示的是工作裝置受到的阻力，而在非牽引車輛受到的工作阻力一般為0。

則作用在潛孔鉆機(jī)上的外部阻力總和即為：

則潛孔鉆機(jī)的牽引力為：

潛孔鉆機(jī)等速前進(jìn)時(shí)，有效牽引力Fkp的表達(dá)式為:

當(dāng)潛孔鉆機(jī)在水平地面上勻速移動(dòng)時(shí)：

潛孔鉆機(jī)在不穩(wěn)定工況下行走時(shí)，慣性力會(huì)對(duì)鉆機(jī)的行走造成影響，此時(shí)牽引力為

式中：Fj乃為潛孔鉆機(jī)受到的慣性阻力，可通過(guò)公式計(jì)算：

式中：正號(hào)表示潛孔鉆機(jī)加速時(shí)受到的慣性力；負(fù)號(hào)表示潛孔鉆機(jī)減速時(shí)受到的慣性力；ηm為馬達(dá)的總效率；Je為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；v為潛孔鉆機(jī)移動(dòng)速度，m/s。

此時(shí)潛孔鉆機(jī)的有效牽引力Fkp為：

為了能使?jié)摽足@機(jī)能夠正常行走，所受到的阻力與地面附著力應(yīng)滿足下式：

其中：G為潛孔鉆機(jī)附著重量；φ為附著系數(shù)。

3 仿真模型的搭建

LMS Imagine.Lab AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)[5]。用戶可以在這個(gè)單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在這個(gè)平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[6]。

利用AMESim中元件庫(kù)中的元件塔建驅(qū)動(dòng)行走裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。圖中各種元件的意義可以通過(guò)AMESim軟件手冊(cè)查閱來(lái)獲得[7]。

4 在不同工況下的仿真結(jié)果與分析

4.1 單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下仿真結(jié)果分析

假設(shè)潛孔鉆機(jī)在理想的混凝土水平地面上行走，且此時(shí)液壓馬達(dá)處于最大排量，即潛孔鉆機(jī)處于緩慢行走狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)定時(shí)設(shè)定在行走裝置單側(cè)驅(qū)動(dòng)輪上的力矩為 13 160 Nm，仿真時(shí)間設(shè)置為 4，前一秒為潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)階段，1～4為潛孔鉆機(jī)單側(cè)轉(zhuǎn)彎仿真時(shí)間，得到單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下馬達(dá)進(jìn)口壓力變化曲線，如圖3所示。

圖2 行走液壓系統(tǒng)的AMESim模型

圖3 單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下的仿真曲線

由圖3可知，當(dāng)添加了載荷之后，液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力值急劇上升，峰值達(dá)到了16 MPa左右，經(jīng)過(guò)短暫的震蕩之后液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力穩(wěn)定在10.5 MPa左右。由此可以得出單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況下行走系統(tǒng)的穩(wěn)定好，有很好的響應(yīng)速度，但卻存在超調(diào)量過(guò)大的問(wèn)題。

4.2 換擋變速行走工況下仿真分析

假設(shè)潛孔鉆機(jī)是在平面上行走，前面是液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)階段。啟動(dòng)完畢之后潛孔鉆機(jī)開始慢速行走，在潛孔鉆機(jī)行走3 s之后令液壓馬達(dá)的排量減半，潛孔鉆機(jī)進(jìn)入快速行走的狀態(tài)，此時(shí)在行走驅(qū)動(dòng)輪上施加的動(dòng)力矩為5 800 Nm。整個(gè)仿真過(guò)程持續(xù)7 s，得到變量馬達(dá)進(jìn)口壓力變化曲線，如圖4所示。

由仿真結(jié)果圖可以得出變量馬達(dá)的進(jìn)口壓力在仿真開始后瞬間出現(xiàn)峰值，最大值達(dá)到了14 MPa左右，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間的波動(dòng)之后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，變量馬達(dá)的進(jìn)口壓力穩(wěn)定在5.2 MPa；在液壓馬達(dá)的排量發(fā)生變化的情況下，液壓馬達(dá)入口位置的壓力先急速變小，然后急劇變大，最后緩慢進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。壓力快速降低是由于在變量馬達(dá)排量減少瞬間，潛孔鉆機(jī)行走速度立即增大，行走驅(qū)動(dòng)裝置所需要的流量瞬間變大，所以壓力值會(huì)突然變小，然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該工況下液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，但響應(yīng)速度顯然較慢，液壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象。

4.3 爬坡工況分析

在潛孔鉆機(jī)啟動(dòng)3 s之后開始模擬上爬坡度為15°的斜面，爬坡過(guò)程持續(xù)17 s。在這種工況下，相當(dāng)于 3 s后把一個(gè)斜坡阻力施加到潛孔鉆機(jī)上，阻力的范圍是0～70 636 N。這種工況下總的仿真時(shí)間設(shè)定為25，得到如圖 5所示的液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力變化曲線。

圖4 換擋變速行走工況下仿真結(jié)果

圖5 爬坡工況下仿真分析結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可以看出，當(dāng)給潛孔鉆機(jī)施加一個(gè)斜坡阻力后，液壓馬達(dá)進(jìn)口處的壓力先急劇上升，然后緩慢上升，最后進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。這種工況下行走系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)，且在剛開始的階段會(huì)存在沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

先介紹了潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置的液壓系統(tǒng)工作原理，然后對(duì)行走驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)與受力分析。利用AMESim建立了潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置的仿真模型，分別對(duì)單側(cè)轉(zhuǎn)彎工況、換擋變速行走工況以及爬坡工況這3種狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)在負(fù)載變化和換擋變速時(shí)，都存在壓力沖擊現(xiàn)象，其過(guò)渡階段的特性有待于改進(jìn)。仿真分析結(jié)果為日后潛孔鉆機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)裝置的改善與設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］ 趙宏強(qiáng)，郭艷，吳雙斌.基于模糊控制的潛孔鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真［J］.計(jì)算機(jī)防真，2011（8）：159-162．

［2］ 謝武裝.潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

［3］ 趙宏強(qiáng)，謝武裝，蔣海華.潛孔鉆機(jī)履帶行駛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（10）：97-100.

［4］ 徐曉龍.履帶式濕地推土機(jī)行走系統(tǒng)仿真研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

［5］ 李景陽(yáng)，安林超.淺談?dòng)?jì)算機(jī)輔助技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2014（11）：144.

［6］ 賴茶秀，黃志堅(jiān).液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.南方金屬，2007（6）：8-11.

［7］ Imagine company.AMESim user manual Version 7.0［M］．France：Imagine S.A，2002．

【責(zé)任編輯：解連江】

Simulation analysis of driving device of submersible drilling rig

LV Dexian
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

The article analyzes the working principle of walking driving device hydraulic system,and carries out the dynamic analysis of walking driving device.Using AMESim to establish the simulation model of the walking driving device hydraulic system ,the author researches the single side turning condition,the variable speed shift working condition and the climbing condition.

submersible drilling rig;walking driving device;AMESim;condition simulation analysis

TD422.1

B

1671－9816（2017）06－0066－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.019

呂德仙.潛孔鉆機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置仿真分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：66-69.

2016-12-03

呂德仙（1988—）男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理工程師，2011年畢業(yè)于呼倫貝爾學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在安家?guī)X露天礦穿爆班工作。