劉嘉陽

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 大同 037000)

液壓系統(tǒng)是全液壓鉆機(jī)的核心，其性能直接決定了鉆機(jī)的整機(jī)性能和可操作性，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮系統(tǒng)靜態(tài)使用特性，而且要研究液壓系統(tǒng)在實(shí)際工作中的動態(tài)特性[1]。研究鉆機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)特性，可以進(jìn)一步了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和控制精度等是否滿足要求，如存在問題可以進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)從而彌補(bǔ)靜態(tài)分析的不足，減少反復(fù)、縮短設(shè)計(jì)周期[2]。本文以同煤集團(tuán)下屬礦井所采用的全液壓式鉆機(jī)為原型，利用AMESim協(xié)同仿真平臺，對鉆機(jī)回轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓系統(tǒng)和鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，深入研究鉆機(jī)液壓系統(tǒng)在不同工況的動態(tài)性能[3]。

1 基于AMESim鉆機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型

1.1 泵站的建模

泵站的油泵為雙聯(lián)柱塞泵，主泵為負(fù)載敏感泵，可以輸出與負(fù)載相匹配的油液，副泵采用恒壓泵，為系統(tǒng)輸出恒壓油。對于雙泵的建模，由于AMESim中沒有液控閥、液控泵等液控部件，采用HCD庫搭建液控閥和液控泵，仿真過程中，選擇直接信號加載方式，局部采用電控機(jī)構(gòu)。

泵站的仿真模型是由以上負(fù)載敏感閥、恒壓閥和變量油缸的AMESim基礎(chǔ)上，依據(jù)泵站的液壓原理圖搭建而成的。泵站的仿真模型如圖1，圖中P1口為主泵的輸油口，LS口接油路中的負(fù)載端，P2口為副油泵的輸油口。

圖1 泵站的AMESim模型

圖2 行走系統(tǒng)的AMESim模型

1.2 行走系統(tǒng)的建模

行走系統(tǒng)主要由行走液壓馬達(dá)、多路換向閥、內(nèi)控閥、速度選擇閥、安全閥和梭閥等組成，行走液壓馬達(dá)采用液控變量，通過內(nèi)控閥、梭閥和速度選擇閥共同實(shí)現(xiàn)排量的調(diào)節(jié)。為了安全起見，防止雙側(cè)液壓馬達(dá)負(fù)載不平衡，在液壓馬達(dá)回路中設(shè)計(jì)了雙向安全閥。在AMESim模型中，忽略了內(nèi)控閥、速度選擇閥的建模，采用一個(gè)端口連接固定位置可變摩擦扭矩模型模擬液壓馬達(dá)制動器，部分液控信號采用電控信號，如圖2所示。

2 全液壓礦用鉆機(jī)行走系統(tǒng)動態(tài)特性分析

根據(jù)煤礦井下條件和鉆機(jī)的實(shí)際質(zhì)量，通過理論計(jì)算，得出了液壓鉆機(jī)的單邊最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩2740.8N·m，以該轉(zhuǎn)矩為最大負(fù)載值設(shè)置仿真的負(fù)載參數(shù)。針對鉆機(jī)行走系統(tǒng)的不同工況，分別對行走、爬坡和轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行分析。

2.1 行走工況

假設(shè)鉆機(jī)在井下水平巷道內(nèi)行走，設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩一直為2740.8N·m，仿真中0～1s內(nèi)開始開啟液壓系統(tǒng)，隨后同時(shí)打開行走液壓馬達(dá)控制手柄，鉆機(jī)開始前進(jìn)，4s后改變馬達(dá)排量，使鉆機(jī)快速行走，仿真時(shí)間為5s。運(yùn)行仿真模型，得到了鉆機(jī)行走時(shí)的特性曲線圖，如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)行走系統(tǒng)行走工況分析結(jié)果

圖中0～1s時(shí)開始啟動系統(tǒng)，泵輸出的流量與壓力在系統(tǒng)啟動的一瞬間達(dá)到峰值，泵受到的壓力沖擊較大，經(jīng)過0.6s趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)開啟換向閥時(shí)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)輕微波動，隨后鉆機(jī)開啟勻速行駛；在第4s時(shí)，進(jìn)行行走馬達(dá)排量調(diào)節(jié)，將馬達(dá)排量調(diào)節(jié)至916.8ml/r，行走馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過0.1s的震蕩后轉(zhuǎn)速開始升高。行走系統(tǒng)在開啟、行走和變速時(shí)，系統(tǒng)流量和壓力都出現(xiàn)了波動，但能迅速達(dá)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力較好。通過對行走系統(tǒng)的特性分析，可知行走馬達(dá)連續(xù)滿載下能夠正常行駛，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

2.2 爬坡工況

對液壓鉆機(jī)行走系統(tǒng)爬坡工況分析主要是將坡道阻力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動輪的阻力矩，全液壓鉆機(jī)的最大爬坡角度為 ，鉆機(jī)在斜坡上行走時(shí)要承受坡度阻力、運(yùn)行阻力和履帶的內(nèi)阻力，由于在行走馬達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)添加了安全系數(shù)，鉆機(jī)行走時(shí)提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要大于坡道阻力矩。因此，采用最大驅(qū)動力矩模擬超載情況下的爬坡工況。圖4為行走馬達(dá)的扭矩。

圖4 行走馬達(dá)負(fù)載扭矩

2.3 單邊轉(zhuǎn)向工況

履帶液壓鉆機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，需要將兩側(cè)馬達(dá)以相同速度反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，或者內(nèi)側(cè)液壓馬達(dá)制動，外側(cè)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)單邊轉(zhuǎn)向。由于原地轉(zhuǎn)向雙側(cè)行走馬達(dá)同時(shí)啟動，系統(tǒng)特性與行走工況近似，因此著重研究單邊轉(zhuǎn)向工況特性。應(yīng)用經(jīng)典公式，估算履帶單邊轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力矩為3307.5N·m，在行走系統(tǒng)加載最大扭矩，并調(diào)節(jié)馬達(dá)排量至最大值。設(shè)定0～1s開機(jī)，1s后打開外側(cè)行走馬達(dá)換向閥，第4.5s關(guān)閉換向閥，總仿真時(shí)間為5s。運(yùn)行仿真，得出了鉆機(jī)行走系統(tǒng)的單邊轉(zhuǎn)向工況分析結(jié)果，如圖5。

圖5 行走系統(tǒng)轉(zhuǎn)向工況分析結(jié)果

由圖5可知，鉆機(jī)內(nèi)側(cè)制動轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速幾乎為零，外側(cè)轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時(shí)間波動后，開始緩慢增加，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在19MPa；第1.5s時(shí)，外側(cè)馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到71rev/min，外側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速高于正常直駛時(shí)的轉(zhuǎn)速，3.5s后關(guān)閉主閥芯，行走馬達(dá)開始制動。由分析可知，單邊轉(zhuǎn)向工況回轉(zhuǎn)特性較為穩(wěn)定，單側(cè)液壓馬達(dá)能夠克服行走阻力實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。

3 全液壓礦用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)給進(jìn)系統(tǒng)動態(tài)特性分析

液壓鉆機(jī)在鉆探作業(yè)時(shí)，主要遇到的問題是負(fù)載的突然變化。為了提高鉆機(jī)對負(fù)載的適應(yīng)特性，本鉆機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的負(fù)載敏感控制技術(shù)，為了凸顯負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動態(tài)特性，本文對負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和普通回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了對比仿真分析。通過對回轉(zhuǎn)馬達(dá)加載扭矩的方式模擬負(fù)載的變化情況，0～10s內(nèi)為負(fù)載的緩變工況，在10s時(shí)相當(dāng)于加載了一個(gè)階躍信號，設(shè)定總仿真時(shí)間為20s，并運(yùn)行仿真得出了兩系統(tǒng)的特性對比曲線。圖6為普通回轉(zhuǎn)與負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)兩系統(tǒng)隨負(fù)載變化的壓力-轉(zhuǎn)速特性對比曲線。

圖6 兩系統(tǒng)隨負(fù)載變化的壓力-轉(zhuǎn)速特性對比曲線

由圖6可知，在系統(tǒng)開始啟動時(shí)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)了波動，負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)震蕩幅值較小，隨后系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定；在第10s時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載突然升高，由于鉆桿彈性變形釋放能量的原因，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)了波動，負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)波動幅度較大，系統(tǒng)的壓力和轉(zhuǎn)速特性較普通回轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能較差，但是負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)響應(yīng)速度很快，能夠在1.5s內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大轉(zhuǎn)矩小轉(zhuǎn)速的過渡。雖然普通回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有較好的硬機(jī)械特性，但是工人在鉆進(jìn)操作時(shí)難以完成對不同地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的操作，容易使液壓系統(tǒng)長時(shí)間處于大流量溢流狀態(tài)，造成系統(tǒng)發(fā)熱量過大。因而，鉆機(jī)負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)綜合特性更優(yōu)于普通回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在高壓、大流量和負(fù)載突變情況下工作性能偏差。為了進(jìn)一步提高鉆機(jī)負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對突發(fā)工況的適應(yīng)能力，在負(fù)載敏感回轉(zhuǎn)回路上采用了溢流閥緩沖回路。

4 結(jié)論

本文根據(jù)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的原理，應(yīng)用多領(lǐng)域協(xié)同仿真軟件AMESim搭建了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型，簡要介紹了各模塊仿真模型的搭建過程。著重對鉆機(jī)行走系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究了行走系統(tǒng)在行走、爬坡、轉(zhuǎn)向和不平衡負(fù)載工況下動態(tài)特性，并應(yīng)用對比分析方法分析了負(fù)載敏感系統(tǒng)對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)特性的影響，最后模擬了給進(jìn)系統(tǒng)在進(jìn)給和起拔工況時(shí)的給進(jìn)特性。通過仿真分析可知，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了壓力補(bǔ)償系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠提高鉆機(jī)液壓系統(tǒng)對礦井特殊工作條件的適應(yīng)能力。