劉旭光， 白祖衛(wèi)， 呂佩東， 張鵬鵬

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西 西安 710089)

0 引言

DGZ-150B型多管全方位旋噴鉆機(jī)(見(jiàn)圖1)是多管旋噴工法的主要施工設(shè)備。鉆機(jī)在施工過(guò)程中有2個(gè)主要的功能：動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)和動(dòng)力頭提升。這兩個(gè)功能的穩(wěn)定性會(huì)影響施工質(zhì)量。在施工過(guò)程中動(dòng)力頭的提升方式是步進(jìn)提升，步進(jìn)提升就是根據(jù)施工參數(shù)每隔一段時(shí)間提升一次。步進(jìn)提升就要求動(dòng)力頭在某一個(gè)位置停留一段時(shí)間保持位置不變進(jìn)行高壓注漿。一般在施工過(guò)程中步進(jìn)的距離為25或50 mm。由于步進(jìn)距離比較短，在提升過(guò)程中不需要高壓注漿，要求提升時(shí)間盡可能的快而穩(wěn)定以提高生產(chǎn)效率和避免水泥漿浪費(fèi)。

1 提升系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 提升系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，鉆機(jī)的提升系統(tǒng)主要由動(dòng)力頭、托架、立柱、提升油缸4個(gè)主要部分組成。

1.2 最初提升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鉆機(jī)最初提升系統(tǒng)的液壓原理如圖2所示。由油箱、恒壓變量泵、三位四通換向閥、下降調(diào)速閥、上升調(diào)速閥、提升液壓缸等組成。恒壓變量泵為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，三位四通換向閥控制動(dòng)力頭下降和上升，通過(guò)下降調(diào)速閥和上升調(diào)速閥調(diào)整動(dòng)力頭下降和上升的速度。三位四通換向閥采用O形閥芯保持液壓油缸停止不下落。

圖1 DGZ-150B型鉆機(jī)Fig.1 DGZ-150B drilling rig

圖2 最初提升系統(tǒng)液壓原理Fig.2 Hydraulic schematic of the existing hoisting system

在步進(jìn)提升工作時(shí)，首先三位四通換向閥右移，使無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，動(dòng)力頭向上提升，當(dāng)動(dòng)力頭提升設(shè)定的距離值后，三位四通換向閥回中位，油缸停止提升并保持不下落。

液壓元件的具體參數(shù)：

(1)恒壓變量泵：排量22 mL/r、切斷壓力16 MPa、最高輸入轉(zhuǎn)速2000 r/min。

(2)三位四通換向閥：額定流量45 L/min、最高壓力35 MPa、最大流量60 L/min、壓降1.5 bar(1 bar=0.1 MPa，下同)。

(3)下降調(diào)速閥和上升調(diào)速閥：額定流量40 L/min、最高壓力31.5 MPa、壓降2 bar。

(4)提升液壓缸：油缸直徑100 mm、活塞桿直徑70 mm、行程1000 mm。

根據(jù)各個(gè)元件的參數(shù)可以得出：系統(tǒng)總流量為33 L/min、系統(tǒng)壓力為16 MPa、提升液壓缸的提升速度為4.2 m/min、提升液壓缸的提升力為120 kN。由于動(dòng)力頭的自重力為20 kN左右，所以動(dòng)力頭的實(shí)際負(fù)載是100 kN左右。

在實(shí)際施工過(guò)程中，由于提升速度快，提升距離短，導(dǎo)致每次提升停止時(shí)不平穩(wěn)，整個(gè)鉆機(jī)震動(dòng)。這樣不僅會(huì)造成施工質(zhì)量得不到保證，而且還會(huì)縮短鉆機(jī)的使用壽命。另外由于三位四通換向閥閥芯與閥體之間存在泄露，導(dǎo)致提升液壓缸不能保持負(fù)載在同一個(gè)位置，會(huì)產(chǎn)生下落。當(dāng)負(fù)載越大提升液壓缸回落的位移越大，這樣就會(huì)導(dǎo)致提升距離偏小，降低施工效率和浪費(fèi)水泥材料[1-5]。

1.3 液壓沖擊

根據(jù)文獻(xiàn)資料[6-10]可知導(dǎo)致鉆機(jī)提升系統(tǒng)工作不平穩(wěn)，鉆機(jī)工作過(guò)程中震動(dòng)的原因?yàn)橐簤簺_擊現(xiàn)象。在液壓系統(tǒng)中，常常由于某些原因而使液體壓力突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)峰值壓力為正常工作壓力的幾倍，會(huì)引起設(shè)備的震動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，破壞元件密封，減少液壓元件的壽命。

液壓沖擊產(chǎn)生的主要原因有：(1)高速流動(dòng)的液體突然停止流動(dòng)而產(chǎn)生的液壓沖擊；(2)運(yùn)動(dòng)中的負(fù)載突然制動(dòng)或者換向，由于慣性的原因?qū)е聣毫ν蝗簧?，而產(chǎn)生的壓力沖擊。

高速流動(dòng)的液體突然停止流動(dòng)而產(chǎn)生的液壓沖擊：如當(dāng)閥門(mén)突然關(guān)閉，管道中液壓油的流速突然發(fā)生變化,根據(jù)能量守恒定律，此時(shí)液壓油的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓油的彈性能和熱能，即：

(1/2)ρAlv2=(1/2)(Al/K′)Δp2

(1)

由此可以得出液壓油的壓力峰值為：

(2)

式中：Δp——液壓沖擊產(chǎn)生的最高壓力，MPa；ρ——液壓油的密度，kg/m3；a——管道截面積，m2；l——管道長(zhǎng)度，m；K′——液壓油的等效體積模量，MPa；v——液壓油的初始流速，m/s；c——沖擊波在管道中的傳播速度，m/s。

(3)

式中：K——液壓油的體積模量，MPa；E——管道壁材料的彈性模量，MPa；d——管道內(nèi)徑，mm；δ——管道壁厚，mm。

運(yùn)動(dòng)中的負(fù)載突然制動(dòng)產(chǎn)生的液壓沖擊：本文中提升油缸帶動(dòng)動(dòng)力頭垂直向上運(yùn)動(dòng)，突然關(guān)閉三位四通換向閥導(dǎo)致負(fù)載突然制動(dòng)。根據(jù)動(dòng)能定律可知：

(ΔpA+Mg)Δt=Mv

(4)

此時(shí)液壓沖擊的最大壓力為：

Δp=Mv/(ΔtA)-Mg/A

(5)

式中：M——負(fù)載的總質(zhì)量，kg；v——液壓油的初始流速，m/s；Δt——負(fù)載減速時(shí)間，s；A——液壓缸的有桿腔的作用面積，m2。

由公式(2)和公式(5)可知液壓沖擊的壓力增加值Δp和液體的初始流速v、管道的內(nèi)徑d、管道壁厚δ、液體的體積模量K、管道材料的彈性模量E、液體的密度ρ、負(fù)載減速時(shí)間Δt等有關(guān)。

因此減小液壓沖擊的措施主要有以下幾個(gè)方面：

(1)在工作條件允許的條件下，盡量選擇合理的液體流速，合理選擇負(fù)載的移動(dòng)速度。

(2)在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選擇體積模量較低的液壓油。

(3)在滿足系統(tǒng)使用要求的前提下，選擇壁厚較小的管路，同時(shí)增大管路的內(nèi)徑。

(4)在發(fā)生液壓沖擊附近安裝蓄能器、安全閥，這樣可以在發(fā)生液壓沖擊時(shí)吸收或者釋放沖擊能量。

(5)在保證運(yùn)動(dòng)精度和生產(chǎn)效率的前提下，盡量減緩換向閥或者截止閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，減慢閥的進(jìn)口和出口液壓流速，減低液壓沖擊[6-10]。

1.4 改進(jìn)的提升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了減緩提升系統(tǒng)的液壓沖擊主要采取了在滿足系統(tǒng)使用要求的同時(shí)，選擇合理的液體流速，設(shè)計(jì)合理的動(dòng)力頭提升速度。同時(shí)，改進(jìn)提升系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)，防止動(dòng)力頭在保持噴漿過(guò)程中出現(xiàn)下降。具體液壓原理如圖3所示。

主要是在原來(lái)的液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了兩位兩通電磁閥控制液壓缸提升和停止，并在停止時(shí)保持負(fù)載不下落。兩位兩通電磁閥Ⅰ內(nèi)部泄漏為1滴/min(即0.05 cm3/min)。原來(lái)的三位四通換向閥為O形閥芯，現(xiàn)改為Y形閥芯。其他保持不變。

改進(jìn)后步進(jìn)提升時(shí)：首先三位四通換向閥得電右移，同時(shí)兩位兩通電磁閥得電打開(kāi)，使無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔回油，動(dòng)力頭向上提升，當(dāng)動(dòng)力頭提升至設(shè)定的距離值后，兩位兩通電磁閥Ⅰ失電關(guān)閉，三位四通換向閥和兩位兩通電磁閥Ⅱ繼續(xù)保持通電打開(kāi)狀態(tài)，油缸停止提升并保持不下落。

圖3 改進(jìn)提升系統(tǒng)液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic of the improved hoisting system

同時(shí)把恒壓變量泵的排量換為16 mL/r，壓力保持不變。下降調(diào)速閥和上升調(diào)速閥的額定流量調(diào)整為25 L/min。兩位兩通電磁閥的參數(shù)為：額定流量45 L/min、額定壓力35 MPa。提升液壓缸的提升速度為3 m/min。

2 提升過(guò)程中的動(dòng)摩擦力計(jì)算

提升過(guò)程中的動(dòng)摩擦力主要包括液壓缸內(nèi)部的靜摩擦力和動(dòng)力頭托板與立柱導(dǎo)軌面之間的動(dòng)摩擦力。其中液壓缸內(nèi)部的動(dòng)摩擦力忽略不計(jì)，主要計(jì)算的是動(dòng)力頭托板與立柱導(dǎo)軌面之間的動(dòng)摩擦力。

動(dòng)力頭托板與立柱導(dǎo)軌面的結(jié)構(gòu)如圖4所示。動(dòng)力頭托架采用托板式結(jié)構(gòu)，其三面和立柱導(dǎo)軌面接觸，接觸面用特制墊板，墊板用三組M12×50螺栓調(diào)整與導(dǎo)軌之間的間隙，其動(dòng)力頭滑架在立柱導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力大小主要由動(dòng)力頭提升/給進(jìn)時(shí)所承受的負(fù)載總質(zhì)量G來(lái)決定。

圖4 動(dòng)力頭托架結(jié)構(gòu)Fig.4 Power head bracket structure

襯板材料為高力黃銅+石墨。極限動(dòng)載荷150 MPa、摩擦系數(shù)f<0.16(實(shí)驗(yàn)測(cè)量)。

螺栓規(guī)格M12×50、螺栓等級(jí)8.8級(jí)、螺栓預(yù)壓力N1=10 kN。

動(dòng)力頭及托架總成質(zhì)量G1=1350 kg。鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)采用多重鉆桿，其最大鉆桿總質(zhì)量G2=8000 kg。所以動(dòng)力頭提升時(shí)所承受的最大負(fù)載總質(zhì)量G：

G=G1+G2=8000+1350=9350 kg

動(dòng)力頭托架與導(dǎo)軌連接接觸摩擦面受到正壓力N2，根據(jù)力矩平衡：GgL1=N2L2。其中g(shù)=9.8 m/s2，L1和L2的尺寸由圖5可知：L1=413 mm、L2=800 mm。求出N2=47303 N。

圖5 力距尺寸圖Fig.5 Dimension diagram of torque

最終動(dòng)力頭托架對(duì)與導(dǎo)軌接觸面的正壓力N為：

N=N1+N2=10000 N +47303 N =57303 N

動(dòng)力頭托板與立柱導(dǎo)軌面之間的最大動(dòng)摩擦力W為：

Wmax=Nf=57303×0.16=9168.48 N≈9.17 kN

3 系統(tǒng)參數(shù)確定及建模與仿真分析

利用AMESim仿真軟件，對(duì)鉆機(jī)的最初和改進(jìn)后提升系統(tǒng)建立仿真模型進(jìn)行分析。

首先對(duì)最初提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。進(jìn)入草圖模式，利用AMESim的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、信號(hào)庫(kù)根據(jù)圖2的液壓原理建立如圖6的提升系統(tǒng)仿真草圖。

然后進(jìn)入子模型模式，為圖6所示的所有元件，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的子模型，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式。

圖6 最初提升液壓系統(tǒng)仿真Fig.6 Simulation of the existing hoisting hydraulic system

在參數(shù)設(shè)置模式主要設(shè)置的元件的參數(shù)：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min；液壓泵的排量設(shè)為22 mL/r；安全閥的設(shè)定壓力為16 MPa；三位四通換向閥根據(jù)樣本可知最大流量為45 L/min，壓降為1 bar；由于閥全開(kāi)的電流信號(hào)為40 mA，所以控制信號(hào)源參數(shù)設(shè)置為40或者0 mA就能夠使電磁換向閥工作。上升調(diào)速閥和下降調(diào)速閥放到最大位置，設(shè)置流量為45 L/min，提升液壓缸直徑為100 mm，活塞桿直徑為80 mm，行程為1000 mm；負(fù)載設(shè)置為9000 kg；角度設(shè)置為90°，表示提升液壓缸及負(fù)載是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)；摩擦力為9000 N。

最后進(jìn)入運(yùn)行仿真。運(yùn)行時(shí)間改為20 s，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。選中提升液壓缸，繪制液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力曲線如圖7、8所示。負(fù)載的移動(dòng)速度曲線如圖9所示。

圖7 最初提升液壓系統(tǒng)液壓缸無(wú)桿腔壓力Fig.7 Pressure in the bottom chamber of the hydraulic cylinderof the existing hoisting hydraulic system

圖8 最初提升液壓系統(tǒng)液壓缸有桿腔壓力Fig.8 Pressure in the piston rod side chamber of the hydrauliccylinder of the existing hoisting hydraulic system

圖9 最初提升液壓系統(tǒng)提升速度Fig.9 Lifting speed of the existing hoisting hydraulic system

由圖7可以看出無(wú)桿腔壓力波動(dòng)為6.3 MPa；由圖8可看出有桿腔壓力波動(dòng)為5.8 MPa。無(wú)論無(wú)桿腔還是有桿腔都有很大的壓力波動(dòng)。圖9可以看出負(fù)載移動(dòng)速度為0.07 m/s(4.2 m/min)，和理論計(jì)算的值一致。

然后對(duì)改進(jìn)的提升液壓系統(tǒng)進(jìn)行AMESim建模仿真，根據(jù)圖3的液壓原理建立如圖10所示的仿真草圖。進(jìn)入子模型模式，為圖10所示的所有元件，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的子模型，再進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式。在設(shè)置參數(shù)模式下設(shè)置的元件的參數(shù)，泵的排量改為16 mL/r。根據(jù)改進(jìn)后提升過(guò)程設(shè)置控制信號(hào)源Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的工作時(shí)間，如圖11所示。提升1 s開(kāi)始三位四通換向閥、兩位兩通電磁閥Ⅰ和Ⅱ同時(shí)打開(kāi)，11 s兩位兩通電磁閥Ⅰ關(guān)閉提升停止，三位四通換向閥和兩位兩通電磁閥Ⅱ保持打開(kāi)。兩位兩通電磁閥Ⅰ和Ⅱ的流量設(shè)置為45 L/min。其他元件參數(shù)保持不變。

進(jìn)入仿真運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)間改為20 s，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。選中提升液壓缸，繪制改進(jìn)后液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力曲線如圖12、圖13所示，此時(shí)無(wú)論無(wú)桿腔還是有桿腔基本上沒(méi)有壓力波動(dòng)。從負(fù)載的移動(dòng)速度曲線(見(jiàn)圖14)可以看出負(fù)載移動(dòng)速度為0.05 m/s(3 m/min)，和理論計(jì)算的值一致[11-12]。

圖10 改進(jìn)的提升液壓系統(tǒng)仿真Fig.10 Simulation of the improved hoisting hydraulic system

圖11 信號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的時(shí)間Fig.11 Time of signal Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ

圖12 改進(jìn)提升液壓系統(tǒng)液壓缸無(wú)桿腔壓力Fig.12 Pressure in the bottom chamber of the hydraulic cylinderof the improved hoisting hydraulic system

4 結(jié)語(yǔ)

利用AMESim軟件對(duì)最初和改進(jìn)后的提升液壓系統(tǒng)建模仿真，可以看出改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)對(duì)液壓沖擊有明顯的控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。按照改進(jìn)后的提升液壓系統(tǒng)改進(jìn)鉆機(jī)的提升系統(tǒng)，鉆機(jī)在步進(jìn)提升時(shí)基本感覺(jué)不到液壓沖擊，鉆機(jī)的震動(dòng)大大減輕，穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)為防止在維修拆卸液壓系統(tǒng)時(shí)空氣進(jìn)入提升液壓缸內(nèi)，造成提升系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，在提升液壓缸裝有排氣塞以便排除進(jìn)入液壓缸里的空氣。

圖13 改進(jìn)提升液壓系統(tǒng)液壓缸有桿腔壓力Fig.13 Pressure in the piston rod side chamber of the hydrauliccylinder of the improved hoisting hydraulic system

圖14 改進(jìn)提升液壓系統(tǒng)提升速度Fig.14 Lifting speed of the improved hoisting hydraulic system

在設(shè)計(jì)階段，由于實(shí)際條件的限制不能預(yù)測(cè)出產(chǎn)品的性能。但是可以通過(guò)AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的正確與否，能對(duì)設(shè)計(jì)者的工作起到指導(dǎo)作用。