魯飛飛

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710074）

閥后補償負載敏感系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)負載獨立的流量分配，具有較好的抗流量不飽和特性及負載適應(yīng)性，在車載鉆機液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。相關(guān)文獻也對閥后補償負載敏感系統(tǒng)進行了大量的研究[4-5]。然而在煤層氣車載鉆機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)調(diào)試及鉆機能力檢測過程中，發(fā)現(xiàn)動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速常達不到理論設(shè)計值。為滿足車載鉆機對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)速度鋼性要求，以ZMK5530TZJ100F 車載鉆機為研究對象，基于AMESim 專業(yè)仿真軟件建立了系統(tǒng)模型，利用動態(tài)分析及試驗結(jié)合的方法，對車載鉆機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化進行研究。

1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

車載鉆機主回路液壓系統(tǒng)原理如圖1，主回路采用閥后補償負載敏感系統(tǒng)，分別控制回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及給進系統(tǒng)。

圖1 車載鉆機主回路原理圖Fig.1 Principle diagram of main circuit of vehicular drilling rig

壓力補償器為三通閥，系統(tǒng)最高負載作為負載反饋壓力，同時作用于三通閥一端，節(jié)流閥閥后壓力作用于三通閥芯另一端，閥芯受力平衡方程為：

式中：p1、p2、p3、p4為圖1 各油口出壓力；A 為三通閥芯截面積；FK為彈簧阻力；c 為黏性阻力系數(shù)；v為閥芯運動速度。

由于補償閥芯LS 通過梭閥取自兩執(zhí)行機構(gòu)的最高工作壓力，所以p3＝p4，當2 個閥芯規(guī)格相同，彈簧力相同時，忽略黏性阻尼，故p3＝p4，由于2 個節(jié)流閥的進口壓力相同，因此，2 個節(jié)流閥前后壓差相同，因此，根據(jù)薄壁孔流量公式:

式中：qs為薄壁孔流量；Cq為流量系數(shù)；ρ 為油液密度；△p 為薄壁孔前后壓差。

從式（3）可以看出，節(jié)流閥流量只與閥開口面積及節(jié)流閥前后壓差有關(guān)，根據(jù)式（1）和式（2）可以看出，車載鉆機給進及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)輸出流量只與各聯(lián)多路閥開口有關(guān)，系統(tǒng)具有較好負載適應(yīng)性及抗流量飽和特性。

從圖1 可以看出，車載鉆機所采用的閥后補償負載敏感閥，2 片閥都處于中位時，負載反饋回路無法卸荷，因此多路閥設(shè)計中，一般在反饋油路增加阻尼孔1 和阻尼孔2（如圖1）。阻尼孔的主要作用一方面是負載反饋回路卸荷，另一個作用是減小反饋系統(tǒng)沖擊，而在一般系統(tǒng)分析時，常忽略阻尼孔，正是由于阻尼孔的存在，反饋管路中存在泄露及壓降，由于車載鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，管路相對比較復(fù)雜，在實際使用中出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)慢，系統(tǒng)流量達不到設(shè)計要求等問題，降低了系統(tǒng)控制精度及響應(yīng)[6-8]。

2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)建模及仿真分析

通過分析負載敏感系統(tǒng)原理，建立系統(tǒng)AMEsim 模型[9-10]，動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下：①泵排量:520 mL/r；②多路閥通徑：25 mm；③回轉(zhuǎn)馬達總排量：2 660/1 328 mL/r；④動力頭轉(zhuǎn)動慣量：19.2 kg/m2；⑤泵輸入轉(zhuǎn)速：1 800 r/min。

2.1 阻尼孔對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的影響

在對比反饋回路中增加孔徑為2 mm 阻尼1 和孔徑為0.8 mm 阻尼2 及不設(shè)阻尼情況下，動態(tài)模擬動力頭回轉(zhuǎn)，動力頭負載為8 MPa,動力頭輸出轉(zhuǎn)速對比曲線如圖2，反饋系統(tǒng)壓力對比曲線如圖3。

圖2 動力頭輸出轉(zhuǎn)速對比曲線Fig.2 Output speed contrast curves of power head

圖3 反饋系統(tǒng)壓力對比曲線Fig.3 Pressure contrast curves of feedback system

從圖2 中可以看出，在第2 s 是多路閥換向，從動力頭馬達輸出轉(zhuǎn)速可以看出，在不增加阻尼的情況下，閥全開時，系統(tǒng)流量鋼性較好，但反饋系統(tǒng)壓力波動較大。增加阻尼以后，系統(tǒng)響應(yīng)時間縮短，但是相同閥開口度下，動力頭輸出轉(zhuǎn)速降低，觀察圖3可以看出，增加阻尼以后，反饋回路壓力波動較未增加阻尼明顯減小，且較快速達到穩(wěn)態(tài)。通過模擬可以看出，在反饋回路中增加阻尼，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間，同時減小反饋回路的壓力波動，有利于提高系統(tǒng)使用壽命，但是在系統(tǒng)中增加阻尼以后，動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速有明顯的降低。

調(diào)節(jié)阻尼孔1 及阻尼孔2 的參數(shù)，動態(tài)模擬外負載逐漸增大，不同阻尼轉(zhuǎn)速對比曲線如圖4，從圖4 中可以看出，當阻尼孔參數(shù)匹配不合理時，當外負載增大時，動力頭輸出轉(zhuǎn)速有明顯的下降（如圖中紅色曲線），系統(tǒng)負載適應(yīng)性變差。通過調(diào)節(jié)阻尼孔2 及阻尼孔1 參數(shù)，當阻尼1 不變，通過減小阻尼2；或者在不改變阻尼2 的情況下，通過增大阻尼1 的大小，均可提高系統(tǒng)負載適應(yīng)性。

圖4 不同阻尼轉(zhuǎn)速對比曲線Fig.4 Different damping speed contrast curves

2.2 反饋管路對系統(tǒng)的影響

由于車載鉆機反饋管路較長，在實際模擬和測試中，應(yīng)當考慮管路對系統(tǒng)的影響后，再進一步分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。動態(tài)模擬在反饋系統(tǒng)中不設(shè)阻尼，而在反饋回路中增加10 m 的6 mm 通徑膠管，動態(tài)模擬動力頭回轉(zhuǎn)，增加管路后動力頭轉(zhuǎn)速對比如圖5。未增加管路時反饋系統(tǒng)壓力曲線如圖6，增加管路后反饋系統(tǒng)壓力曲線如圖7。

圖5 增加管路后動力頭轉(zhuǎn)速對比Fig.5 Speed comparison of power head after adding pipeline

圖6 未增加管路時反饋系統(tǒng)壓力曲線Fig.6 Pressure curve of the feedback system without adding pipeline

圖7 增加管路后反饋系統(tǒng)壓力曲線Fig.7 Pressure curve of feedback system adding pipeline

由圖5～圖7 可以看出，當系統(tǒng)中增加長管路以后，系統(tǒng)響應(yīng)有一定的滯后，從動力頭輸出轉(zhuǎn)速可以看出，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較沒有管路時有所提高。在系統(tǒng)中增加管路以后，反饋系統(tǒng)壓力波動較沒有增加管路之前有明顯的減小。通過模擬可以得出結(jié)論，當回轉(zhuǎn)回路管路較長時，有利于減小系統(tǒng)沖擊，從而提高系統(tǒng)使用壽命，但是增加管路后，系統(tǒng)響應(yīng)時間滯后。

通過對比模擬結(jié)果可以看出，在反饋系統(tǒng)增加阻尼，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)及減小反饋系統(tǒng)壓力沖擊及波動，但是會對動力頭輸出轉(zhuǎn)速剛性有影響，當匹配不合理時，系統(tǒng)負載適應(yīng)性降低。反饋長管路可以提高反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)響應(yīng)會滯后。

3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)匹配試驗

為進一步驗證模型的準確性及模擬結(jié)果，對ZMK5530TZJ100F 車載鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行試驗研究。在系統(tǒng)中設(shè)置阻尼和未設(shè)置阻尼進行測試，由于多路閥阻尼1 孔徑一般為廠家出廠設(shè)定，無法調(diào)整，因此通過調(diào)整阻尼2 孔徑進行對比試驗。未調(diào)整阻尼及短管路測試結(jié)果如圖8，調(diào)整阻尼及長管路測試結(jié)果如圖9（圖中虛線為反饋系統(tǒng)壓力，實線為動力頭輸出轉(zhuǎn)速，點劃線為控制油源壓力）。

圖8 未調(diào)整阻尼及短管路測試結(jié)果Fig.8 Unadjusted damping and short pipeline test results

圖9 調(diào)整阻尼及長管路測試結(jié)果Fig.9 Adjustment damping and long pipeline test results

從圖中可以看出，在動力頭負載同為8.5 MPa的情況下，未增設(shè)阻尼時，反饋系統(tǒng)壓力有明顯的波動及沖擊，系統(tǒng)峰值壓力為13.2 MPa，但動力頭輸出轉(zhuǎn)速為25 r/min，當系統(tǒng)增加0.8 mm 阻尼及10 m 的6 通徑膠管后，系統(tǒng)壓力沖擊和波動有明顯的好轉(zhuǎn)，但是系統(tǒng)響應(yīng)有明顯的滯后，此時動力頭轉(zhuǎn)速為22 r/min。對比2 個測試結(jié)果可以看出，通過增加阻尼和管路可以減小系統(tǒng)沖擊及壓力波動，但是系統(tǒng)響應(yīng)會存在滯后影響，而且，在同等負載下，增加阻尼以后，動力頭轉(zhuǎn)速有所下降。

4 結(jié) 語

以ZMK5530TZJ100F 車載鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)為研究對象，采用理論分析及動態(tài)模擬的方法，動態(tài)模擬對比了負載反饋回路阻尼及管路對系統(tǒng)響應(yīng)及負載特性的影響，得出在反饋回路中增加阻尼可以提高系統(tǒng)響應(yīng)，減小系統(tǒng)沖擊及壓力波動，但是是動力頭輸出轉(zhuǎn)速鋼性會降低。長管路反饋回路可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)沖擊，但是會引發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)滯后，因此在鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計中，特別是管路較長的情況下，可適當?shù)臏p小阻尼孔2，以提高動力頭負載適應(yīng)性，提高動力頭響應(yīng)。