摘 要：目前，國(guó)內(nèi)采用的鉆機(jī)大都是閥控式的液壓控制系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)嚴(yán)重?fù)p失能量，隨著新技術(shù)的發(fā)展履帶式鉆機(jī)開(kāi)始逐漸取代原系統(tǒng)，新系統(tǒng)履帶式敏感負(fù)載鉆機(jī)所具有的優(yōu)勢(shì)明顯，具體包括：運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。本論文根據(jù)履帶式鉆機(jī)敏感負(fù)載液壓控制系統(tǒng)的基本原理，以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的特征為重點(diǎn)，與履帶式抽采瓦斯鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，從數(shù)字式仿真及理論型建模兩方面進(jìn)行研究，并且對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征開(kāi)展仿真式研究，為設(shè)計(jì)敏感負(fù)載液壓控制系統(tǒng)提供依據(jù)，為應(yīng)用數(shù)字式仿真對(duì)敏感液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的特征進(jìn)行深入研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：履帶式鉆機(jī);敏感負(fù)載液壓閥;模型

由于全液壓式鉆機(jī)具備平穩(wěn)傳動(dòng)、操作方便、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)化變速等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于地質(zhì)勘測(cè)、工程建設(shè)、抽采瓦斯等施工領(lǐng)域。

1 履帶式鉆機(jī)的液壓控制系統(tǒng)研究

1.1 關(guān)于幾種鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)的分析

鉆機(jī)全液壓系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括給進(jìn)液壓及回轉(zhuǎn)液兩部分系統(tǒng)構(gòu)成，隨著液壓的元件制造工藝及設(shè)計(jì)能力的不斷提高，開(kāi)發(fā)了一批具備節(jié)能功能的變量泵及閥等鉆機(jī)液壓用元件。液壓式鉆機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的變量泵取代定量泵，對(duì)降低鉆機(jī)能量的損耗起到了一定作用。如今我國(guó)鉆機(jī)大部分使用的是手動(dòng)式變量泵，需要手動(dòng)對(duì)泵排量進(jìn)行調(diào)節(jié)用以達(dá)到鉆探要求。但由于操作繁瑣，效率沒(méi)有得到有效提高，依然出現(xiàn)較大的損耗能量，油溫也會(huì)很快升高[1]。

1.1.1 閥控式液壓的傳動(dòng)控制系統(tǒng)

閥控式液壓的傳動(dòng)控制系統(tǒng)指的是壓力閥對(duì)系統(tǒng)的壓力控制，靠方向閥對(duì)液流的方向加以控制，靠流量閥對(duì)流量加以控制，實(shí)現(xiàn)可調(diào)速的控制傳動(dòng)系統(tǒng)。然而，并非所有液壓控制系統(tǒng)均具備以上控制的功能。閥控式液壓控制系統(tǒng)是古老又普遍的控制液壓系統(tǒng)，在閥控式液壓控制系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)，損耗功率較大，能耗也較高，系統(tǒng)溫度升高，系統(tǒng)運(yùn)行的成本有所增加。

1.1.2 泵排量的自動(dòng)控制系統(tǒng)

泵排量的控制自動(dòng)系統(tǒng)被統(tǒng)稱為泵控式系統(tǒng)，是指在系統(tǒng)滿足設(shè)定的壓力時(shí)，溢流的高壓油不通過(guò)溢流閥，是通過(guò)降低泵流量的輸出方式保護(hù)系統(tǒng)安全，因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)需要進(jìn)行液流換向，因此安裝雙向式變量泵。如果需要系統(tǒng)減速或是加速時(shí)，可通過(guò)減少或是增加泵的輸出流量實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)不再安裝節(jié)流閥，同時(shí)系統(tǒng)所受的阻力的損失也有所降低[2]。

1.1.3 泵轉(zhuǎn)速的控制自動(dòng)系統(tǒng)

泵轉(zhuǎn)速電液控制自動(dòng)系統(tǒng)回路為定量泵調(diào)速變頻液壓系統(tǒng)，泵轉(zhuǎn)速液壓控制系統(tǒng)也叫調(diào)速泵變頻系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)泵轉(zhuǎn)速的改變完成對(duì)泵流量的輸出控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。使用伺服式馬達(dá)及變頻式電機(jī)對(duì)液壓泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的節(jié)能效果明顯，具有低噪音、便于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣闊。

1.2 鉆探技術(shù)對(duì)液壓式鉆機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)要求

鉆機(jī)動(dòng)力的傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為鉆機(jī)液壓的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，即要符合液壓的一般傳動(dòng)要求，又要符合一些鉆探技術(shù)的特別要求：

①執(zhí)行型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度、輸出的轉(zhuǎn)矩及作用力可同鉆探技術(shù)改變加以無(wú)級(jí)性調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)的范圍比較廣泛;

②對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方向加以改變時(shí)，不用對(duì)動(dòng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向加以改變，換向的迅速方便、準(zhǔn)確、無(wú)沖擊;

③系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單機(jī)構(gòu)多功能需求;

④鉆機(jī)執(zhí)行型各機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)、液壓控制系統(tǒng)無(wú)流量及壓力干涉;

⑤液壓控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確控制、簡(jiǎn)單操作的特點(diǎn);

⑥具有明顯抗污染的性能;

⑦液壓控制系統(tǒng)具有體積小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、維護(hù)便利、液壓系統(tǒng)元件通用化及標(biāo)準(zhǔn)化的程度較高[3]。

2 履帶式鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

某煤炭研究機(jī)構(gòu)組織研發(fā)了ZDY6000L全液壓履帶式鉆機(jī)，該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)整體緊湊，使用敏感負(fù)載控制液壓系統(tǒng)，具備搬遷方便、迅速、勞動(dòng)的強(qiáng)度低、鉆探鉆機(jī)的適應(yīng)工藝性較強(qiáng)、具有節(jié)能及鉆進(jìn)高效率等優(yōu)點(diǎn)。

該系統(tǒng)采用具有先進(jìn)性能的敏感負(fù)載泵及變量恒壓組成了動(dòng)力性裝置，充分利用遠(yuǎn)程技術(shù)和液控式換向閥，合理運(yùn)用各種閥之間相互連接的關(guān)系建立聯(lián)動(dòng)性動(dòng)作，以完成各種鉆進(jìn)作務(wù)。與此同時(shí)，還采用了敏感負(fù)載泵及具有反饋性能的多路負(fù)載換向閥。其中減壓閥前兩聯(lián)可對(duì)行走的馬達(dá)加以控制、保證鉆機(jī)直線式行走、掉頭、拐彎等項(xiàng)功能，第三聯(lián)控制的是動(dòng)力頭液壓馬達(dá)，而第四聯(lián)用于對(duì)給進(jìn)液壓油缸移動(dòng)加以控制。此外，系統(tǒng)采用變量恒壓副油泵，能夠滿足多路換向閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸穩(wěn)固支撐的調(diào)節(jié)。而且可以為給進(jìn)油缸提供油料[4]。

將液控節(jié)流閥與給進(jìn)液壓油缸兩端相并聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油缸浮動(dòng)。將液控式通斷閥同功能性轉(zhuǎn)換閥相串聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)卡盤(pán)回油[5]。

3 敏感負(fù)載系統(tǒng)液壓的建模和仿真

伴隨科技的不斷進(jìn)步，尤其計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬工作系統(tǒng)特性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。使用計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各種工作情況，確立最佳匹配參數(shù)，這也就是仿真。設(shè)備仿真是在應(yīng)用專業(yè)知識(shí)、設(shè)備系統(tǒng)知識(shí)、信息的技術(shù)等基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)以及相關(guān)設(shè)備，利用設(shè)備系統(tǒng)的模型進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。

3.1 系統(tǒng)液壓模型與仿真

針對(duì)建立敏感負(fù)載閥模型的仿真，敏感負(fù)載閥有三個(gè)壓力接口，1號(hào)接口是壓力入口，2號(hào)接口是調(diào)節(jié)斜盤(pán)油缸壓力，3號(hào)接口是執(zhí)行負(fù)載的壓力。進(jìn)行系統(tǒng)仿真后得出敏感負(fù)載閥壓力、流量變化曲線如下圖[6]。

仿真分析：通過(guò)上圖3、4可知：

①在仿真10秒過(guò)程中，前段2秒時(shí)間敏感負(fù)載閥的兩端壓力是0，這時(shí)5號(hào)口是負(fù)開(kāi)口6號(hào)口是正開(kāi)口，此時(shí)的閥芯處于左端，液壓油P經(jīng)7口與6口回到油箱，這時(shí)5口將關(guān)閉。此段是模擬停機(jī)狀態(tài)變量泵的排量最大;

②2秒至6.2秒執(zhí)行負(fù)載和泵口之間的壓力差為20帕，這時(shí)敏感負(fù)載閥芯的左側(cè)所受壓力大于右側(cè)壓力和彈簧壓力和，這時(shí)敏感負(fù)載閥芯將右移，4號(hào)口與5號(hào)口相同，6號(hào)口與7號(hào)口將斷開(kāi)，油壓將由5號(hào)口與4號(hào)口流向調(diào)節(jié)斜盤(pán)油缸。此時(shí)模擬為中負(fù)載情況的變化壓力，高壓油經(jīng)敏感負(fù)載閥流向調(diào)角斜盤(pán)油缸，角度斜盤(pán)發(fā)生改變，減小了排量從而降低了壓力;

③6.2秒至10秒，因?yàn)橛覀?cè)負(fù)載的壓力所作用閥芯的壓力大于左側(cè)對(duì)閥芯的壓力，閥芯將會(huì)左移，調(diào)角斜盤(pán)油缸里的液壓油將會(huì)回到油箱。此時(shí)模擬是負(fù)載加大，調(diào)角斜盤(pán)油缸里的液壓油將回到油箱，調(diào)角斜盤(pán)進(jìn)行改變，變量泵的排量增大，從而加大了系統(tǒng)的壓力[7]。

3.2 仿真系統(tǒng)結(jié)果的分析

通過(guò)上述敏感負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析得出：

①煤礦鉆井機(jī)在輔助運(yùn)行時(shí)，設(shè)備將空載進(jìn)行工作，這時(shí)泵進(jìn)行小排量低壓運(yùn)行，從而減少了損失流量以及壓力;

②系統(tǒng)負(fù)載和壓力的變化成正比，并且，壓力要大于負(fù)載一定值，只有這樣才能保證鉆機(jī)鉆進(jìn);

③敏感負(fù)載系統(tǒng)能夠提供的流量為恒定，因此，它不會(huì)因?yàn)樨?fù)載發(fā)生變化而變化，這樣可延長(zhǎng)液壓馬達(dá)的使用壽命與鉆頭壽命;

④當(dāng)回轉(zhuǎn)負(fù)載過(guò)高時(shí)，敏感負(fù)載系統(tǒng)液壓將保持小排量高壓運(yùn)行，進(jìn)而減小系統(tǒng)的損失溢流;

⑤系統(tǒng)流量大小可通過(guò)調(diào)節(jié)比例的方法，輕松調(diào)節(jié)鉆具的工作轉(zhuǎn)速，從而滿足各種施工工藝的要求，進(jìn)而提高煤炭鉆機(jī)的操作性能[8]。

將敏感負(fù)載技術(shù)控制應(yīng)用于煤炭鉆機(jī)的系統(tǒng)液壓中，減輕了系統(tǒng)液壓中損失的能量，這不僅起到節(jié)能的作用，而且也穩(wěn)定了運(yùn)行時(shí)的馬達(dá)，減輕了因?yàn)樨?fù)載發(fā)生突變對(duì)鉆頭與馬達(dá)的沖擊力，從而提高了煤炭鉆機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量敏感負(fù)載液壓資料研究，通過(guò)系統(tǒng)液壓原理、內(nèi)容分析、方法研究等各方面，梳理出我國(guó)敏感負(fù)載系統(tǒng)液壓當(dāng)前的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，另外，使用分析方法建立了敏感負(fù)載系統(tǒng)液壓模型，并對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析研究，從而為煤礦設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)提供有力依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

甘松柏（1980- ），男，湖北省石首市人，本科，2009年1月畢業(yè)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，機(jī)械電子工程專業(yè)，機(jī)電工程師，從事瓦斯泵、6kV配電室維修，煤礦坑道履帶鉆機(jī)液壓系統(tǒng)維護(hù)。