熊中剛，劉 忠※，楊 能，王 罡，龔東昌，張明勛，洛桑達(dá)娃，陳 順

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；3.國網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850010；4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041）

0 引言

在能源礦山爆破施工中，大都采用液壓鑿巖掘進(jìn)鉆孔工藝，由于地層存在溶洞、裂紋巖石負(fù)載不均勻的現(xiàn)象，在鑿巖鉆孔中會出現(xiàn)鉆孔偏斜現(xiàn)象，使炮孔達(dá)不到要求或鉆桿廢棄于炮孔中，嚴(yán)重影響鉆孔效率。關(guān)于預(yù)防鉆孔偏斜，國內(nèi)外研究者做了一些研究，如Chai 等[1]針對鉆孔偏斜的問題，建立了偏斜的理論模型，通過仿真模擬驗(yàn)證了鉆孔偏斜產(chǎn)生的原因和預(yù)防偏斜的措施；張延忠[2]為了解決弧形工作閘門2 個油缸存在偏差的問題，提出了一種啟閉機(jī)同步液壓控制系統(tǒng)，通過單比例調(diào)速閥聯(lián)合常規(guī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)同步控制，確保2 個油缸之間的同步性，通過這種組合方式，能夠有效糾正弧形工作閘門偏差，經(jīng)試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了該方案的可行性；Liu等[3]針對錨桿鉆孔偏斜的問題，研制了新型錨桿糾偏裝置，保證了鉆孔過程的偏斜問題，提高了鉆孔的質(zhì)量；Zhang 等[4]針對鉆孔軌跡偏斜問題，提出了行動者-批評者強(qiáng)化學(xué)習(xí)和積分滑?？刂频淖赃m應(yīng)容錯控制方法，對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的井眼軌跡進(jìn)行跟蹤和校正，經(jīng)過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)在軌跡糾偏具有良好作用；楊西等[5]針對軋制車輪運(yùn)輸?shù)钠眴栴}，提出了糾偏機(jī)構(gòu)+負(fù)載敏感液壓控制的方法，利用2 個油缸進(jìn)行控制，經(jīng)過仿真研究驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性；簡鵬等[6]針對盾構(gòu)機(jī)施工過程姿態(tài)控制滯后性導(dǎo)致偏斜的問題，提出了一種盾構(gòu)施工的姿態(tài)自動控制方法，經(jīng)仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場應(yīng)用，證明該方法具有較高的可靠性和實(shí)用性；冀超輝[7]針對鉆機(jī)鉆孔過程偏移導(dǎo)致鉆孔偏斜的問題，提出了后續(xù)鉆孔或補(bǔ)打鉆孔的糾偏方法，改善了鉆孔偏斜的現(xiàn)象。

液壓鑿巖工程實(shí)踐表明，研究液壓鑿巖機(jī)糾偏控制方法在提高鉆鑿效率的同時還能降低能耗，進(jìn)而推動液壓鑿巖裝備朝著智能化方向發(fā)展[8-10]。本文針對鑿巖機(jī)鉆孔糾偏問題，設(shè)計(jì)一種液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)，詳細(xì)敘述其工作原理，經(jīng)過理論和仿真分析，揭示鉆孔偏斜對液壓系統(tǒng)參數(shù)的影響，驗(yàn)證該系統(tǒng)糾偏的可行性和可靠性。

1 液壓鑿巖糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓鑿巖機(jī)工作原理

液壓鑿巖機(jī)通過將液壓能轉(zhuǎn)化為沖擊機(jī)械能達(dá)到將巖石破碎的目的。液壓鑿巖機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 液壓鑿巖機(jī)工作原理

高壓油由高壓油口和換向閥進(jìn)入沖擊系統(tǒng)，從低壓油口流出，其中換向閥屬于二位三通液動換向閥。首先，活塞處于最左端時，液壓油經(jīng)活塞前腔由S1口進(jìn)入換向閥，使換向閥右位機(jī)能接入，使高壓油路同步涌入活塞前腔及后腔，由于活塞后腔A2和活塞前腔A1的面積差，且A1 大于A2，使得兩油腔產(chǎn)生壓力差。由于這個壓差，活塞會受到向前的推力從而加速運(yùn)動。當(dāng)活塞的運(yùn)動速度提高時，后腔需要更多的液體流量。如果所需流量超過了液壓泵提供的流量，系統(tǒng)供能不足時，則通過高壓蓄能器中儲存的高壓油與活塞前腔回油同步向活塞后腔提供液體流量，以滿足其沖程運(yùn)動的流量需求。當(dāng)沖擊活塞撞擊釬尾時，沖程控制口與回程控制口接通，使換向閥兩端受力發(fā)生變化，換向閥左位機(jī)能接入，從而實(shí)現(xiàn)快速換向，結(jié)束鑿巖機(jī)的沖程運(yùn)動。當(dāng)換向套閥換向時，沖擊活塞的后腔與回油通道連通，沖擊活塞在高壓油作用下回位。當(dāng)活塞前腔再次與沖程控制口相通時，高壓油路與控制油路相連。此時，高壓油與前后腔相連接，但由于換向閥左端的壓力損失，形成差動連接，回程加速運(yùn)動結(jié)束，但活塞會因?yàn)閼T性繼續(xù)進(jìn)行回程減速運(yùn)動，直至沖擊活塞停止運(yùn)動。同時，高壓蓄能器會將剩余的能量以液壓能的形式儲存起來，至此，沖擊機(jī)構(gòu)完成一個工作循環(huán)。

液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)利用沖擊活塞不斷撞擊釬尾，將液壓能轉(zhuǎn)化為沖擊能，輸出連續(xù)的沖擊能量，以達(dá)到釬尾破碎巖石的效果。

1.2 糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本文針對液壓鑿巖機(jī)鉆孔偏斜的問題，提出了糾偏控制系統(tǒng)方案，如圖2 所示。糾偏工作過程如下：液壓泵由電機(jī)驅(qū)動后，輸出一定壓力與流量的液流，溢流閥調(diào)定糾偏控制系統(tǒng)總工作壓力；電磁換向閥通過推進(jìn)控制閥組輸入一定壓力與流量的液流控制推進(jìn)缸，完成液壓鑿巖機(jī)進(jìn)退動作，電磁換向閥控制液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)，完成液壓鑿巖機(jī)釬桿回轉(zhuǎn)作業(yè)，進(jìn)而為液壓鑿巖機(jī)過程提供轉(zhuǎn)速和破巖扭矩；液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)壓力信號直接作用于推進(jìn)控制閥組，推進(jìn)控制閥組控制工作液壓缸下腔與其上腔壓力平衡，以自適應(yīng)調(diào)節(jié)推進(jìn)缸無桿腔壓力；同時，通過糾偏控制器發(fā)出電信號驅(qū)動比例溢流閥的比例電磁線圈DT6，以調(diào)節(jié)推進(jìn)缸回油壓力，從而實(shí)現(xiàn)對液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)工作壓力的有效補(bǔ)償[11-13]。

圖2 液壓糾偏控制系統(tǒng)

此外，針對該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一種糾偏控制器。該控制器采集回轉(zhuǎn)馬達(dá)的壓差信號，通過比較計(jì)算，可以得出液壓鑿巖機(jī)鑿巖鉆鑿時的阻力矩，利用鑿巖軸壓力與轉(zhuǎn)釬阻力矩公式，可以計(jì)算得出鑿巖機(jī)的軸壓力，然后根據(jù)不同施工工況下鑿巖機(jī)的推進(jìn)力與軸壓力的關(guān)系，計(jì)算出鑿巖鉆進(jìn)過程中所需的理論推進(jìn)力；把理論推進(jìn)力與實(shí)際推進(jìn)力差作為輸入控制信號，作用于比例溢流閥比例線圈，使其成比例開啟，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)缸壓力補(bǔ)償控制，由此可避免鑿巖鉆進(jìn)過程中因鑿巖機(jī)推進(jìn)力的不均勻而引起的鉆孔偏斜。

該糾偏控制器能夠?qū)崿F(xiàn)鑿巖機(jī)的精確控制，根據(jù)鑿巖機(jī)的作業(yè)工況和鑿巖鉆進(jìn)的阻力變化，以自動調(diào)節(jié)推進(jìn)缸的工作壓力，確保鑿巖機(jī)的推進(jìn)力與軸壓力的平衡，從而避免鉆孔偏斜，提高鑿巖效率和施工質(zhì)量?？偠灾m偏控制系統(tǒng)通過液壓泵、溢流閥、電磁換向閥、推進(jìn)缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等組件的協(xié)調(diào)工作，以及糾偏控制器的精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)工作壓力的補(bǔ)償和控制，保證了鑿巖機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確鑿巖。

1.3 液壓鑿巖沖擊力學(xué)分析

液壓鑿巖機(jī)在鑿巖鉆進(jìn)過程中，鉆鑿掘進(jìn)所需的軸壓推進(jìn)力與巖石的硬度密切相關(guān)[14]，針對不同種類及物理性質(zhì)的巖石，其鉆鑿掘進(jìn)所需的軸壓推進(jìn)力不同[15-19]。為避免因推進(jìn)力過大或過小而導(dǎo)致鉆孔偏斜，依據(jù)工程實(shí)踐，可得出釬桿所需軸向推進(jìn)力Fd與巖石硬度的關(guān)系如式（1）所示。

式中：D為鉆桿直徑，m；f2為巖石硬度系數(shù)。

液壓鑿巖機(jī)釬桿所受阻力Fz如式（2）所示。

式中：ki為鉆具-巖石的接觸系數(shù)；z為鉆頭的切削刃數(shù)；h為切削深度，m；vz為鉆桿速度，m∕s；h為鉆進(jìn)深度，m。

其中，鉆進(jìn)深度h如式（3）所示。

式中：r為鑿巖機(jī)在鉆進(jìn)過程中的轉(zhuǎn)速，r∕min。

鑿巖機(jī)釬桿在鉆進(jìn)過程中所受回轉(zhuǎn)阻力矩如式（4）所示。

聯(lián)立式（1）～（4）可得式（5）。

針對ZJ-150 型液壓鑿巖機(jī)，其轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)為外回轉(zhuǎn)齒輪減速裝置，由回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)釬桿的轉(zhuǎn)動，則

式中：Mr為鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出力矩。

將式（5）代入式（6），可得鑿巖所需軸壓力為：

式中：Vm為馬達(dá)排量，m3∕s；ηm為馬達(dá)機(jī)械效率；ηi為馬達(dá)容積效率；Δp為馬達(dá)進(jìn)出口壓差。

液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)提供的推進(jìn)力為：

式中：pt1為推進(jìn)缸進(jìn)油壓力，MPa；pt2為推進(jìn)缸回油壓力，MPa；As1為推進(jìn)缸進(jìn)油路有效作用面積，m2；As2為推進(jìn)缸回油路有效作用面積，m2。

液壓鑿巖機(jī)在水平鑿巖工況下，其推進(jìn)力與機(jī)體所產(chǎn)生的軸壓力相等。而在垂直向下鑿巖工況下，鑿巖機(jī)機(jī)體所提供的推進(jìn)力與軸壓力呈一定的關(guān)系[14]。具體而言，推進(jìn)力與軸壓力之間的關(guān)系取決于鉆鑿的巖石性質(zhì)和鑿巖機(jī)系統(tǒng)的工作參數(shù)。根據(jù)這些因素，可以計(jì)算出鑿巖鉆進(jìn)過程中所需的理論推進(jìn)力，并相應(yīng)地調(diào)整液壓鑿巖機(jī)的工作參數(shù)，以達(dá)到最佳的鑿巖效果。

2 仿真研究

2.1 仿真模型建立

依據(jù)糾偏控制系統(tǒng)方案，通過AMESim 建立如圖3所示的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)的模型。

圖3 液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)所研究的液壓鑿巖機(jī)機(jī)型，確定其物理參數(shù)如表1所示[18-20]。

表1 仿真系統(tǒng)的物理參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

液壓鑿巖機(jī)在施工作業(yè)中通常會面對不同類型的巖石，這些巖石可以被分為軟巖、中硬巖和硬巖，其對應(yīng)的巖石硬度系數(shù)f2分別為5、10、15。為適應(yīng)不同的工況，針對水平鑿巖、垂直向下鑿巖2 種典型工況，進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究，施加不同的推進(jìn)力作用于巖石，以模擬實(shí)際施工過程中的情況。

2.3.1 水平鑿巖工況

將溢流閥調(diào)定的系統(tǒng)壓力分別設(shè)置為4、5、6 MPa，其推進(jìn)缸的進(jìn)油腔壓力和回油腔壓力曲線如圖4～6所示。由圖可知，在初始階段的0.2 s 內(nèi)，由于液壓泵輸出壓力不穩(wěn)定，其壓力曲線存在小時段的波動，其后系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中圖4～5 所示的推進(jìn)缸回油口壓力在工作區(qū)間存在一定波動，這是由于液壓馬達(dá)進(jìn)出口油液壓差的波動所引起的。

圖4 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為4 MPa）

圖5 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為5 MPa）

圖6 水平鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為6 MPa）

依據(jù)圖4～6 可得出仿真數(shù)據(jù)如表2 所示。由表可知，在鑿巖機(jī)的系統(tǒng)壓力保持恒定的情況下，當(dāng)鑿巖機(jī)鉆鑿的巖石硬度變化時，推進(jìn)缸的進(jìn)油壓力幾乎不會改變；但回油壓力與巖石硬度成反比關(guān)系，鉆鑿軟巖時，推進(jìn)缸回油壓力最大，鉆鑿堅(jiān)硬巖石時，回油壓力最小，其原因在于鉆鑿遇到堅(jiān)硬巖石對軸壓力的需求最大；推進(jìn)缸的進(jìn)油壓力隨著鉆孔偏斜控制系統(tǒng)壓力的增大也逐步增大。

表2 在水平鑿巖工況時的仿真結(jié)果

2.3.2 垂直向下鑿巖工況

將溢流閥調(diào)定的系統(tǒng)壓力分別設(shè)置為4、5、6 MPa，其推進(jìn)缸的進(jìn)油腔壓力和回油腔壓力曲線如圖7～9 所示。由圖可知，在初始階段的0.2 s 內(nèi)，由于液壓泵輸出壓力不穩(wěn)定，其壓力曲線存在小時段的波動，其后系統(tǒng)快速達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。推進(jìn)缸回油口壓力在工作區(qū)間存在一定波動，主要由液壓馬達(dá)進(jìn)出口油液壓差的波動所導(dǎo)致。其仿真結(jié)果趨勢基本與水平鑿巖工況一致。

圖7 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為4 MPa）

圖8 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為5 MPa）

圖9 垂直向下鑿巖工況下推進(jìn)油缸工作壓力曲線（系統(tǒng)壓力為6 MPa）

依據(jù)圖7～9中壓力曲線數(shù)據(jù)，可得出仿真數(shù)據(jù)如表3所示，其系統(tǒng)壓力與巖石硬度和推進(jìn)油缸的進(jìn)油、回油壓力之間的關(guān)系與水平鉆鑿工況下相似。

表3 在垂直向下鑿巖工況時的仿真結(jié)果

2.3.3 水平與垂直鉆鑿工況比較

分析2種不同鑿巖工況可以得出：工況不同，鉆鑿對象巖石相同，液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)缸進(jìn)油壓力有一定的差別；由于作用于巖石的軸壓力和機(jī)體提供推進(jìn)力關(guān)系的不同，對于垂直向下鑿巖工況，鑿巖機(jī)推進(jìn)缸回油壓力較小。鑿巖機(jī)系統(tǒng)壓力不變時，鑿巖工況不同，推進(jìn)缸回油壓力增量不同，但推進(jìn)缸進(jìn)油壓力增量大小幾乎不變。

3 結(jié)束語

本文提出了一種液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏控制系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的工作原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了理論分析和仿真研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）采用鉆孔糾偏控制系統(tǒng)對液壓鑿巖機(jī)推進(jìn)油壓進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)姆绞剑员苊忤弾r鉆進(jìn)過程中，因鑿巖機(jī)的推進(jìn)力變化而引起的鉆孔偏斜。

（2）鑿巖機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力與軸壓力之間的關(guān)系取決于鉆鑿的巖石性質(zhì)和鑿巖機(jī)系統(tǒng)的工作參數(shù)。

（3）鉆孔糾偏控制系統(tǒng)的推進(jìn)缸進(jìn)油壓力變化較小，回油壓力變化較大；鉆孔偏斜產(chǎn)生的原因?yàn)殍弾r機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力與鉆鑿所需的推進(jìn)力不匹配，進(jìn)而驗(yàn)證了，液壓糾偏控制系統(tǒng)的可行性；為改進(jìn)液壓鑿巖機(jī)的鉆孔糾偏提供了技術(shù)方案。