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（山西省朔州市大同煤礦集團(tuán)同生安平煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 034900）

0 引言

潛孔鉆機(jī)是鑿巖的關(guān)鍵設(shè)備，在工作時(shí)通過(guò)外面的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速鑿巖，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活性高的優(yōu)點(diǎn)。潛孔鉆機(jī)在工作時(shí)需要由行走機(jī)構(gòu)控制機(jī)身不斷變換鑿巖位置，由于其工作區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件通常較為復(fù)雜，存在著大量的碎石，導(dǎo)致行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受力較大，加上多數(shù)潛孔鉆機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)致在實(shí)際工作中存在著反應(yīng)靈敏度差、運(yùn)行功耗高、換向沖擊大的缺陷，嚴(yán)重影響了潛孔鉆機(jī)的運(yùn)行靈活性和可靠性[1]。

結(jié)合潛孔鉆機(jī)工作的實(shí)際需求，本文提出了一種新的潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)，通過(guò)采用變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓控制回路，提高了系統(tǒng)在工作時(shí)的控制效率，通過(guò)溢流閥和換向閥的組合式應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了行走機(jī)構(gòu)在工作中的無(wú)級(jí)切換，降低了在換向時(shí)的壓力沖擊。

1 液壓控制系統(tǒng)

結(jié)合潛孔鉆機(jī)行走機(jī)構(gòu)的布置和控制需求，文章所提出的潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)采用了“四輪一帶”的控制模式[2]，由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)變量泵運(yùn)行，然后高壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)液壓馬達(dá)再帶動(dòng)潛孔鉆機(jī)行走系統(tǒng)的履帶裝置，完成對(duì)潛孔鉆機(jī)行走的控制。為了提高行走系統(tǒng)在工作時(shí)的穩(wěn)定性，減少能量消耗，液壓系統(tǒng)以一個(gè)雙變量泵和一個(gè)雙變量馬達(dá)為核心的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)回路，兩個(gè)液壓馬達(dá)處于相互獨(dú)立工作狀態(tài)，進(jìn)而能夠控制潛孔鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)的行走控制及原地轉(zhuǎn)彎。該潛孔鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。

圖1 潛孔鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，當(dāng)換向閥處于中間位置時(shí)，行走系統(tǒng)處于非供液狀態(tài)，此時(shí)潛孔鉆機(jī)行走機(jī)構(gòu)處于非工作狀態(tài)。當(dāng)換向閥1 處于右位時(shí)，液壓油進(jìn)入到工作回路中，然后再經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入到變量馬達(dá)中，驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)進(jìn)行正轉(zhuǎn)。此時(shí)換向閥3 左側(cè)內(nèi)含有液壓油，而換向閥3 的右側(cè)直接和油箱連接，此時(shí)換向閥的閥芯在左右兩側(cè)的壓力差作用下處在左側(cè)位置，換向閥4 的閥芯在壓差作用下處在右側(cè)位置，液壓油最終進(jìn)入到變量馬達(dá)的排量控制缸，控制馬達(dá)的排量增加，進(jìn)而控制潛孔鉆機(jī)的行走機(jī)構(gòu)在低速、穩(wěn)定模式下運(yùn)行。

當(dāng)在系統(tǒng)中外接口K 處通入高壓油以后，在液壓油壓力作用下，閥芯將處于換向閥的左側(cè)，變量馬達(dá)的排量減少，進(jìn)而控制潛孔鉆機(jī)進(jìn)入到高速運(yùn)行模式。當(dāng)控制換向閥1 處于左側(cè)位置時(shí)，系統(tǒng)控制變頻馬達(dá)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以控制潛孔鉆機(jī)的后退。

2 液壓系統(tǒng)仿真分析

為了對(duì)該潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以AMESIM仿真分析軟件為基礎(chǔ)，以ZDH138 型潛孔鉆機(jī)為研究對(duì)象[4]，對(duì)其液壓行走控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。該潛孔鉆機(jī)的鉆桿直徑為100～138 mm，鉆孔的最大深度為28 m，液壓系統(tǒng)的最大工作壓力為46 MPa（460 bar），整機(jī)質(zhì)量是16 t，最大行走速度是3 000 m/h，所使用的馬達(dá)的最大排量為28 mL/h，容積效率是0.92，馬達(dá)工作時(shí)的機(jī)械效率是0.97。

為了簡(jiǎn)化仿真分析過(guò)程，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用AMESIM仿真分析模型庫(kù)[5]建立了潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)的仿真分析模型[6]，如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)仿真分析原理

潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)在不同的工況下具有不同的工作特性，因此文章重點(diǎn)對(duì)潛孔鉆機(jī)在啟動(dòng)狀態(tài)和換擋狀態(tài)下的工作特性進(jìn)行分析。

潛孔鉆機(jī)在突然啟動(dòng)的情況下，會(huì)使馬達(dá)的負(fù)載迅速增加，因此根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，在仿真分析時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)負(fù)載扭矩為10 000 N·m 的階躍控制信號(hào)[7]，信號(hào)加載的時(shí)間為8 s，對(duì)啟動(dòng)情況下液壓馬達(dá)進(jìn)口位置的壓力曲線進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 馬達(dá)進(jìn)口位置壓力波動(dòng)曲線

由仿真分析結(jié)果可知，在0～2 s 的區(qū)間為系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)后其進(jìn)口位置的壓力瞬間增加到10.8 MPa（108 bar），在2～2.5 s 的時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，這主要是馬達(dá)突然啟動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的液壓油產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致的[8]。但沖擊時(shí)間由優(yōu)化前的2.2 s 降低到了目前的0.5 s，調(diào)控時(shí)間縮短了77.3%，極大提升了潛孔鉆機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

潛孔鉆機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要根據(jù)地質(zhì)情況靈活地調(diào)整潛孔鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，滿足運(yùn)行安全性的需求，因此對(duì)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2 s 的換向脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)向時(shí)候的負(fù)載降低到4 000 N·m，則在換向過(guò)程中潛孔鉆機(jī)馬達(dá)進(jìn)口處壓力隨時(shí)間的變化如圖4 所示。

圖4 馬達(dá)進(jìn)口位置壓力波動(dòng)曲線

由圖4 可知，在0～2 s 區(qū)間是馬達(dá)的啟動(dòng)階段，在第4 s 時(shí)，給到系統(tǒng)一個(gè)換向脈沖信號(hào)，由于轉(zhuǎn)向負(fù)載突然降低，因系統(tǒng)內(nèi)馬達(dá)在進(jìn)口處的壓力先迅速降低，在換向過(guò)程中的最大壓力為10.4 MPa（104 bar），比優(yōu)化前的32.2 MPa（322 bar）降低了約71.6%，而且系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)間由最初的3.4 s 降低到了目前額0.8 s，比優(yōu)化前降低了76.5%，極大提升了潛孔鉆機(jī)在工作時(shí)的安全性和靈敏性。

3 結(jié)論

1）潛孔鉆機(jī)液壓行走控制系統(tǒng)采用“四輪一帶”的控制模式，通過(guò)液壓馬達(dá)再帶動(dòng)潛孔鉆機(jī)行走系統(tǒng)的履帶裝置，能夠提高液壓系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏性、降低工作時(shí)的沖擊；

2）AMESIM 仿真分析系統(tǒng)能夠有效的模擬潛孔鉆機(jī)液壓行走系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性；

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒎磻?yīng)控制時(shí)間降低77.4%，將馬達(dá)進(jìn)口處的壓力降低了71.6%，極大提升了潛孔鉆機(jī)行走系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。