锚杆钻机顶驱双动力装置的液压系统仿真研究

摘要: 为使液压锚杆钻机顶驱双动力装置的液压系统各动力部件和执行部件的参数得到合理匹配, 采用AMESim软件对液压系统进行建模仿真, 并得到了合理的设计计算方法和满意的仿真结果, 为锚杆钻机的液压系统设计提供了可靠的理论依据。
关键词：锚杆钻机; AMESim; 负载传感; 动态仿真

引言

20世纪90年代以来, 我国的各项建设事业迅速发展, 基础设施建设的规模不断扩大, 高层和地下建筑的实际施工面积也在日益扩大, 基坑深度已超过20m, 长度达到几百米, 施工量巨大。大力推动城市的地下空间的开发利用(如地铁、过江隧道、地下车库、地下商城) 已成为国家的一项重要政策。

“十一五”期间, 国家在基础设施建设、城镇化与城市化建设等方面将继续加大投资力度, 各种工业与民用建筑向高、重、大方向发展, 建设任务繁多,施工现场和地质水文条件也更为复杂, 这就要求基础施工向大范围、大深度、高承载力和高可靠性的方向发展。具有施工成本低、效率高、质量好、振动和噪声污染小等优点的先进深基坑支护用全液压履带式锚杆钻机正是适应这些要求而发展起来。

AMESim作为非常优秀的仿真软件, 为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案。AMESim软件非常适合液压传动及控制系统与元件的建模, 为液压技术的创新研究和设计分析提供了很好的仿真平台。本文作者应用AMESim软件对全液压履带式锚杆钻机顶驱双动力装置的液控系统控制进行了系统建模仿真, 得到了合理的设计计算和满意的仿真结果。

1顶驱双动力装置的液压控制回路的选择

锚杆钻机采用全液压驱动式顶驱双动力装置, 因此钻机的双动力装置液压驱动系统的设计主要是考虑如何满足整机的钻孔工艺要求, 即钻头转距和转速都能在较大范围内无级调节, 并能正、反方向回转、功率损耗小等。液压驱动式钻机动力头的动力装置采用液压马达加机械变速箱, 因此, 钻头回转转矩和转速的调节, 实际上是液压马达的输出转矩和转速的调节。

为了实现上述功能, 锚杆钻机顶驱双动力装置的液压驱动回转采用“变量泵- 变量马达”的容积调速变量系统, 其工作原理是通过改变液压系统中变量泵的排量或变量马达的排量都可调节马达的回转速度。

由于此回路中既可用变量泵调速, 又可用变量马达调速, 因此要合理利用变量泵和变量马达调速中各自的优点, 克服其缺点, 以达到既可扩大调速范围(一般可达i = 100左右) , 又使其换向平稳, 一般采用分段调速的方法(第一阶段为恒转矩调速,第二阶段为恒功率调速) , 如图1 所示。它没有流量和压力的损耗, 而且工作压力随负载变化而变化, 因此效率高、发热小。它适用于大功率的场合, 如矿山机械、起重机械以及大型机床的主运动液压系统。

图1变量泵- 变量马达容积调速回路工作特性曲线

2顶驱双动力装置的工作原理

由图2可知, 锚杆钻机顶驱双动力装置液压系统主要由负载传感变量泵、溢流阀、高压反馈变量马达、多路阀、压力补偿阀和蓄能器等组成。该系统由负载传感变量泵和多路阀匹配构成了负载传感系统,当系统工作时, 主泵能根据负载的大小供给执行元件所需要的流量, 没有多余的流量输出, 因而没有溢流损失; 系统不工作时, 主泵排量降至最小, 有效降低燃油消耗。

图2 锚杆钻机顶驱双动装置液压驱动系统原理图

锚杆钻机钻进时, 液压变量马达1、7 的进油腔与负载传感变量泵4 的排油腔相通, 可通过调节溢流阀2的开启压力来调节系统的工作压力。由于锚杆钻机顶驱双动力装置的负载一般都大于其它执行机构, 在钻进某些特殊地层时, 还可能导致严重超载, 因此必须限定动力装置的最大工作负载。所以, 溢流阀2在调整系统工作压力的同时, 实际上也限制了系统的最大工作压力, 起到了“调压- 限压”的作用[ 1 ] 。

当溢流阀2的调定压力不变时, 通过负载传感器系统, 可以调节液压变量马达的转速大小, 即可以增加或减少液压变量马达1、7 的回油流量, 从而加快或降低钻进速度。为了保证分流的匹配, 增加了压力补偿阀6, 这样能够很好地保证不会因冲击钻头或套筒钻头的转矩突然增大, 而导致某一执行元件处于不工作状态。在这种情况下, 属于恒功率钻进, 通过改变液压变量马达的转速, 加大或减小液压马达的输出转矩, 有利于实现恒压钻进。

因此图2所示的液压系统, 能够很好地满足锚杆支护钻孔工艺要求。

3 顶驱双动力装置液压驱动系统的动态仿真

图3的AMESim仿真模型是针对全履带液压锚杆钻面顶驱双动力装置的液压系统建立的, 考虑基于图2所示的回路控制方法。系统主要仿真参数如表1所示; 由于不同的地质条件, 负载的大小不同, 故采用两种不同的地质条件的负载进行仿真分析, 如图4所示。

图3 顶驱双动力装置液压驱动系统的AMESim仿真模型图

通过AMESim 系统仿真, 现对冲击回转钻头(RL0121) 和套筒钻头(RL0122) 的转速、变量马达的输出流量的仿真结果进行分析。

从图5、6中可以看出, 旋转负载的转速RL012121和RL012221 与RL012122 和RL012222 转速分别为75 r /min 和71 r /min左右; 而液压马达的输出流量均在92L /min左右。仿真结果体现了容积调速回路的恒功率控制特性。当负载遇到某一特殊地质条件, 负载突然增大, 而液压马达的输出转速降低, 保证液压马达的输出转矩。故这种调节回路即有利于保证锚杆钻机动力装置正常工作, 不会因负载增大或减小导致不动作或产生溢流现象, 又可以提高工作效率。

4 结论

将AMESim应用在锚杆钻机液压系统的仿真, 并以顶驱双动力装置为实例进行了建模仿真分析, 得到了合理的设计计算与满意的系统控制效果。根据选定变量马达和多路阀, 所设置的参数能够很好满足锚杆钻机的使用要求, 从图5、6可知, 当在两种不同地质条件时, 通过负载传感系统的反馈, 降低或提高液压马达旋转速度, 而液压马达输出的转矩也随着升高或降低, 从而能够很好地满足锚杆钻机在各种复杂工况下的使用要求。

参考文献
【1】德强. 钻机设计[M ]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1993110.
【2】付永领, 祁晓野. AMESim系统建模和仿真———从入门到精通[M ]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 200616.
【3】张增猛, 周华, 孙健, 杨华勇. 基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim 仿真[ J ]. 机床与液压, 2007, 35 (6) : 99 - 101.
【4】余佑官, 龚国芳, 胡国良. AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[ J ]. 液压气动与密封, 2005(3) : 28 - 31