錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液壓系統(tǒng)仿真研究

摘要: 為使液壓錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液壓系統(tǒng)各動(dòng)力部件和執(zhí)行部件的參數(shù)得到合理匹配, 采用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真, 并得到了合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和滿意的仿真結(jié)果, 為錨桿鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：錨桿鉆機(jī); AMESim; 負(fù)載傳感; 動(dòng)態(tài)仿真

引言

20世紀(jì)90年代以來(lái), 我國(guó)的各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展, 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大, 高層和地下建筑的實(shí)際施工面積也在日益擴(kuò)大, 基坑深度已超過(guò)20m, 長(zhǎng)度達(dá)到幾百米, 施工量巨大。大力推動(dòng)城市的地下空間的開發(fā)利用(如地鐵、過(guò)江隧道、地下車庫(kù)、地下商城) 已成為國(guó)家的一項(xiàng)重要政策。

“十一五”期間, 國(guó)家在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城鎮(zhèn)化與城市化建設(shè)等方面將繼續(xù)加大投資力度, 各種工業(yè)與民用建筑向高、重、大方向發(fā)展, 建設(shè)任務(wù)繁多,施工現(xiàn)場(chǎng)和地質(zhì)水文條件也更為復(fù)雜, 這就要求基礎(chǔ)施工向大范圍、大深度、高承載力和高可靠性的方向發(fā)展。具有施工成本低、效率高、質(zhì)量好、振動(dòng)和噪聲污染小等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)深基坑支護(hù)用全液壓履帶式錨桿鉆機(jī)正是適應(yīng)這些要求而發(fā)展起來(lái)。

AMESim作為非常優(yōu)秀的仿真軟件, 為流體、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案。AMESim軟件非常適合液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)與元件的建模, 為液壓技術(shù)的創(chuàng)新研究和設(shè)計(jì)分析提供了很好的仿真平臺(tái)。本文作者應(yīng)用AMESim軟件對(duì)全液壓履帶式錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液控系統(tǒng)控制進(jìn)行了系統(tǒng)建模仿真, 得到了合理的設(shè)計(jì)計(jì)算和滿意的仿真結(jié)果。

1頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液壓控制回路的選擇

錨桿鉆機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)式頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置, 因此鉆機(jī)的雙動(dòng)力裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是考慮如何滿足整機(jī)的鉆孔工藝要求, 即鉆頭轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速都能在較大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié), 并能正、反方向回轉(zhuǎn)、功率損耗小等。液壓驅(qū)動(dòng)式鉆機(jī)動(dòng)力頭的動(dòng)力裝置采用液壓馬達(dá)加機(jī)械變速箱, 因此, 鉆頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié), 實(shí)際上是液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能, 錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液壓驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)采用“變量泵- 變量馬達(dá)”的容積調(diào)速變量系統(tǒng), 其工作原理是通過(guò)改變液壓系統(tǒng)中變量泵的排量或變量馬達(dá)的排量都可調(diào)節(jié)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)速度。

由于此回路中既可用變量泵調(diào)速, 又可用變量馬達(dá)調(diào)速, 因此要合理利用變量泵和變量馬達(dá)調(diào)速中各自的優(yōu)點(diǎn), 克服其缺點(diǎn), 以達(dá)到既可擴(kuò)大調(diào)速范圍(一般可達(dá)i = 100左右) , 又使其換向平穩(wěn), 一般采用分段調(diào)速的方法(第一階段為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,第二階段為恒功率調(diào)速) , 如圖1 所示。它沒(méi)有流量和壓力的損耗, 而且工作壓力隨負(fù)載變化而變化, 因此效率高、發(fā)熱小。它適用于大功率的場(chǎng)合, 如礦山機(jī)械、起重機(jī)械以及大型機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)。

圖1變量泵- 變量馬達(dá)容積調(diào)速回路工作特性曲線

2頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的工作原理

由圖2可知, 錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載傳感變量泵、溢流閥、高壓反饋?zhàn)兞狂R達(dá)、多路閥、壓力補(bǔ)償閥和蓄能器等組成。該系統(tǒng)由負(fù)載傳感變量泵和多路閥匹配構(gòu)成了負(fù)載傳感系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí), 主泵能根據(jù)負(fù)載的大小供給執(zhí)行元件所需要的流量, 沒(méi)有多余的流量輸出, 因而沒(méi)有溢流損失; 系統(tǒng)不工作時(shí), 主泵排量降至最小, 有效降低燃油消耗。

圖2 錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí), 液壓變量馬達(dá)1、7 的進(jìn)油腔與負(fù)載傳感變量泵4 的排油腔相通, 可通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥2的開啟壓力來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力。由于錨桿鉆機(jī)頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的負(fù)載一般都大于其它執(zhí)行機(jī)構(gòu), 在鉆進(jìn)某些特殊地層時(shí), 還可能導(dǎo)致嚴(yán)重超載, 因此必須限定動(dòng)力裝置的最大工作負(fù)載。所以, 溢流閥2在調(diào)整系統(tǒng)工作壓力的同時(shí), 實(shí)際上也限制了系統(tǒng)的最大工作壓力, 起到了“調(diào)壓- 限壓”的作用[ 1 ] 。

當(dāng)溢流閥2的調(diào)定壓力不變時(shí), 通過(guò)負(fù)載傳感器系統(tǒng), 可以調(diào)節(jié)液壓變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速大小, 即可以增加或減少液壓變量馬達(dá)1、7 的回油流量, 從而加快或降低鉆進(jìn)速度。為了保證分流的匹配, 增加了壓力補(bǔ)償閥6, 這樣能夠很好地保證不會(huì)因沖擊鉆頭或套筒鉆頭的轉(zhuǎn)矩突然增大, 而導(dǎo)致某一執(zhí)行元件處于不工作狀態(tài)。在這種情況下, 屬于恒功率鉆進(jìn), 通過(guò)改變液壓變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速, 加大或減小液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩, 有利于實(shí)現(xiàn)恒壓鉆進(jìn)。

因此圖2所示的液壓系統(tǒng), 能夠很好地滿足錨桿支護(hù)鉆孔工藝要求。

3 頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真

圖3的AMESim仿真模型是針對(duì)全履帶液壓錨桿鉆面頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置的液壓系統(tǒng)建立的, 考慮基于圖2所示的回路控制方法。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如表1所示; 由于不同的地質(zhì)條件, 負(fù)載的大小不同, 故采用兩種不同的地質(zhì)條件的負(fù)載進(jìn)行仿真分析, 如圖4所示。

圖3 頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMESim仿真模型圖

通過(guò)AMESim 系統(tǒng)仿真, 現(xiàn)對(duì)沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭(RL0121) 和套筒鉆頭(RL0122) 的轉(zhuǎn)速、變量馬達(dá)的輸出流量的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

從圖5、6中可以看出, 旋轉(zhuǎn)負(fù)載的轉(zhuǎn)速RL012121和RL012221 與RL012122 和RL012222 轉(zhuǎn)速分別為75 r /min 和71 r /min左右; 而液壓馬達(dá)的輸出流量均在92L /min左右。仿真結(jié)果體現(xiàn)了容積調(diào)速回路的恒功率控制特性。當(dāng)負(fù)載遇到某一特殊地質(zhì)條件, 負(fù)載突然增大, 而液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速降低, 保證液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩。故這種調(diào)節(jié)回路即有利于保證錨桿鉆機(jī)動(dòng)力裝置正常工作, 不會(huì)因負(fù)載增大或減小導(dǎo)致不動(dòng)作或產(chǎn)生溢流現(xiàn)象, 又可以提高工作效率。

4 結(jié)論

將AMESim應(yīng)用在錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真, 并以頂驅(qū)雙動(dòng)力裝置為實(shí)例進(jìn)行了建模仿真分析, 得到了合理的設(shè)計(jì)計(jì)算與滿意的系統(tǒng)控制效果。根據(jù)選定變量馬達(dá)和多路閥, 所設(shè)置的參數(shù)能夠很好滿足錨桿鉆機(jī)的使用要求, 從圖5、6可知, 當(dāng)在兩種不同地質(zhì)條件時(shí), 通過(guò)負(fù)載傳感系統(tǒng)的反饋, 降低或提高液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度, 而液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩也隨著升高或降低, 從而能夠很好地滿足錨桿鉆機(jī)在各種復(fù)雜工況下的使用要求。

參考文獻(xiàn)
【1】德強(qiáng). 鉆機(jī)設(shè)計(jì)[M ]. 武漢: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社, 1993110.
【2】付永領(lǐng), 祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模和仿真———從入門到精通[M ]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 200616.
【3】張?jiān)雒? 周華, 孫健, 楊華勇. 基于壓差控制的蓄能器壓力調(diào)節(jié)方法及其AMESim 仿真[ J ]. 機(jī)床與液壓, 2007, 35 (6) : 99 - 101.
【4】余佑官, 龔國(guó)芳, 胡國(guó)良. AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[ J ]. 液壓氣動(dòng)與密封, 2005(3) : 28 - 31