旋挖钻机浮动工况液压冲击的分析与解决措施.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 3 旋挖钻机浮动工况液压冲击的分析与解决措施 李艳利 ， 刘志奇 ， 郝晓晗 ， 董 朋 。 1 ． 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 山东 山推机械有限公司， 山东 济宁2 7 2 0 7 3 ； 3 ． 燕山大学 机械工程学院， 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要 以旋挖钻机为研究对象 ， 在分析旋挖钻机浮动工况 的基 础上探讨了该工况下液压 冲击 的成 因， 应用 A M E S i m软件进行建模仿 真分析研究 ， 通过仿真结果证实 了此压力冲击的存在 ， 并 由仿真结果对 比分析提出了一种 缓解此液压 冲击的有效方法。 关键词 旋挖钻 ； 浮动工况 ； 液压冲击 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 0 0 2 7 0 3 Th e An a l y s i s a n d S o l ut i on o f Hyd r a u l i c I mp a c t f o r Rot a r y Dr i l l i n g Ri g F l uc t u a t i n g Co n d i t i o n L I Y o n l i ，L I U Z h i - q i l , HA 0 Xi a o - h a n 2 , DO NG P e n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g S h a n t u i Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， J i n i n g 2 7 2 0 7 3， C h i n a ； 3 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Y a n S h a n U n i v e r s i t y ， Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a A b s t r a c t T a k e r o t a r y d ri l l i n g ri g a s s t u d y o b j e c t ，t h e c a u s e s o f h y d r a u l i c i m p a c t w e r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e fl u c t u a t i n g w o r k c o n d i t i o n a n a l y s i s ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r a u l i c r o t a ry d ri l l i n g r i g w h e n i t w0 r k s o n t h e fl u c t u a t i n g wo r k c o n d i t i o n h a s b e e n b u i l t b y u s i n g AMES i m s o f t wa r e ． T h r o u g h a n a l y s i s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， t h e e x i s t e n c e o f h y d r a u l i c i mp a c t wh e n wo r k i n g o n t h e fl u c t u a t i n g w o r k c o n d i t i o n wa s t e s t i f i e d a n d a n a v a i l a b l e a c c e s s t o s o l v i n g t h i s h y d r a u l i c i mp a c t h a s b e e n a c q u i r e d ． Ke y wo r d s r o t a r y d ril l i n g ri g； fl u c t u a t i n g c o n d i t i o n； h y d r a u l i c i mp a c t ； s i mu l a t i o n O 引言 旋挖钻机是用于大型桩基工程建设中的一种钻孔 设备 ， 主要用 于完成深基础桩的钻孔作业 ， 孔深可达数 十米 ， 主要应用在高速铁路 、 地铁 、 高层建筑等灌注桩 基建设中。旋挖钻机具有装机功率大 、 输 出扭矩大 、 机 动灵活、 噪声小 、 污染小 、 钻孑 L 效率高等优点 ， 是 目前世 界最先进的灌注桩基钻孔设备。 旋挖钻机钻杆下放的最后 2 ～ 3 m， 不适用主卷正常 下放操作。因为最后 2 ～ 3 m属于塌方沉积区， 其测深数 据往往不准确 ， 如果贸然高速下放主卷 ， 容易造成钢丝 绳乱绳的情况。 这个时候需要启动钻机浮动工况。 浮动 工况是给浮动电磁换向阀通 电，使主卷扬马达的进 出 口直 接相 通 ， 主卷 扬 马达 不再 向外 输 出大 的扭 矩 ， 这 样 可 以实现动力头钻进时钻杆的 自动跟进 。不至于造成 钢丝绳乱绳的情况 ，所以浮动工况是旋挖钻机一个不 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 6 作者 简介 李艳 利 1 9 8 8 一 ， 女 ， 陕西成 阳人 ， 硕士研 究生 ， 现从 事流体 传 动与控制方 面的科学研究 。 可缺少的短时工况。但实际中浮动工况下经常出现接 头和阀块脱离 、软管压接处裂开以及电磁 阀阀芯断裂 等问题 ， 这些问题严重时会导致钻头下落 ． 对作业人员 的人身安全造成极大威胁 ，施工进度也会因此受到极 大影响 ， 所 以这些问题的研究解决十分必要。通过现场 调查和分析得知这些问题 的产生究其根源应该说是因 为旋挖钻机在浮动工况下产生的大的液压冲击所造成 的。本论文分析了该浮动冲击产生的原因 ． 并通过建立 A ME S i m仿真模型和对仿真结果进行分析． 提出了一种 解决此冲击 问题的有效方法。 1 浮动工况下液压冲击的分析 浮 动工 况是为实现 动力头钻 进时钻杆 的 自动跟 进 ，使主卷扬马达短时不受来 自油源的液压力驱动的 一 个工作状态 ，所 以浮动工况是针对 主卷扬马达提出 的。 主卷扬马达部分液压原理图如图 1 所示。 系统 中双 向变量泵 3为系统提供压力油 ， 2为辅助泵，其输 出的 压力油用来控制制动器的制动或者断开。 7为主卷扬马 达 ， 其输 出转矩经减速器 1 0后传给主卷扬 9以决定钻 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 O 3期 机的钻杆及钻 头的工作状态。系统中 6是一个带二次 溢流的平衡阀 ， 钻杆下放过程中有保护系统的作用 。 l 一油 箱2 一辅 助 泵3 一 主 泉4、 5 -电磁 抉 向 阀6 一平 衡 阀 7 一 主卷扬马达8 一 制动器9 一 主卷扬 l o - 减速器】 1 一 钻杆及 钻头 图 1 主卷扬马达部分液压原理 图 液压泵 3处于正常工作状态时 ，若电磁 阀 4工作 于下位 ，则主泵 口出来 的油液直接经过平衡 阀 6中的 换向阀的上位直接进入主卷扬马达 7 ， 从主卷扬流 出的 油液经电磁阀 4回到油箱 ， 此过程 中辅助泵不供油 ， 主 卷扬马达作用使钻头及钻杆部分处于上升工作状态。 若电磁阀 4工作于上位 ， 当电磁阀 5 即浮动阀 没 有通电时 ，主泵 口出来 的油液流经电磁 阀 4后直接进 人主卷扬马达 7 ， 同时有一部分油液会作为控制油液到 达平衡 阀 6中液控换 向阀的控制腔 ，推动平衡 阀 6中 的换 向阀工作于下位 。 从主马达流出的油液经平衡阀 6 中的换 向阀的下位回到油箱 。平衡阀 6中的换 向阀下 位工作时可以控制油液压力大小 ．通过更换具有不同 节流口大小的阀芯可以最终调节卷扬下放速度。 当给电磁 阀 5通 电，同时辅助泵供油打开制动器 时 ．泵 口出来 的油液经过电磁 阀 4之后会直接作用于 主卷扬 马达的进 出油 口，此工作状态为旋挖钻机 的浮 动工作状态 ， 此时会出现特别大 的液压冲击。 浮动工况下主卷扬马达部分的液压原理图简化后 如图 2所示 ， 浮动功能的实现是通过打开 Y 2 7电磁 阀， 即接通马达 A、 B口，以实现动力头钻进时钻杆 的 自动 跟 进 浮动时外部油源提供 压力打开制动 广 一 浮动时 电磁 阀Y 2 7 打开 图 2 浮动工况主卷扬马达液压原理简化 图 浮动时液压 冲击的解释 马达的能量源是钻杆的 拉力 ， 也可以说是钻头和钻杆的重力拉动马达旋转 ， 马 达此刻处于泵 的工况 ．从其一侧管道吸油一侧管道压 油 ， 被吸油一侧的管道内压力减小 ， 压油侧管道 内油液 28 压力升高但又无法排 出、 无处释放。动力头和钻杆 的重 量大概有 1 6 t ， 瞬时冲力会很大。由于是重力提供动力 ， 所 以会有不稳定 的液压冲击 ， 波动 比较大。对于软管和 阀体来说 ， 这是一个不好的工况 。 2 A ME S i m仿真模型的建立和仿真结果 分析 在 A ME S i m中建立模型 ，可 以直接从 A ME S i m组 件库 中选取组件的模型 ，如果 A ME S i m组件库 中没有 合适 的组件模型 ， 需要利用 H C D库中的模型搭建 自己 所需要的组件。根据上述主卷扬液压系统原理及浮动 工况下原理 的分析 ，在 A ME S i m环境下建立 的浮动工 况下主卷扬马达工作时液压仿真模型如 图 3所示 。仿 真模型基本参数表见表 1 。 图 3 旋挖钻机浮动工况主卷扬 系统仿真模型 表 1 AME S i m仿真模型基本参数 仿真分析发现二位二通 电磁换 向阀接通瞬间 ， 在 其出油 口 A处会瞬间出现高达 2 5 MP a左右的压力 ． 阀 口A处压力仿真曲线见图 4 。 这一突发压力的出现很好 地解释 了为什么会 经常瞬间出现接头和阀块脱离 、 软 管压接处裂开以及电磁阀阀芯断裂等现象 。 为解决这些 问题 。经过很多次尝试后发现 当在此 二位二通 电磁换 向阀出油 口 A处增加一个阻尼时 ， 由 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 3 A口压力仿真曲线可以看到系统 中出现的液压 冲击得 到了很好的缓解 。添加阻尼前后的系统 A ME S i m仿真 模型及 A口仿真压力曲线见图 4 。 急 收 出 口 a 添加阻尼前 卷扬 系统 浮动工况 A ME S i m仿真模型及 A 口压力仿真曲线 高 出 口 时 间／ s b 添加阻尼后卷扬系统浮动工 况 A ME S i m仿真模型及 A 口压力仿 真曲线 图 4系统 AME S i m 仿真模 型及 A 口仿真压力 曲线 为了探究阻尼孔 的合理尺寸 ，对仿真模型 中的阻 尼孔的直径大小进行 了多次调整 ．记录阻尼孔不同直 径时系统压力峰值 的变化 ，选取其中几个点绘制 图 5 。 由图 5可以看出当在阀口A处增加一直径为 2 ． 5 ra m 的 阻尼孑 L 时 ， 液压冲击最小 。 要 是 图5不 同 阻尼 亘 径 时 A 口压 力 峰 值 记 录 图 3 结论 1 旋挖钻机浮动工况的开启 可以实现动力头钻 进时钻杆 的自动跟进 ， 不至于造成钢丝绳乱绳的情况 ， 所 以浮动工况是旋挖钻机一个不可缺少 的短 时工况 。 但是浮动工况下会 出现大的液压冲击 ，损 害设备 、 元 件 ， 影响施工效率 ， 对施工人员的人身安全造成威胁 ； 2 浮动工况下 ， 主卷扬马达一块 构成 闭式 系统 ， 重力作用带动马达旋转 ， 马达工作于泵工况 。 所以出现 了大的液压冲击 3 通 过仿真 提出了减小此液压 冲击的一种有效 方法 ，即在马达进油 口一侧安装一个合适的节 流阀可 以减缓此冲击 ，该方案在 山东山推机械有限公 司生产 的旋挖钻机上 已得到推广应用 ，已经基本解决 了旋挖 钻机作业过程中出现的接头和阀块脱离 、软管压接处 裂开 以及电磁阀阀芯断裂等问题 。减小 了旋挖钻机的 故障概率 ， 对 于旋挖钻机的推广应用具有重要意义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李永堂， 雷 步芳， 高雨茁， 等． 液压 系统 建模 与仿 真【 M】 ． 北京 冶 金工业 出版社． 2 0 0 3 ． [ 2 】 沈锋， 张立新． 全液压旋挖 钻机液压 系统 设计与分 析f J 1 ． 建 筑 机械， 2 0 0 5 ， f 4 1 7 8 7 9 ． [ 3 】 王兴刚， 李 来平． 旋挖钻机 主卷扬 的三种 控制系统 [ J ] ． 工程 机 械与维修， 2 0 0 8 ， f 1 1 1 8 3 1 8 4 ． I 4 1 石广远， 段轶群． 大型旋挖钻机 的设计与研究[ D I ． 哈尔滨 哈尔 滨理工大学， 2 0 1 0 ． 【 5 】 付永玲， 祁晓野． A ME S i m系统建模与仿真一 从入 门到精通【 M 】 ． 北 京 北京航空航 天大学 出版社。 2 0 0 6 ． [ 6 】 尚刚， 权龙 ． 基 于 A M E S i m 的挖 掘机 回转 液压 系统 的仿 真分 析【 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 5 i 4 9 5 1 ． 【 7 】 G B T 2 1 6 8 2 2 0 0 8 ， 旋挖钻 机中华人 民共和国国家标准【 S 】 ． [ 8 】 官忠范． 液压传动系统[ M】 ． 沈阳 沈阳工业 出版社， 2 0 0 4 ． [ 9 1 刘海 丽， 李 华聪． 液压机 械系统建模 仿真 软件 A ME S i m 及其 应用【 J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 6 1 6 4 1 6 6 ．