岩石滚刀工作台液压系统的设计与分析.pdf

De c．2 01 2 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i ne e r i n g Vo 1 ． 4 0 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 4 ． 0 2 2 De s i g n a n d S i mu l a t i o n f o r t h e Hy d r a u l i c S y s t e m o f t he Ro c k Di s c Cu t t e r Te s t ． Be d WU Yu h o u，S U N J i a n ，Z HANG Ke ，W ANG He ，S UN Ho n g，WANG C h a o S c h o o l o f T r f fi , cMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o u n d e r s t an d t h e r o c k b r e a k i n g me c h a n i s m o f t h e t u nn e l b o r i n g ma c h i n e T B M ， o p t i miz e t h e s t r u c t u r e o f d i s c c u t t e r ， i mp r o v e t h e r o c k b r e a k i n g e ff i c i e n c y ， e x t e n d s e r v i c e l if e o f d is c c u tt e r a n d d e c o r a t e t h e d i s t r i b u t i o n o f d i s c c u tte r o n Cu tt e r He a d b y e x p e r i me n t i n g， t h e h y d r a u l ic -- d r iv e n s y s t e m o f t h e r o c k d i s c c u tt e r t e s t - b e d i s d e s ig n e d a n d s i mu l a t e d i n t h is p a p er ，a n d t h e e ff e c t o f l o a d a n d f l o w r a t e o f h y d r a u l i c o i l i n t h is h y d r a u l ic s y s t e m o n c h a r a c t e r i s t ic s o f t h is t e s t b e d a r e a n a ly z e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h o r i z o n t a l mo v e me n t s p e e d o f t h e t e s t b e d is d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e f l o w r a t e，b u t t h e e ff e c t o f t h e lo a d o n t h is s p e e d c o u ld b e i g n o r e d；t h e d e l a y o f t h e mo v e me n t o f t h e t e s t - b e d a r e p r o p o rt i o n a l t o t h e l o a d．Th e s imu la t io n r e - s u it s o f h y d r a u l i c - d r i v e n s y s t e m o f t h e r o c k d i s c c u tt er t e s t - b e d a r e a c c u r a t e a n d t h e s e r e s u lt s a r e v e r y h e l p f u l t o o p t i mi z e t h e s t r u c t u r e o f t o o l s y s t e m a n d t o i mp r o v e t h e wo r k in g e ff i c i e n c y o f t h is t o o 1 ． K e y wo r d s TBM，t e s t - b e d，h y d r a u li c s y s t e m，s i mu la t io n Ro c k t u n n e l TBM i s a n e f f e c t i v e e q u i p me n t f o r t u n n e l c o n s t r u c t i o n ． T h e d i s c c u t t e r s a r e t h e ma i n t o o l s t o br e a k t he r o c k s o f a TBM． I n f a c t ．wh e n a t un n e l i s l o n g e r t h a n l 0KM ．t h e e ffic i e n c y o f b o rin g t u n n e l i n c r e a s e s g r e a t l y b y t u n n e l b o ri n g ma c h i n e [ 1 2 ] ．T h e t o o I s y s t e m i s o n e o f c ri t i c a l p a n s o f t h e r o c k t u n n e l b o rin g ma c h i ne．a nd i t i s a l s o t h e mo s t e x p e n s i v e p a rt s [ 3 5 ] ．I t i s s h o w e d b y ma n y a p p l i c a t i o n s t h a t t h e f a i l u r e o f t o o l s y s t e ms i s t h e ma i n for l n o f i t s f a i l u r e『 6 8] ．B e c a u s e o f i t s l a r g e v o l u me a n d h i g h c o s t ，t h e s t u d y o f r o c k b r e a k i n g me c h a n i s m a n d we a r p r i n c i pl e i s v e r y d i ffi c u l t i n t h e e x ． p e r i me n t a l t e s t s [ 9 ] ．A t p r e s e n t ， C o l o r a d o S t a t e U n i v e r s i t y．S e o u l Na t i o n a l Un i v e r s i t y．Ce n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y a n d a s ma l l n u mb e r o f u n i v e r s i t i e s h a v e t h i s R e c e i v e d2 0 1 20 81 1 L i a o n i n g P r o v i n c i a l D e p a r t m e n t o f E d u c a t i o n p r o j e c t s L S 2 0 1 0 1 2 9， L T 2 0 1 0 0 8 7 ， P r o g r a m f o r Mi n i s t r y o f H o u s i n g a n d U r b a n R u r al D e v e l o p me n t 2 0 1 0 一 k 8 - 5 ， 2 0 1 1 - k 8 8 ， S h e n y a n g T e c h n o l o g y B u r e a u p r o j e c t s F I O 一 2 3 4 - 4 - 0 0 } S U N J i a n ． E ma i I s u n j i a n 0 9 1 2 6 ． c o m． e a s y r o c k h o b t e s t e q u i p me n t [ 1 01 1 ] ．I n o u r l a b o r a t o r y，a n e w r o c k d i s c c u t t e r t e s t b e d i s de s i g n e d t o s t u d y t h e r o c k b r e a k i n g me c h a n i s m a n d w e a r me c h a n i s m o f t h e ho b．I n t h i s p a p e r，t h e h y d r a u l i c s y s t e m for t he d r i v i n g t e s t be n c h o f t h i s t e s t b e d i s de s i g n e d， a n d t h e c ha r a c t e ris t i c s o f t h i s h y d r a u l i c s y s t e m a r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s o f t h i s pa p e r a r e v e r y h e l p f u l f o r t h e s t ru c t u r e o pt i mi z a t i o n o f t o o l s y s t e m a n d t h e i mp r o v e me n t o f wo r k i n g e ffi c i e n c y． 1 ．Ro c k d i s c c u t t e r t e s t be d a n d t he hy - dr a u l i c - dr i v e n pr i nc i p l e o f i t s t e s t b e n c h T he r o c k d i s c c u t t e r t e s t b e d i n c l u d e s fla me w o r k．t e s t b e n c h a n d i t s h y d r a u l i c s y s t e m，a n d t o o l s y s t e m a n d i t s h y d r a u l i c s y s t e m a s s h o wn i n F i g ．1 ． Fi g ． 2 s h o ws t h e h y d r a u l i c s y s t e m t o d riv e t h e t e s t b e n c h mo v e me n t a l o ng h o riz o n di r e c t i o n． Th e h v ． d r a u l i c d riv i ng s y s t e m o f t h e t e s t b e n c h c o n s i s t s o f p i s t o n p u mp，e l e c t r o ma g n e t i s m- fl o o di n g v a l v e，p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e，t h e a c c u mu l a t o r ，7一 c o mb i n e d t y p e- p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n v a l v e，h y d r a u l i c c y l i nd e r ， W U Yu h o u．e t al De s i g n a n d S i mu l a t i o n f o r t h e Hy d r a u l i c S y s t e m o f t h e Ro c k Di s c C u t t e r T e s t ． B e d a n d s o o n ．T h e p i s t o n p u mp i s c o n s t a n t p o w e r a n d s l a n t i n g c o n s t a n t a x i a l pi s t o n pu mp． Th e r o t a t i o n s p e e d i s 1 4 0 mL ／ r a n d i t s p r e s s u r e i s 3 5 0 b a r ．S o l e n o i d v a l v e i s a n e l e c t r o ma g n e t i c r e l i e f v a l v e wi t h 2 0 s i z e ，a n d i t s p r e s s u r e i s 3 2 0 b a r ． P r o p o r t i o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e i s l o g i c a l c a r t ri d g e w i t h 5 0 s i z e ， 4 hi g h p r e s s u r e a c c u mu l a t o r s o f 4 0 L a r e us e d． 7- c o mb i n e d - t y p e - p r o p o r t i o n al- d i r e c t i o n v a l v e i s u s e d， t h e ‘ flo w r a t e o f e a c h v a l v e i s 21 0 L／ mi n， a n d t h e p r e s s u r e i s 3 2 0 b a r ． F i g ． 1 T h e r o c k d i s c c u t t e r t e s t b e d F i g ． 2 T h e h y d r a u l i c s y s t e m s c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e t e s t b e n c h T h e p i s t o n p u mp d r i v e n b y 7 5 k W mo t o r p u mp s h y d r a u l i c o i l i n t o 4 hi g h． p r e s s u r e a c c u mu l a t o r s ． W h e n t h e p r e s s u r e i n t h e h i g h p r e s s u r e a c c u mul a t o r r e a c h e s 2 5 0 b a r ，t h e p r o p o rti o n a l p r e s s ur e r e du c i n g v a l v e i s o p e n e d ．T h e h y d r a u l i c o i l i n h i g h p r e s s u r e a c c u mu l a t o r i s d ri v e n i n t o 7 - c o mb i n e d - t y p e -- p r o p o r - - t i o n a l d i r e c t i o n v a l v e ． Fi r s t l y， o n e o f t he s e 7 v a l v e s wi l l b e o pe n e d，t h e h y d r a u l i c o i l g o e s i n t o t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a t t h e f l o w r a t e o f 21 0 L ／mi n． S e c o n d l y，a n o t h e r t w o v a l v e s a r e o p e n e d a n d t h e fl o w r a t e o f h y d r a u l i c o i l r e a c h e s 6 3 0 l fmi n．Fi n all y，t h e r e s t o f f o u r v a l v e s a r e o p e n e d a n d t h e fl o w r a t e r e a - c h e s 1 4 7 0 L／ mi n． I t t a ke s o n l y 1 ．0 s t o o p e n a U t h e s e v a l v e s a n d ma k e s t h e t e s t b e n c h r e a c h 1 ． 6 2 6 m／ s ． Wh e n t h e me a s u r e d h y d r a u l i c c y l i n d e r h a s d r o v e 1 me t e r ， t h e p r o p o rti o n al p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e i s c l o s e d，a n d t h e p i s t o n p u mp p u mp s t h e h y - d r a u l i c o i l i n t o t h e h i g h - p r e s s u r e a c c u mu l a t o r u n t i l t h e p r e s s u r e r e a c h e s 2 5 0 b ar a g a i n ．Wh e n t h e t e s t b e n c h d e c r e a s e s i t s s p e e d t o z e r o， t h e o p p o s i t e p r o c e s s o f t h e h y d r a u l i c o i l wi t h i n t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s c a r r i e d o u t ． 2 ． S i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s 2． 1 ． The t o p ol og i c a l g r a ph o f t he hy dr au l i c s y s - t e m B a s e d t h e s c h e ma t i c o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e t e s t b e n c h a s s h o w n i n F i g ． ‘ 2，t h e t o p o l o g i c a l g r a p h i s p r e s e n t e d i n F i g ．3 t o d e v e l o p t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h i s h y d r a u l i c s y s t e m． F i g ． 3 T h e h y d r a u l i c s y s t e m t o p o l o g y ma p o f t h e t e s t b e n c h 2 ． 2 ． M a t h e ma t i c a l mo d e l T h e h y d r a u l i c s y s t e m i s d i v i d e d i n t o t h r e e p a rt s i n Fi g ．3 b y t h e r e q u i r e me n t o f ma t h e ma t i c a l mo d e 1 ． 2． 2． 1． M o de l o f pr o p or t i o na l r e l i e f v a l v e I n t h e h y d r a u l i c s y s t e m，i f t h e d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c o f t h i s pr o po rti o n al r e l i e f v alv e i s i g n o r e d a t the t i me o f o p e n i n g，t h e fl o w e q u a t i o n c o u l d b e wri t t e n as qG 2 P 。 ～P ， 1 W he r e，P1 a n d P，a r e t h e i n p u t p r e s s u r e a n d p r e s s u r e o f t h e r e l i e f v a l v e， r e s pe c t i v e l y； G2 L i q u i d Ra t e o f t h e r e l i e f v alv e ；q i s t h e fl o w h y d r a u l i c o i l ． s e t t l i n g i s t h e r a t e o f Th e e q ua t i o n o f mo t i o n for t h e c o r e o f r e l i e f v a l v e i s writ t e n a s ， ” P 1 一P 2 A 一 2 Wh e r e，m a n d a r e t h e q u ali t y a n d t h e d i s p l a c e - me n t o f t h e v a l v e c o r e；P 1 a n d P 2 a r e t h e i n p u t a n d o u t p u t p r e s s u r e o f t h e r e l i e f v a l v e ； a n d a r e t h e s t i f f n e s s a n d P r e - c o mp r e s s i o n o f t h e s p ri n g；K v a n d are t h e t r a n s i e n t h y d r o d y n a mi c c o e ffic i e n t a n d the s t i c k i n e s s da mpi ng c o e 伍 c i e n t ． 1 l 6 Hy d r o me c h a t r o n i c s E n g i n e e ri n g 2 ． 2 ． 2 ． M o d e l o f r e v e r s i n g T h e e q u a t i o n o f mo t i o n i n g v a l v e i s d r a w n a s v a l ve f o r t h e c o r e o f t h e r e v e r s ． m B 8 f K R 3 Wh e r e ，F i s t h e e l e c t r o ma g n e t i c f o r c e o f t h e v a l v e c o r e ；m a n d a r e t h e q u a l i t y a n d t h e d i s p l a c e me n t o f t h e v a l v e c o r e；B ， ．a n d B， a r e t h e t r a n s i e n t h y d r o d y ． n a mi c e o e f f i c i e n t a n d t h e s t i c k i ne s s d a mp i n g c o e f f i ． c i e n t ；R i s t h e c o u l o mb f r i c t i o n ． Aft e r t h e s o l e n o i d v a l v e i n v e rt e d． t h e fl o w e q u a ． t i o n c o u l d b e d r a wn a s q Cd A 、 Wh e r e，C d a n d A a r e t h e d i s c h a r g e C 一P 2 4 f a c t o r a n d t h e s i z e o f t h e v a l v e p o r t ； pi s t h e d e ns i t y o f l i q u i d． 2． 2 ． 3． M od e l o f h y dr a u l i c c y l i nd e r T h e e q u a t i o n o f mo t i o n for t h e p i s t o n o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r c o u l d b e w ri t t e n a s P 1 A - f 一∑R m x ” V1 p 5 W h e r e，A a n d A a r e t h e a r e a o f t h e c y l i n d e r wi t h p i s t o n r o d a n d t h e a r e a o f t h e p i s t o n r o d ；2R i s t h e f ric t i o n a l r e s i s t a n c e；q1 a n d q 2 a r e t he i n pu t flo w r a t e a n d t h e o u t p u t flo w r a t e o f t h e h y d r a u l i c o i l ；V1 a n d a r e t h e i n p u t v o l u me a n d t h e o u t p u t v o l ume o f t h e h y d r a ul i c c y l i n d e r ． 2 ． 3 ． An 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 Ma t l a b ／ S i mu l i n k s o f t wa r e p a c k a g e i s u s e d t o s i mul a t e t h i s h y d r a u l i c s y s t e m． F i g ． 4 s h o ws t h e r e s p o n s e c ha r a c t e r i s t i c o f fl o w o f 7． c o mbi n e d． t y pe d v a l v e ． I t i s n o t e d t h a t t h e r e ． s p o n s e c h a r a c t e ris t i c o f 7． c o mb i n e d t y p e d ． v a l v e i s s a t i s fie d for t he e x p e rime n t ． I t s o u t p u t c o u l d b e a d ． i u s t e d b e t w e e n 0 a n d 0 ． 0 2 4 5 m ／ s b y i n c r e a me n t o f 0． 0 03 5 m ／s ． F i g ． 5 s ho ws t h e r e s p o ns e o f t h e s p e e d o f t e s t b e n c h o n t h e flo w r a t e o f h y d r a u l i c o i l ．Th e e q ua t i o n o f s t a t i c s p e e d o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r c o u l d b e o b t a i n e d a s f o l l o ws q A ， 一 4 q 叼 竹 D 一d 。 7 I t i s n o t e d t h a t t h e mo v e me n t s p e e d o f t e s t b e n c h i s d e t e r mi n e d b y t h e fl o w r a t e o f h y d r a u l i c o i l ，a n d t h e pr o p o i o n a l r e l a t i o n s h i p e x i t s b e t we e n t h e m．Th e f o l l o wi n g t w o fi g u r e s s h o w t h a t t h e i n p u t f l o w a n d t h e o u t p u t s p e e d a r e b o t h a t t h e s a me r e s p o n s e，t h e r e ． s p o n s e o f ma x i mu m s p e e d a n d ma x i mu m fl o w o n t h e t i me a r e s a me i n t h e c o n t e x t o f a d e l a y ．T h e t i me ． d e ． 1 a y b e t w e e n i n p u t a n d o u t p u t i s a b o u t 0 ． 2 s e c o n d s ． T h e ma x i mu m s p e e d o f t e s t b e n c h c o u l d b e r e a c h e d t o 1 ． 6 2 6 m／ s b y 0 ． 6 s e c o n d s ． 0 ． o 2 5 O ． o 2 0 0 ．0l 5 0 ．01 0 O ．o o 5 O 0． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 5 3 0 3 5 t ／ s F i g ． 4 fl o w r a t e c o n t r o l o f 7 - c o mb i n e d t y p e p r o p o r t i o n a l -d i r e c t i o n - v alv e l 1 ． 6 1 ． 4 1 ． 2 1 ． O 0- 8 0． 6 0． 4 0． 2 0 0． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 2． 5 3 O 3 5 t ／ s F i g ． 5 t h e r e s p o n s e o f t h e s p e e d o f t e s t b e n c h o n t h e f l o w r a t e o f h y d r a u l i c o i l Ch a ng e t h e wo r k i n g s t a t e o f 7- c o mbi n e d- t y p e p r o p o r t i o n a 1 ．． d i r e c t i o n．． v a l v e a n d c o n d u c t a n o t h e r s i m．． u l a t i o n．T he ma x i mu m v a l u e o f t h e o u t p u t i s c ha n g e d f r o m 0． 02 4 5 m ／s t o 0． 0 21 m ／s．a n d t h e r e s u l t s a r e s h o wn i n F i g ． 6 a n d F i g ． 7． I t i s n o t e d t h a t t h e t i me ． d e l a y b e t we e n i n p u t a n d o u t pu t i s a b o ut 0．2 s e c o n d s ．Th e ma x i mu m s pe e d o f t e s t b e n c h c o u l d b e r e a c he d t o 1． 3 9 3 m／s b y 0． 6 s e c o n d s ． F i g ． 8，F i g ． 9 a n d Fi g． 1 0 s h o w t he r e s p o n s e o f t he s p e e d o f t h e t e s t b e n c h o n t h e flo w