全液压伞钻液压系统设计与仿真.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０３３ 收稿日期 ２０１５－０２－２１ 作者简介 符爱红 （１９６６）， 女， 硕士， 副教授， 长期从事机械设计及制造方面的教学及研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｆａｈ＠ ｊｃｅｔ􀆱 ｅｄｕ􀆱 ｃｎ。 全液压伞钻液压系统设计与仿真 符爱红 （江苏工程职业技术学院机电工程学院， 江苏南通 ２２６００７） 摘要 针对全液压六臂伞钻能量损失较大的问题， 设计了负载敏感液压操控系统， 并建立了全液压伞钻负载敏感系统 ＡＭＥＳｉｍ 仿真模型， 仿真验证了系统的负载敏感性能以及回转回路的调速性能， 结果说明 负载敏感回路中流量与控制阀 开口量相关； 在多个负载同时工作时， 系统压力和流量均为负载敏感阀所调定的压力和流量， 验证了液压系统设计与参数 设置的合理性。 关键词 全液压伞钻； 负载敏感； ＡＭＥＳｉｍ 仿真 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０９９－４ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｕｍｂｒｅｌｌａ Ｄｒｉｌｌ ＦＵ Ａｉｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｔｏｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２６００７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒ ａ ｓｉｘ⁃ａｒｍ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｕｍｂｒｅｌｌａ ｄｒｉｌｌ， ｉｔｓ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｉｓ ｂｉｇ． Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａ ｌｏａｄ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ａｎｄ ｉｔｓ ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｎｅｓｓ ｔｏ ｌｏａｄ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ； ｗｈｅｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｏａｄｓ ｗｏｒｋ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｅｔ ｂｙ ｔｈｅ ｌｏａｄ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｖａｌｖｅ． Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ， ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｕｍｂｒｅｌｌａ ｄｒｉｌｌ； Ｌｏａｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ； ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 随着国内立井井筒施工技术的发展， 立井掘砌速 度是缩短矿井建设周期的关键因素。 伞钻作为井筒施 工开凿炮孔的关键设备， 其作业安全可靠， 凿岩速度 快， 辅助时间少， 可大大改善作业条件和提高立井井 筒掘进机械化水平［１－３］。 目前伞钻主要有两类 一类 是气动伞钻， 一类是液压伞钻。 国内广泛使用气动伞 钻， 全液压伞钻作为新型机型， 相对于气动伞钻有节 约能源、 凿岩效率高、 凿岩成本低、 作业环境好等优 点［３－４］， 因此对全液压伞钻的开发研制势在必行。 但是， 目前国内生产的液压伞钻问题较多， 难以 满足高效安全立井施工的需要。 主要表现在 伞钻液 压系统发热严重， 使用大量管路反复拆接、 效率低工 作量大， 同时整体结构质量偏重， 与全液压伞钻相配 套提升设备型号级别大， 造成设备使用费用较高， 同 时与液压伞钻配套的液压抓岩机也存在施工效率低等 问题。 针对全液压六臂伞钻能耗损失较大的问题， 设计 负载敏感液压系统， 并建立了 ＡＭＥＳｉｍ 仿真模型进行 验证， 旨在提高液压伞钻系统的性能， 提高操控方便 性和生产效率。 １ 液压系统设计 根据全液压伞钻液压系统特点， 将液压系统分为 凿岩回路 （冲击回转推进回路） 和油缸回路。 凿岩 回路为系统主要执行回路， 油缸回路起辅助作用， 为 钻架移动提供动力。 １􀆱 １ 油缸回路 图 １ 油缸回路 如图 １ 所示， 油缸回路为多路阀控制回路， 中位 Ｙ 型结构， 高压油口 Ｐ 中位封闭， 电磁阀 Ａ、 Ｂ 口通 低压， 回油箱， 各个油缸回路均有双向液压锁， 对油 缸起有效保压及定位作用。 另外， 大臂油缸和倾斜油 缸回路上均装有 ２ 个双向液压锁， 使伞钻钻臂打开过 程中， 钻架和推进器始终保持竖直向下位置， 以提高 钻臂调节效率。 由于油缸回路的总流量较小， 故直接 并联于凿岩回路， 由凿岩回路为系统提供所需的压力 和流量。 １􀆱 ２ 凿岩回路 如图 ２ 所示， 负载敏感多路阀共有 ３ 联， 分别控 制是凿岩机的冲击、 回转、 推进 ３ 个动作。 各联的压 力、 流量根据实际需求设置， 并取最高压力反馈至负 载敏感变量泵， 使变量泵提供负载所需的压力和流 量。 负载敏感多路阀是流量调节元件， 通过改变手柄 的角度， 可以调节各执行器的速度， 其中 Ｐ、 Ｔ 分别 为负载敏感多路阀进回油口， ＬＳ 为负荷传感反馈油 口， Ｙ、 Ｙ′为先导控制油泄油口。 图 ２ 凿岩回路 ２ 液压系统性能分析 全液压伞钻液压系统为负载敏感液压系统， 打破 了传统定量泵液压系统形式。 且该系统为单泵多执行 元件系统， 在液压系统运行过程中， 存在多个负载回 路， 且各个负载回路压力流量需求不同。 回转系统的负载主要由孔底的切削负载和回转钻 杆所需的负载组成。 回转负载跟地层岩石性质、 钻孔 直径、 钻进方法、 回转速度和孔底压力有关。 孔底压 力越大， 钻头切入深度越深， 负载转矩越大， 当孔底 压力大于一定值时， 会出现卡钻现象。 回转系统一个 工作循环包括 起动➝正常凿岩➝卡钻➝收钻。 起动 阶段负载逐渐上升， 卡钻阶段 （缓慢卡钻） 负载突 然升高， 收钻阶段马达带动钻杆需克服孔内岩石 阻力。 ２􀆱 １ 回转回路负载敏感系统 ＡＭＥＳｉｍ 仿真 全液压回转回路是典型的速度调节回路， 应用在 此全液压伞钻上的回转回路是负载敏感变量泵和定量 马达组成的容积变速， 其作用是为了扩大凿岩机回转 器输出转速的调整范围， 以适应不同工况需求。 回转 回路负载敏感系统模型如图 ３ 所示。 仿真参数设置 泵排量 ７１ ｍＬ／ ｒ， 转速 １ ４８０ ｒ／ ｍｉｎ； 马达排量 ２５０ ｍＬ／ ｒ， 转速 ２００ ｒ／ ｍｉｎ； 负载转 矩 ２５０ Ｎｍ； 安全阀压力 １６ ＭＰａ。 为使曲线变化比 例更为直观， 设定仿真时间为 ３０ ｓ。 （１） 负载敏感系统中， 负载敏感阀开度对马达 流量的影响。 具体仿 真 工 况 设 定 阀 最 大 流 量 设 定 为 ７０ Ｌ／ ｍｉｎ， 开口设定值为 ４０ ｍＡ 时， 阀完全打开， 全流 量输出。 图 ４ （ａ） 是多路阀开口信号， ｔ ＝ ０ ～ １０ ｓ， 开口量从关闭过渡到开口量的设定值， ｔ ＝ １０～ ２０ ｓ， 开口量保持不变； 图 ４ （ｂ） 是马达流量曲线。 可见， 随着阀开口量的增加， 马达的流量也相应增加， 且基 本不受负载的影响。 ００１机床与液压第 ４４ 卷 图 ３ 回转回路负载敏感模型 图 ４ 马达流量曲线 （２） 液压系统不同负载工况的性能 设定负载敏感阀阀口开度不变， 模拟负载变化情 况下泵和马达压力变化情况。 仿真时间设定为 ３０ ｓ， 分 ３ 个阶段 ０～１０ ｓ、 １０～２０ ｓ、 ２０～３０ ｓ， ３ 个时间 段中设定换向阀开口量均为 ３０ ｍＡ。 采用阶跃信号输 入方式， 根据负载工况， 分别设定负载扭矩信号为 ２２０、 ２８０、 ３５０ Ｎｍ， 以模拟不同负载下回转回路 液压系统性能， 得出仿真曲线如图 ５ 所示。 图 ５ 不同负载下回转回路仿真曲线 如图 ５ （ａ） 所示 马达进口压力随负载增加而 增加， 泵出口压力始终维持在比负载压力 （马达进 口） 高 １􀆱 ５ ＭＰａ 左右。 如图 ５ （ｂ） 所示 马达流量 在负载变化瞬间有下降趋势， 之后保持同一流量输 出， 输出流量与节流阀开度成正比。 节流口大小不 变， 负载改变， 马达转速不变， 保持了很好的速度刚 性。 根据现场凿岩机实际操作使用情况， 在正常凿岩 段， 回转回路压力为 ７ ～ ９ ＭＰａ， 这与回路仿真曲线 基本相符。 根据此仿真模型计算得到， 当回转压力设 定为 １６ ＭＰａ 时， 能克服最大扭矩为 ６００ Ｎｍ。 ２􀆱 ２ 多负载系统 ＡＭＥＳｉｍ 仿真 全液压伞钻回转回路液压系统为单泵输出同时带 动 ３ 个执行元件工作， 需探索 ３ 个执行元件在不同工 况下液压系统特性， 此处模拟各执行元件工况变化时 负载敏感系统整体动态响应特性， 由于凿岩机冲击器 模型较为复杂， 故将其简化为马达模型。 构建系统模 型如图 ６ 所示。 图 ６ 负载敏感液压系统仿真模型 模型参数设置 泵排量 ７１ ｍＬ／ ｒ， 转速 １ ４８０ ｒ／ ｍｉｎ； 马达排量 ２５０ ｍＬ／ ｒ； 负载转矩 ２５０ Ｎｍ； 安 全阀压力 １６ ＭＰａ； 马达 １ 负载敏感阀流量 ５０ Ｌ／ ｍｉｎ； 马达 ２ 负载敏感阀流量 ４０ Ｌ／ ｍｉｎ； 油缸负载敏感阀流 量 １０ Ｌ／ ｍｉｎ。 设定仿真工况为各个执行机构正常工 作， 设定马达 １ 和马达 ２ 的负载分别为 ３５０ 和 ２５０ Ｎｍ， 油缸负载为正常工作情况压力 ９ ｋＮ， 为使曲 线变化比例更为直观， 设定仿真时间为 ３ ｓ。 图 ７ （ａ） 是各个执行元件流量变化曲线。 由于 １０１第 ８ 期符爱红 全液压伞钻液压系统设计与仿真 仿真过程中系统负载建立过程与实际系统负载建立过 程有差异， 马达和油缸的流量在加载之初有负值现 象， 这是由于在模型中， 负载为给定值， 即先有负载 之后， 系统压力才建立起来。 各个执行元件流量在 ０􀆱 ０５ ｓ 后恢复稳定， 之后维持在各个负载敏感阀所 控制的流量范围之内。 图 ７ （ｂ） 是各个执行元件 压力变化曲线。 在系统压力建立初始， 有压力超调 现象， 后迅速恢复各个阀口调定压力值。 以上仿真 曲线为系统在正常工作情况下的压力流量曲线， 与 液压系统设计及参数设置相一致， 验证了系统设计 的合理性。 图 ７ 负载敏感系统系统仿真结果 ３ 结论 针对全液压伞钻能量损失较大的问题， 设计了全 液压伞钻负载敏感液压操控系统。 并通过对全液压伞 钻液压系统模型的仿真分析， 验证了系统的负载敏感 性能、 回转回路的调速性能， 结果说明 负载敏感回 路中流量与控制阀开口量相关； 在多个负载同时工作 时， 系统流量为各负载所调定流量， 系统压力为负载 敏感阀所设定压力。 通过仿真， 验证了系统设计的合 理性。 参考文献 ［１］ 何志清，李条．ＹＳＪＺ４􀆱 ８ 型全液压伞钻在平煤六矿北二 进风立井井筒施工中的应用［Ｊ］．建井技术，２００９（３） ３３－３４． ［２］ 李静，徐建方，岳振勇．全液压伞形钻架在立井井筒施工 中的应用［Ｊ］．中州煤炭，２０１０（１）５５－５６． ［３］ 龚维东，张小美．五臂液压伞钻的研制与应用［Ｊ］．能源 技术与管理，２０１０（１）１０９－１１０． ［４］ 程志彬，马传银，杨晓信．液压伞钻研制及其在立井硬 岩爆破施工中的应用［Ｊ］．建井技术，２０１０（１）３５－３８， ３４． （上接第 ８８ 页） ［３］ 陈海初，吴方义，张厚宝，等．基于 ＡＤＡＭＳ 的缓降救生器 仿真［Ｊ］．机械设计与研究，２０１４，３０（３）１２７－１３１． ［４］ 韦建军．离心摩擦式高楼逃生缓降器的研发［Ｊ］．制造业 自动化，２０１２，３４（２）９０－９２． ［５］ 兰自勉，钟清．一种逃生液压缓降器的设计［Ｊ］．液压与 气动，２０１２（１２）７－８． ［６］ 康辉，陈沫．高层逃生自救设备的研究与创新设计［Ｊ］． 机械设计，２０１４，３１（１２）７８－８１． ［７］ 王兴东，钟升，王强，等．往复式液压缓降装置的动态特 性仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（１）１４２－１４５． ［８］ 王立杰，宋飚，黄平，等．液压阻尼式高楼救生装置设计 ［Ｊ］．液压与气动，２０１１（２）４４－４６． ［９］ 兰杰，许颖．一种液压阻尼式高楼逃生装置的设计［Ｊ］． 机械工程师，２０１３（５）３０－３１． ［１０］ ＧＢ ２１９７６􀆱 ２⁃２０１２ 建筑火灾逃生避难器材［Ｓ］． （上接第 ９５ 页） 吸油管和补油管的壁厚为 ２􀆱 ５ ｍｍ； 高压管的壁 厚为 ４ ｍｍ， 选用 ２０ 号冷拔无缝钢管。 管接头联接螺 纹为 Ｍ６０２ ｍｍ， 在具体情况选用时还要考虑其他元 件的尺寸。 δ高压管＝ ２４􀆱 ５ ０􀆱 ０５７ ２ ５００ ４ ＝ ０􀆱 ００５ ６ ｍ ７ 系统性能验算 该系统不是很复杂， 压力损失验算可以忽略。 由 于工作时间较短， 功率使用合理， 功率损失较小， 所 以不必要进行系统温升的验算。 ８ 结论 系统性地以力伺服波浪补偿吊机的相关技术参数 为依据， 对其力伺服液压系统进行设计和液压元件选 型， 不足之处在于未进行系统性能验算。 参考文献 ［１］ 鄢华林，姜飞龙．海洋平台吊机波浪补偿系统研究［Ｊ］． 液压与气动，２０１１（２）２２－２５． ［２］ 鲁克明．深海采矿双波浪补偿系统自适应跟踪控制［Ｊ］． 船海工程，２０１１，４０（３）９４－９７． ［３］ 余建星，李红涛．高架索海上补给装置在小型船舶补给 上的应用［Ｊ］．海洋技术，２００５，２４（２）５９－６２． ［４］ 胡火焰，邓智勇，张浩立．潜水器吊放回收装置液压系统 设计［Ｊ］．液压与气动，２００９（８）５７－５９． ［５］ 成大先．液压控制机械设计手册（单行本）［Ｍ］．北京化 学工业出版社，２００４． ［６］ 张利平．液压传动系统 ［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２０１０． ［７］ 廖勇．波浪补偿起舰系统研究［Ｄ］．大连大连海事大学， ２０１０． ［８］ 李连升，刘绍球．液压伺服理论与实践［Ｍ］．北京国防 工业出版社，１９９０． ２０１机床与液压第 ４４ 卷