鉆機負載敏感回轉液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真分析

李 晴

(中煤科工集團西安研究院， 陜西 西安 710077)

0 引 言

全液壓鉆機由于具有結構緊湊、傳動平穩(wěn)、操縱簡單以及容易實現(xiàn)無級變速等優(yōu)點，在工程施工、地質勘探、瓦斯抽采等領域得到了廣泛應用.國內鉆機目前大多采用傳統(tǒng)的定量泵+溢流閥的閥控液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)油液溫度容易升高，能量損失較為嚴重，因而有逐漸被具有節(jié)能性的新型液壓控制系統(tǒng)取代的趨勢.目前全液壓鉆機中采用的節(jié)能控制系統(tǒng)一般為負載敏感液壓系統(tǒng)，因此對液壓傳動與控制系統(tǒng)進行動態(tài)特性研究，了解和掌握系統(tǒng)的動態(tài)工作特性和參數(shù)變化，進一步改進和完善系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的工作可靠性及響應特性是非常必要的.

1 鉆機負載敏感液壓系統(tǒng)

履帶鉆機的回轉系統(tǒng)采用負載敏感液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理圖如圖1所示.

圖1 ZDY1200L履帶鉆機回轉回路原理圖

該系統(tǒng)采用最大排量為41 mL/r的負載敏感泵，配套使用負載敏感閥，為回轉系統(tǒng)提供動力，并控制系統(tǒng)運轉.原理圖中為了研究問題的方便，將控制回路進行了簡化.其基本原理是通過節(jié)流閥前后的壓差控制負載敏感閥來調節(jié)泵的流量輸出，而不僅受負載壓力變化的影響；泵的出口壓力僅比負載壓力高出一定值(該壓差值通常為0.7～2.1 MPa)，在最高限壓范圍內能自動適應負載的變化.液壓泵只需提供與執(zhí)行元件負載相匹配的壓力、流量，液壓系統(tǒng)中不產(chǎn)生過剩壓力和過剩流量，因而系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果.

2 負載敏感泵建模

AMESim(Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of engineering systems)是法國Imagine公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析軟件，它為用戶提供了一個時域仿真建模環(huán)境，可使用已有的模型或建立新的子模型元件，構建優(yōu)化設計所需要的實際模型；采用易于識別的標準ISO圖標和簡單直觀的多端口框圖；方便用戶建立復雜系統(tǒng)及用戶所需的特定應用實例；可修改模型和仿真參數(shù)，進行穩(wěn)態(tài)及動態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結果.界面比較友好、操作比較方便.本文選用AMESim軟件對系統(tǒng)進行建模仿真.

圖2 負載敏感泵原理圖

該鉆機回轉系統(tǒng)采用型號為PVT20的負載敏感泵作為動力源，泵的系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

PVT20泵的最大排量為41 mL/r，壓力設定為210 bar.圖3為負載敏感閥的結構模型和AMESim仿真模型，而后采用AMESim中的Hydraulic庫、Mechanical庫和HCD庫建立負載敏感回路的模型.

3 回轉液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析

鉆機在工作過程中，變量馬達通過變速箱減速機構減速后，將動力傳遞給主軸.鉆桿裝入主軸通孔后，卡盤夾緊鉆桿，隨同主軸一同轉動，從而實現(xiàn)鉆桿回轉.鉆機的回轉液壓系統(tǒng)采用了負載敏感系統(tǒng)，額定轉矩為1 200 N·m.本次仿真設置其負載為500～1 000 N·m，研究回轉回路對典型負載工況的動態(tài)特性.

圖3 負載敏感閥的原理圖

回轉回路的仿真時，依據(jù)PVT20型負載敏感泵的原理對其進行建模，負載敏感閥則使用節(jié)流口進行模擬，其出口連接馬達回轉測試回路，其仿真模型如圖4所示.仿真時考慮了100 m鉆桿，其參數(shù)均按照實際參數(shù)設置.

圖4 回轉回路的仿真模型

在AMESim中仿真運行，方向控制閥為O型，仿真開始10 s后將換向閥推向右位.輸出相應的結果，圖5給出了負載摩擦力矩的變化曲線，圖6為泵口壓力與馬達入口壓力的變化曲線，圖7為負載敏感泵斜盤位置變化曲線，圖8為泵出口流量的變化曲線.

由分析結果可知，在圖5所示的負載摩擦力矩的作用下，系統(tǒng)壓力發(fā)生明顯變化，且壓力變化趨勢符合負載摩擦力矩變化趨勢，泵口壓力與馬達入口壓力變化曲線如圖6所示，泵出口壓力始終與負載壓力有一定差值；通過圖7、8可以看到，正常工況工作過程中液壓泵的斜盤始終在動態(tài)調整，保證正常工況下出口流量基本保持恒定.這些特性反映了負載敏感液壓系統(tǒng)的壓力流量的動態(tài)特性，即泵出口壓力始終與負載壓力相適應，且負載壓力高出某一恒定值，不受負載壓力變化的影響，具有明顯的節(jié)能效果.

圖5 負載摩擦力矩變化曲線 圖6 泵口壓力與馬達入口壓力變化曲線

圖7 泵斜盤變化曲線 圖8 泵出口的流量變化曲線

4 結束語

通過對回轉回路液壓系統(tǒng)典型工況下的動態(tài)仿真分析，可以看出在不同負載摩擦力矩的作用下，系統(tǒng)壓力發(fā)生變化，系統(tǒng)壓力變化適應負載變化，負載感應明顯，減少了液壓系統(tǒng)的能量損失，達到了節(jié)能的目的.研究負載敏感液壓系統(tǒng)在此工況下的動態(tài)特性，可以很好地了解鉆機在工作過程中的動態(tài)響應，為后續(xù)的鉆機液壓系統(tǒng)設計工作提供理論依據(jù).

參考文獻

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