基于AMESim軟件對雙輪銑槽機(jī)銑削頭模擬分析*

關(guān)麗杰，劉會來，郜云波

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展，大量地下建筑和地下鐵道等投入建設(shè)，液壓雙輪銑槽機(jī)作為最先進(jìn)的連續(xù)墻施工設(shè)備，具有很高安全、環(huán)保和節(jié)能性能，可大幅降低噪聲和振動的危害。研發(fā)液壓雙輪銑槽機(jī)可以提升地基基礎(chǔ)施工裝備行業(yè)產(chǎn)品等級，快速推進(jìn)地基基礎(chǔ)施工裝備的發(fā)展。雙輪銑槽機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計，因此雙輪銑槽機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 銑削頭的結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計

銑削頭是液壓雙輪銑槽機(jī)最重要的組成部分。它主要是由銑削鼓、減震器、銑輪、泥漿泵等幾部分組成，如圖1所示［1］。

銑削頭驅(qū)動系統(tǒng)液壓原理如圖2所示，液壓系統(tǒng)中采用三個變量泵分別驅(qū)動銑削輪雙向變量馬達(dá)和泥漿泵定量馬達(dá)的驅(qū)動方式。變量泵1為泥漿泵馬達(dá)供油，變量泵2和變量泵3分別為左右雙銑輪驅(qū)動馬達(dá)供油。泥漿泵液壓系統(tǒng)通過改變變量泵1的流量來改變泥漿泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而改變泥漿泵的流量。雙銑輪液壓系統(tǒng)以變量泵調(diào)速為主變量馬達(dá)調(diào)速為輔來調(diào)節(jié)雙銑輪的切削速度。變量泵2與變量泵3提供的高壓油經(jīng)多路閥4流入銑削輪變量馬達(dá)10，在變量馬達(dá)內(nèi)裝有平衡閥11防止系統(tǒng)壓力過高對馬達(dá)造成損壞。兩銑削輪驅(qū)動馬達(dá)的高壓油經(jīng)梭閥12流入集成閥13，并且將壓力信號反饋給變量馬達(dá)的流量控制閥14來調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量;同時高壓油驅(qū)動變量馬達(dá)10帶動減速機(jī)驅(qū)動切削輪旋轉(zhuǎn)。泥漿泵液壓系統(tǒng)，變量泵1提供的高壓油經(jīng)溢流壓力控制閥7，直接流入泥漿泵馬達(dá)9。安裝在馬達(dá)外側(cè)的單向閥并聯(lián)在馬達(dá)進(jìn)出油路上，當(dāng)泥漿泵不供油時可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動。

圖1 銑削頭結(jié)構(gòu)圖

圖2 液壓原理圖1、2、3.變量泵 4.多路閥 5.過濾器 6.單向閥 7.溢流壓力控制閥 8.分路閥 9.泥漿泵馬達(dá) 10.變量馬達(dá) 11.平衡閥12.梭閥 13.集成閥 14.流量控制閥

該系統(tǒng)最主要的部分是雙銑輪能根據(jù)地層的軟硬程度進(jìn)行自適應(yīng)控制，使系統(tǒng)壓力始終處于一個系統(tǒng)效率較高的區(qū)域內(nèi)。由于地層差異較大，需要雙銑輪在較軟地層施工時高速切削，在較硬地層時實(shí)現(xiàn)低速大扭矩切削。即銑削液壓驅(qū)動系統(tǒng)如何根據(jù)外界負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)切削速度與之適應(yīng)。液壓驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、變量液壓泵、變量液壓馬達(dá)組成。由于采用變量泵變量馬達(dá)調(diào)速方式，可實(shí)現(xiàn)銑削輪的轉(zhuǎn)速控制、扭矩控制和方向控制。

2 銑削系統(tǒng)仿真

由于雙輪銑槽機(jī)在施工過程中往往會遇到不同土質(zhì)狀況，因而銑削輪的切削力矩及轉(zhuǎn)速變化也很大，銑削輪的驅(qū)動工況很復(fù)雜。銑削輪液壓驅(qū)動通常需要解決的問題是:土質(zhì)條件不變時，即使銑削輪外載有較大的變化，銑削輪轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定;土質(zhì)條件改變時，銑削輪轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)。現(xiàn)將系統(tǒng)工作壓力設(shè)為30 MPa，雙銑輪的最大轉(zhuǎn)速定位為25 r/min，轉(zhuǎn)速在14 r/min以下采用恒扭矩調(diào)速模式，在14～25 r/min之間采用恒功率調(diào)速［2］。

對圖3中所設(shè)計的單個銑削輪驅(qū)動液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，在AMESim中建立系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示，分析銑削輪的轉(zhuǎn)速特性。

仿真過程中銑削輪馬達(dá)力矩加載按下式計算:

式中:Ma為空載啟動時折算到馬達(dá)軸上的加速力矩，N·m;Mf為折算到馬達(dá)軸上的摩擦力矩，N·m;Mat為切削時折算到馬達(dá)軸上的加速力矩，N·m;Mt為折算到馬達(dá)軸上的切削負(fù)載力矩，N·m。

下面對銑削輪因地質(zhì)變化調(diào)速工況、外載變化工況進(jìn)行仿真分析［3］。

圖3 單個銑削輪仿真模型

2.1 地質(zhì)變化銑削輪調(diào)速仿真

在施工過程中銑削輪根據(jù)地層的SPT圖設(shè)定高低轉(zhuǎn)速，以變量泵調(diào)節(jié)為主，變量馬達(dá)調(diào)節(jié)為輔，在高轉(zhuǎn)速工況變量馬達(dá)為小排量以提高銑削輪轉(zhuǎn)速。由于馬達(dá)排量減小，因此系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速工況輸出的扭矩也會相應(yīng)減小。

圖4所示為銑削輪轉(zhuǎn)速的輸人信號，銑削輪轉(zhuǎn)速由5 r/min調(diào)節(jié)為20 r/min后再下降為10 r/min。圖5所示為銑削輪轉(zhuǎn)速變化曲線，由仿真曲線可看到，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到調(diào)速要求。在此期間銑削輪的切削扭矩如圖6所示，由81 kN·m變化為22.7 kN·m后又轉(zhuǎn)變?yōu)?5 kN·m，可看出系統(tǒng)能夠滿足銑削輪所需扭矩。

圖7所示為系統(tǒng)壓力仿真曲線，系統(tǒng)壓力均在較高范圍內(nèi)，因此執(zhí)行元件的效率較高，使系統(tǒng)始終處于一個較高的效率范圍內(nèi)。

圖4 銑削輪轉(zhuǎn)速輸入信號

圖5 銑削輪轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6 銑削輪輸出扭矩變化曲線

圖7 系統(tǒng)壓力變化曲線

從圖8可看出系統(tǒng)的流量變化能夠滿足系統(tǒng)的調(diào)速需求，并能使系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 系統(tǒng)流量變化曲線

2.2 外載變化銑削輪轉(zhuǎn)速仿真

圖9為銑削輪所受外載的變化曲線，外載由65 kN·m變化到46 kN·m之后變化到75 kN·m。同時銑削輪的轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 r/min，如圖10所示。圖11為轉(zhuǎn)速設(shè)定在10 r/min時，系統(tǒng)壓力變化曲線，由圖可見系統(tǒng)壓力變化平穩(wěn)，能夠很快達(dá)到平衡，滿足系統(tǒng)要求。圖12為銑削輪在外在變化時銑削輪的轉(zhuǎn)速變化曲線，由圖可見，銑削輪的轉(zhuǎn)速在外載變化時波動很小，且能及時恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)狀態(tài)，由此可見系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

圖9 外載扭矩變化曲線

圖10 銑削輪設(shè)定的轉(zhuǎn)速

圖11 系統(tǒng)壓力變化曲線

圖12 銑削輪轉(zhuǎn)速變化曲線

3 結(jié)語

介紹了銑削頭的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，并對銑削頭在不同地質(zhì)條件下的雙銑輪與泥漿泵功率分配情況做了計算，為實(shí)際施工速度提供了具有參考性的參數(shù)。設(shè)計了銑削頭的液壓系統(tǒng)，并對雙輪銑槽機(jī)在土質(zhì)條件不變時，要求銑削輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定與土質(zhì)條件改變時，銑削輪轉(zhuǎn)速可調(diào)兩種工況對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。通過對仿真結(jié)果的分析可知液壓系統(tǒng)的設(shè)計滿足機(jī)器的施工要求，對后續(xù)雙輪銑槽機(jī)銑削頭液壓系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計具有參考意義。

［1］ 宋 剛.連續(xù)墻銑槽機(jī)銑輪優(yōu)化設(shè)計試驗研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)，2011.

［2］ 彭天好，朱劉英，胡佑蘭.基于AMESim的泵控馬達(dá)變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)仿真分析［C］.中國機(jī)械工程學(xué)會流體傳動與控制分會第六屆全國流體傳動與控制學(xué)術(shù)會議論文集［A］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2010.

［3］ 方 偉，王 瑜.地下連續(xù)墻施工工法及機(jī)械［J］.建筑機(jī)械，2002，3(6):15－16，22.