潛孔鉆機變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)研究

李歆怡，林正英

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

潛孔鉆機變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)研究

李歆怡，林正英

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

摘要：在總結(jié)潛孔鉆機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了潛孔鉆機重要的工作部件之一變幅機構(gòu)，進一步分析了其結(jié)構(gòu)組成及動力源液壓系統(tǒng)。對其變幅機構(gòu)在運動過程中的壓力沖擊現(xiàn)象進行仿真分析，利用液壓仿真軟件AMESim建立了仿真模型，經(jīng)分析研究找到了引起壓力沖擊的原因，并根據(jù)仿真研究的結(jié)果提出了主閥閥芯過流面積的改進方案，為鉆機進一步優(yōu)化改善提供理論參考，對現(xiàn)實施工也有一定實際指導意義。

關(guān)鍵詞：潛孔鉆機；變幅機構(gòu)；壓力沖擊；仿真分析；閥芯

Analysis of Hydraulic System of Luffing Mechanism of DTH Drill

LI Xinyi, LIN Zhengying

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Abstract:Based on the summary of the development situation of DIH drilling rigs at home and abroad, this paper analyzes the luffing mechanism, one important part of DTH drilling rigs，and the hydraulic system of its power and discusses its the basic structure. It also analyzes and simulates the pressure impact of its drive system exlsting in its operating process and uses the on simulation software AMESim to esfablish its model. The reason of the pressure impact is found through analysis. And according to the result of the simulation research, it proposes that the main valve is changed to increase its filter area. This scheme gives a reference to its improvement and is of certain practical guiding significance.

Keywords:DTH Drill; luffing mechanism; pressure impacting; simulation analysis; valve core

0引言

潛孔鉆機是現(xiàn)代工程機械中廣為人知的一種高效鉆孔機械。由鑿巖機和破碎錘等鑿巖機器逐漸演化而來，是由沖擊器潛入孔內(nèi)，直接沖擊鉆頭，而回轉(zhuǎn)機構(gòu)在孔外帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，通過變幅機構(gòu)變幅定位并向礦巖鉆進的設備。主要用于露天礦山開采，同時也廣泛應用于建筑基礎(chǔ)開挖、水電、交通、冶金、建材、港灣及國防建設等施工作業(yè)中[1]。它是目前鉆爆法作業(yè)中廣泛使用的鑿巖機械之一，具有鉆孔直徑大、鉆孔深、鉆孔效率高、適用范圍廣等優(yōu)點，也是當前通用的大型鑿巖鉆孔設備。潛孔鉆機變幅機構(gòu)是從鑿巖機器人鉆臂中發(fā)展而來的，鑿巖機器人鉆臂的研究與鑿巖機器人的發(fā)展緊密相關(guān)[2]。其變幅機構(gòu)由支柱、動臂、翻轉(zhuǎn)頭、滑架、鉆架、動臂偏轉(zhuǎn)液壓缸、動臂舉升液壓缸、鉆架偏轉(zhuǎn)液壓缸、鉆架舉升液壓缸、推進補償液壓缸、銷軸等組成。隨著鑿巖機器人的發(fā)展，為適應不同的工作要求，變幅機構(gòu)的功能特點逐漸多樣化，可實現(xiàn)擺臂、轉(zhuǎn)臂、伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰、擺角、補償、平動等多種動作。變幅機構(gòu)的配置數(shù)量有單臂、雙臂、三臂甚至四臂。變幅機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有直角坐標式、極坐標式、復合坐標式和直接定位式。目前其變幅機構(gòu)的變幅全部由液壓驅(qū)動，因此，變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)是潛孔鉆機的核心部件中的重要組成部分，很大程度上決定著鉆機的工作平穩(wěn)性和工作效率，對其進行研究和優(yōu)化有著重要的現(xiàn)實意義[3]。

變幅機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機舉升及偏轉(zhuǎn)還有推進等功能，因此其組成機構(gòu)也較復雜。在研究分析運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上對變幅機構(gòu)動力源即液壓系統(tǒng)進行詳細研究，有利于鉆機的進一步優(yōu)化與升級，同時對實際施工有著一定的指導意義。

1潛孔鉆機變幅機構(gòu)基本結(jié)構(gòu)及其典型變幅運動

以最經(jīng)典的直角坐標式變幅機構(gòu)型的潛孔鉆機為例進行分析和研究?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆臂由鉆臂焊接件、搖桿、連桿、翻轉(zhuǎn)頭、立柱、鉸座1、鉸座2、鉆臂舉升液壓缸、鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸、鉆架舉升液壓缸和鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸等零部件組成。鉆架相對于滑架的運動由推進補償液壓缸完成，所以滑架與推進補償液壓缸同屬于變幅機構(gòu)基本組成部分。鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸缸筒與機架之間、鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿與鉆臂焊接件之間采用十字鉸聯(lián)接，滑架與鉆架通過導軌聯(lián)接，其余各部件之間通過銷軸聯(lián)接[4]。

變幅機構(gòu)變幅過程中一般不存在聯(lián)合運動，即單個液壓缸運動到位后另一液壓缸再緊接著完成下一步就位動作。該過程中5個典型的變幅動作如圖2所示。

1—機架；2—鉆臂焊接件；3—鉆架舉升液壓缸；4—搖桿；5—連桿；6—鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸；7—滑架；8—推進補償液壓缸；9—鉆架；10—翻轉(zhuǎn)頭；11—鉸座2；12—鉆臂舉升液壓缸；13—鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸；14—鉸座1；15—立柱圖1　臂架式液壓潛孔鉆機鉆臂結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　變幅機構(gòu)典型動作示意圖

1) 推進補償。如圖2(a)所示，鉆臂舉升液壓缸全伸出，鉆臂焊接件處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸伸長至鉆架與地面垂直，推進補償液壓缸伸長或縮短，實現(xiàn)鉆架的上下運動。

2) 鉆架翻轉(zhuǎn)。如圖2(b)所示，鉆臂舉升液壓缸全伸出，鉆臂焊接件處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸伸長或縮短，實現(xiàn)鉆架的左右運動。

3) 鉆臂舉升。如圖2(c)所示，鉆臂焊接件處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全縮回，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆臂舉升液壓缸伸長或縮短，實現(xiàn)鉆臂的上下運動。

4) 鉆臂偏轉(zhuǎn)。如圖2(d)所示，鉆架處于鉛垂狀態(tài)，鉆頭與地面距離約0.05m，推進補償液壓缸全伸出，鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸伸長或縮短，實現(xiàn)鉆臂的左右運動。

5) 鉆架舉升。如圖2(e)所示，鉆臂焊接件水平并處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆架舉升液壓缸縮短或伸長，實現(xiàn)鉆架的上下運動。

2變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)

潛孔鉆機變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)按液壓變量泵供油方式可分為兩部分，變量泵1提供鉆臂舉升和鉆臂偏轉(zhuǎn)所需壓力油，變量泵2提供鉆架舉升和鉆架翻轉(zhuǎn)所需壓力油。兩部分液壓回路完全相同，其中鉆臂舉升和鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓原理圖如圖3所示。鉆臂舉升回路和鉆臂偏轉(zhuǎn)回路是相似的，以鉆臂舉升為例，系統(tǒng)工作時，打開調(diào)整開關(guān)，插裝閥3工作在左位，先導手柄操作鉆臂舉升閥5上移或下移，從液壓泵1來的高壓油液經(jīng)平衡閥7進入臂舉液壓缸8大腔或小腔，推動液壓缸活塞桿伸出或縮回，以驅(qū)動鉆臂上升或下降。系統(tǒng)不工作時，平衡閥7關(guān)閉，液壓缸鎖死。

1-變量泵1；2-可調(diào)節(jié)流閥；3-常閉型二通插裝閥；4-主安全閥；5-臂舉換向閥；6-臂偏換向閥；7-平衡閥；8-臂舉液壓缸；9-臂偏液壓缸；10-平衡閥圖3　鉆臂舉升和鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓原理圖

3變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真分析

傳統(tǒng)的變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真研究方法包括解析法、狀態(tài)空間法和功率鍵合圖法等。法國IMAGINE公司推出AMESim軟件，用于液壓和機械系統(tǒng)建模、仿真分析，與傳統(tǒng)方法相比，擁有界面友好、操作方便、可驗證性和可視化較強等優(yōu)點。利用液壓仿真軟件AMESim對變幅機構(gòu)進行仿真建模,依據(jù)實際參數(shù)對液壓系統(tǒng)各部件進行模型搭建，然后進行組裝。組裝總圖如圖4所示。

圖4　變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型圖

4變幅過程中壓力沖擊現(xiàn)象及其研究分析

用上述液壓仿真模型對鉆機變幅工作過程進行仿真模擬，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)變幅液壓缸在變幅啟動和停止的瞬間均存在壓力沖擊現(xiàn)象，仿真圖如圖5所示。

圖5　鉆臂舉升壓力曲線圖

由圖5和圖6可以輕易發(fā)現(xiàn)變幅機構(gòu)中鉆臂舉升和鉆臂偏轉(zhuǎn)過程中當鉆機變幅液壓缸開始伸出、暫停運動、伸出轉(zhuǎn)為收縮運動等過程時，液壓缸中均存在顯著的壓力沖擊現(xiàn)象。沖擊值甚至超過了平穩(wěn)運行時壓力值的100%。這種沖擊對液壓系統(tǒng)存在很大危害，如果單獨為此而將系統(tǒng)的設計值提高，會大大提高生產(chǎn)成本。如果能夠有效的將此種現(xiàn)象或者壓力沖擊值大大減小，對鉆機運行及實際生產(chǎn)都會帶來較大的收益，此項研究意義重大。

圖6　鉆臂偏轉(zhuǎn)壓力曲線圖

通過對系統(tǒng)的分析以及壓力引起的原因進一步剖析，不難發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在運動起始時及運動停止時均會產(chǎn)生慣性，而慣性又分為機構(gòu)本身的慣性及液壓油流動慣性兩種。以鉆臂舉升液壓缸伸出為例，當液壓缸突然伸出時，由于慣性，此時需要較大的加速度才能推動活塞桿伸出，而此時液壓缸內(nèi)壓力不足，主閥打開，壓力油似剛開閘的洪水沖向液壓缸，而液壓缸由于慣性又處于剛要運動又未運動狀態(tài)，由此引起蹩壓現(xiàn)象，缸內(nèi)壓力陡然上升，出現(xiàn)壓力沖擊；而停止時，同樣由于機構(gòu)已經(jīng)停止，而壓力油仍然在慣性作用下繼續(xù)向缸內(nèi)運動，致使壓力再次迅速上升，再次出現(xiàn)壓力沖擊。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，如果液壓油在閥打開瞬間供油充足，而停止時供油能夠快速切斷供油量，從較大程度上可以減少壓力沖擊值的峰值現(xiàn)象。由此，進一步對主閥的閥芯過流面積研究發(fā)現(xiàn)，主閥閥芯過渡處開口為L型節(jié)流槽，如圖7所示。需對該處結(jié)構(gòu)形狀依據(jù)與運動對應的函數(shù)曲線進行優(yōu)化。

圖7主閥閥芯三維外形圖

經(jīng)優(yōu)化閥芯過流面積，再對上述過程進行仿真分析研究，得到鉆臂舉升與鉆臂偏轉(zhuǎn)的壓力曲線如圖8和圖9所示。由圖可知，壓力沖擊依然存在，但是相比之前的沖擊峰值有所大大改善，該現(xiàn)象得到明顯減弱，證明了該優(yōu)化方案的有效性。

圖8　優(yōu)化后動臂舉升液壓缸壓力曲線圖

圖9　優(yōu)化后動臂偏轉(zhuǎn)液壓缸壓力曲線圖

5結(jié)語

對潛孔鉆機重要工作機構(gòu)的變幅機構(gòu)的基本組成以及動力源液壓系統(tǒng)進行了較為詳細的闡述，并利用液壓仿真軟件對變幅機構(gòu)液壓系統(tǒng)進行建模分析。通過仿真研究，發(fā)現(xiàn)了變幅過程中存在壓力沖擊現(xiàn)象，通過研究發(fā)現(xiàn)了問題的部分原因，并相應進行了優(yōu)化；通過再次仿真研究，發(fā)現(xiàn)問題點得到了有效的改善，證明了優(yōu)化的有效性。文中借助計算機虛擬樣機進行優(yōu)化分析，事半功倍，對潛孔鉆機的設計研究和實際生產(chǎn)均有較大意義。

參考文獻:

[1] 王榮祥，任效乾. 礦山機械裝備制造業(yè)的調(diào)整和振興規(guī)劃(一)[J]. 現(xiàn)代礦業(yè)，2010，489(1)：1-4.

[2] 楊光照，郭石宇，趙洪巖. 鑿巖機械發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 礦業(yè)工程，2009，7(3)：46-47.

[3] 李美香. 潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡液壓控制方案研究[D]. 長沙：中南大學碩士學位論文，2008.

[4] 周宏兵，胡雄偉，謝嵩岳. 液壓挖掘機挖掘力的仿真與試驗研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2009(4)：92-94.

收稿日期：2014-01-28

中圖分類號：TP271+.31

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0023-04

作者簡介：李歆怡(1983-)，女，福建福州人，助講，碩士研究生，主要研究方向為機械制造自動化。