錨桿鉆機分流式雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性分析

摘要：錨桿鉆機是井下錨固支護的關(guān)鍵設(shè)備之一，現(xiàn)使用AMESim搭建錨桿鉆機分流式雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并對該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在節(jié)流閥某一開口度范圍內(nèi)，其調(diào)速特性與馬達轉(zhuǎn)速呈線性變化;雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)機構(gòu)可均分負載扭矩，避免傳動齒輪損壞;馬達的調(diào)速特性存在一定的功率損失。

關(guān)鍵詞：錨桿鉆機;雙馬達并聯(lián);回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性

0 ? ?引言

錨桿鉆機是井下錨固支護的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要有氣動式、液壓式和電動式三大類，前兩者已經(jīng)成為國外主流[1]。目前液壓錨桿鉆機正廣泛應用于井下錨固支護環(huán)節(jié)，在錨桿鉆機破巖作業(yè)過程中，由于井下巖性質(zhì)的不確定性，除了推進力外，馬達所受扭矩也會受到巖層硬度的影響，當壓力增大到系統(tǒng)極限值時，需降低回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，進而影響鉆孔效率[2]。因此，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計對液壓錨桿鉆機的作業(yè)效率有著極其重要的影響，分析錨桿鉆機回轉(zhuǎn)機構(gòu)特性對設(shè)備使用和提高作業(yè)效率具有重要意義。

1 ? ?錨桿鉆機組成及雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)機構(gòu)分析

錨桿鉆機的設(shè)計往往是根據(jù)煤巖特性進行的，因此不同型號錨桿鉆機的各個參數(shù)、動力以及破巖原理各不相同[3]。ZDY650鉆機如圖1所示，錨桿鉆機主要包括動力組件、液壓馬達、導軌、機架體、進給油缸、滑移組件、夾持組件。其中，動力組件是錨桿鉆機的核心部分，主要由沖擊機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成[4]?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)機構(gòu)的重要組成部分，為避免巖層硬度突變對回轉(zhuǎn)機構(gòu)造成損壞，本文將對錨桿鉆機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計進行分析。

雙馬達并聯(lián)設(shè)計如圖2所示，齒輪1與齒輪2分別與兩個馬達連接，齒輪3連接回轉(zhuǎn)機構(gòu)。3個齒輪受力如圖2所示，即回轉(zhuǎn)機構(gòu)所受負載力矩由兩個齒輪共同承載。

式中：r1、r2為齒輪1、齒輪2直徑;F1、F2為齒輪1、齒輪2所受作用力;M1、M2、M3為齒輪1、齒輪2和齒輪3扭矩。

2 ? ?分流式雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)建模

LMS Imagine.lab AMESim是法國的Imagine公司于1995年推出的仿真建模軟件，通過將系統(tǒng)庫中已有的元件模型連接起來，就可以進行相關(guān)系統(tǒng)的仿真與分析[5]。分流式雙馬達并聯(lián)系統(tǒng)建模如圖3所示，主要模型元件參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)市場上現(xiàn)有的錨桿鉆機參數(shù)，設(shè)置泵和液壓馬達排量和最大轉(zhuǎn)速均為100 cm3/r和400 r/min，電機轉(zhuǎn)速400 r/min，三位四通閥給定信號-40 null，始終處于右位，阻尼孔直徑為0.2 mm，死腔容積為4 cm3。節(jié)流閥主要用來調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速，節(jié)流閥信號及負載扭矩信號設(shè)置如圖4和圖5所示。

3 ? ?AMESim仿真結(jié)果及分析

設(shè)置仿真時間20 s，時間間隔為0.01 s，得到雙馬達轉(zhuǎn)速如圖6所示，雙馬達和負載扭矩如圖7所示，節(jié)流閥損失功率如圖8所示。

由圖6可以看出，0～5 s內(nèi)，隨著節(jié)流閥開口逐漸關(guān)閉，馬達轉(zhuǎn)速與節(jié)流閥開口度并不完全是呈線性關(guān)系，而是大約經(jīng)過1.5 s后呈現(xiàn)線性變化，即節(jié)流閥開口度在某一范圍內(nèi)與馬達轉(zhuǎn)速呈線性變化。節(jié)流閥開口關(guān)閉后，泵的轉(zhuǎn)速為雙馬達轉(zhuǎn)速之和，即雙馬達并聯(lián)分轉(zhuǎn)速。由圖7可以看出，當節(jié)流閥開口完全關(guān)閉后，負載扭矩大小始終是兩個馬達扭矩之和，即雙馬達能夠起到均分負載扭矩的作用。通過節(jié)流閥部分的流量并未經(jīng)過負載直接回流油箱，因此，分流式調(diào)速存在流量損失。由圖6、圖8可知，馬達轉(zhuǎn)速越低，浪費在節(jié)流閥上的功率損失也就越大。

4 ? ?結(jié)論

通過使用AMESim分析錨桿鉆機分流式雙馬達并聯(lián)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性，主要可得到以下3個結(jié)論：

（1）分流式調(diào)速特性并不完全與節(jié)流閥開口度呈線性變化，而是在某一開口范圍內(nèi)馬達轉(zhuǎn)速與節(jié)流閥開口呈線性變化。

（2）雙馬達并聯(lián)機構(gòu)可以起到均分負載扭矩的作用，在負載扭矩過大時，可以避免傳動齒輪負載過大，減少齒輪損壞;但泵的輸出流量也一分為二，馬達轉(zhuǎn)速相對較低，可適用于負載扭矩較大、轉(zhuǎn)速需要較低的巖層環(huán)境中。

（3）分流式調(diào)速存在著功率損失，馬達轉(zhuǎn)速越低，損失越大，應盡量避免馬達在太低的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，造成能源利用率低下。

[參考文獻]

[1] 王曉瑜.沖擊回轉(zhuǎn)機載型錨桿鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計與AMESim建模仿真分析[J].機床與液壓，2016，44（21）：147-150.

[2] 郭一楠，程偉，楊歡，等.錨桿鉆機轉(zhuǎn)速的頭腦風暴最優(yōu)自抗擾控制[J].鄭州大學學報（工學版），2019，40（3）：13-18.

[3] 席翠霞.錨桿鉆機的選型設(shè)計方法簡介[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，27（18）：57.

[4] 衛(wèi)東東，原思聰，尚敬強，等.基于AMESim的液壓錨桿鉆機沖擊器系統(tǒng)建模與仿真[J].煤礦機械，2012，33（1）：76-78.

[5] 張廷壽.錨桿鉆機液壓控制系統(tǒng)工作特性研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（10）：197-198.

收稿日期：2021-05-26

作者簡介：陸有兵（1995—），男，安徽淮南人，碩士研究生，研究方向：液壓錨桿鉆機。