潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)鍵合圖模型的仿真研究

1、潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)鍵合圖模型的仿真研究趙宏強(qiáng)1,2 高斌1 李美香1 何清華1,2(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 4100832.湖南山河智能機(jī)械股份有限公司技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙 星沙開發(fā)區(qū) 410100）摘 要： 考慮到液壓系統(tǒng)建模的特點(diǎn)，選擇了利用功率鍵合圖法建立潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的鍵合圖模型，根據(jù)鍵合圖變量間的邏輯關(guān)系，得到了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB提供的Simulink軟件包對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，得到了泵的流量階躍響應(yīng)曲線和不同負(fù)載作用下馬達(dá)進(jìn)口壓力曲線，仿真結(jié)果分析表明所建立模型的正確性，這為潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的性能評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的途

2、徑。關(guān)鍵詞：潛孔鉆機(jī)；回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)；建模；功率鍵合圖；動(dòng)態(tài)仿真中圖分類號(hào)：TH137 文件標(biāo)示碼：ASimulation on Power Bond Graph of Rotating Hydraulic System in Down-The-Hole Drill ZHAO Hong-Qiang1,2, GAO Bin1, LI Mei-Xiang1 HE Qing-Hua1,2(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, 410083, Changsha, Hunan; 2. S

3、unward R&D Center, 410100, Xingsha, Changsha, Hunan, China)Abstract：Considering the specialty of hydraulic system modeling, choose power bond graph as the method of modeling. Established the power bond graph model, based on logistical relations amongst system variable, the mathematical model is

4、exploited. On this condition, the step response of pump outlet flux and the inlet pressure changing curves of hydraulic motor are obtained by using Simulink TM, and these results proved the truth of the model. The results provide a new method for the performance evaluation and optimization design of

5、 this system.Key words: DTH Drill; Rotating Hydraulic System; Modeling; Power Bond Graph; Dynamic Simulation潛孔鉆機(jī)是鑿巖礦物和巖石的一種工程機(jī)械，它不僅廣泛地應(yīng)用于冶金、煤炭、化工等礦山機(jī)械生產(chǎn)中，而且也是地質(zhì)、建筑、水電、交通和軍事等工程部門施工中的主要設(shè)備?；剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)是潛孔鉆機(jī)的重要的工作部分，其性能決定了整機(jī)的工作效率和負(fù)載能力。潛孔鉆機(jī)在工作過程中，系統(tǒng)的負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，因此，對(duì)于液壓系統(tǒng)，僅按照靜態(tài)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往不能很好的滿足系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣決定了機(jī)

6、構(gòu)的工作質(zhì)量和可靠性。建立回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真是研究該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的有效方法。由于液壓系統(tǒng)通常都是非線性系統(tǒng)，與其它建模方法相比，采用功率鍵合圖法能詳盡的描述液壓系統(tǒng)模型，與系統(tǒng)實(shí)際特征更相符，從而可更全面、更準(zhǔn)確的揭示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其各部分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并能方便的由鍵合圖推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1。本文正是在分析回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)的功率鍵合圖模型，并對(duì)得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)字仿真，得到了不同負(fù)載下系統(tǒng)壓力的變化規(guī)律。1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的構(gòu)成及其液壓系統(tǒng)潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力源、變量泵、多路換向閥、液壓馬達(dá)等組成，其液壓系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的動(dòng)力源可選擇柴

7、油機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在啟動(dòng)系統(tǒng)后，在控制油路的作用下，液控多路換向閥3工作在上位，變量泵1提供的壓力油通過換向閥為液壓馬達(dá)5提供動(dòng)力，液壓馬達(dá)通過減速器帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭在主機(jī)高風(fēng)壓的作用下進(jìn)行沖擊鑿孔。潛孔鉆機(jī)在工作過程中，經(jīng)常遇到卡鉆現(xiàn)象，當(dāng)卡鉆出現(xiàn)時(shí)，馬達(dá)負(fù)載突然增大或減小，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力出現(xiàn)響應(yīng)突變，產(chǎn)生沖擊、噪聲，甚至損壞液壓元件。由于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是直接工作機(jī)構(gòu)，因此，其液壓系統(tǒng)工作性能的優(yōu)良對(duì)整個(gè)潛孔鉆機(jī)的工作效率及整機(jī)性能的影響是至關(guān)重要的。圖1 潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Rotating hydraulic system in DTH drill2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

8、的建立潛孔鉆機(jī)在工作過程中，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象時(shí)，可通過控制油路控制主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的提升來消除卡鉆，卡鉆現(xiàn)象消失后，鉆桿重新推進(jìn)恢復(fù)鉆孔作業(yè)。在這個(gè)過程中，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的壓力流量變化劇烈，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，總希望整個(gè)過程能平穩(wěn)過渡，且能快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣一方面能減少?zèng)_擊、振動(dòng)和噪聲，另一方面可以提高系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。為此，建立一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)仿真分析研究，可以大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，也可以在系統(tǒng)付諸實(shí)際前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)。功率鍵合圖可用于表示系統(tǒng)中的功率流程，在動(dòng)態(tài)過程中，表示功率的流向、匯集、分配和能量轉(zhuǎn)換等。把系統(tǒng)看出相互作用的多個(gè)子系統(tǒng)，它們之間在其相互連

9、接的地方（通口）進(jìn)行功率傳遞，按系統(tǒng)中各部分的物理規(guī)律建立相應(yīng)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，然后將各子系統(tǒng)的功率鍵合圖按照一定的規(guī)律連接起來，就形成系統(tǒng)完整的功率鍵合圖模型。根據(jù)功率鍵合圖的規(guī)則及回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的工作原理，建立如圖2所示的系統(tǒng)功率鍵合圖。圖2中，虛線框內(nèi)部分為系統(tǒng)采用的A10V泵鍵合圖模型2,3，泵出口至系統(tǒng)的壓力為。通過多路換向閥3控制流入馬達(dá)的流量，以驅(qū)動(dòng)負(fù)荷。通過換向閥時(shí)，存在閥內(nèi)液阻導(dǎo)致的壓力損失，為流變量相等的1結(jié)點(diǎn)；馬達(dá)進(jìn)口油路上有安全閥2，此時(shí)構(gòu)成力變量相等的0結(jié)點(diǎn)；馬達(dá)為執(zhí)行元件，用來向外輸出動(dòng)力，則構(gòu)成力矩平衡方程，即馬達(dá)進(jìn)出口壓差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩等于馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力及外負(fù)載

10、力產(chǎn)生的力矩之和，構(gòu)成勢(shì)變量代數(shù)和為零的1結(jié)點(diǎn)；馬達(dá)出口經(jīng)換向閥流回油箱，存在閥內(nèi)液阻導(dǎo)致的壓力損失，構(gòu)成流變量相等的1結(jié)點(diǎn)。圖2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)鍵合圖模型Fig.1 Power bond graph of the rotating hydraulic system in DTH drill 由功率鍵合圖可以確定系統(tǒng)狀態(tài)參量和狀態(tài)方程，根據(jù)鍵合圖變量間的邏輯關(guān)系，可方便的推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于在功率鍵合圖的諸元中，只有慣性元和容性元各自的兩個(gè)變量之間才有微積分關(guān)系，因此取元和元上的自變量為積分狀態(tài)變量，在本系統(tǒng)中，這些變量共有九個(gè)，即；它們的積分則是九個(gè)狀態(tài)變量，它們的含義分別為：變量活塞、負(fù)

11、載敏感閥、壓力補(bǔ)償閥芯的位移；泵壓油腔、泵到馬達(dá)之間管道因油液壓縮而補(bǔ)充的容積；變量活塞、負(fù)載敏感閥、壓力調(diào)節(jié)閥的動(dòng)量及液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下： （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9）其中一些參數(shù)，如、分別是活塞彈簧，負(fù)載敏感閥彈簧和壓力補(bǔ)償閥彈簧的預(yù)緊量；為變量泵斜盤角度，為斜盤與活塞連桿長(zhǎng)度，其它如、均為系數(shù)。3 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真就是利用計(jì)算機(jī)來分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型以便求得其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的過程。本文采用MATLAB/Simulink軟件作為動(dòng)態(tài)特性的仿真工具，在軟件環(huán)境下，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)值進(jìn)行初始化及賦值，并進(jìn)行仿真計(jì)算。為了

12、正確求解模型，考慮到液壓系統(tǒng)的非線性和仿真過程中所遇到的剛性問題，采用了軟件中自帶的函數(shù)來求解狀態(tài)方程組。將泵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和其它系統(tǒng)參數(shù)代入方程后運(yùn)行仿真，首先對(duì)系統(tǒng)采用的變量泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。圖3是系統(tǒng)變量泵出口流量的階躍響應(yīng)曲線。由圖可知，系統(tǒng)在負(fù)載變化后約220 ms便到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，震蕩次數(shù)少，調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)；響應(yīng)速度快，超調(diào)量較大。但由仿真可知，系統(tǒng)中泵的動(dòng)態(tài)特性基本滿意，這對(duì)研究整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來說，有了一個(gè)較好的基礎(chǔ)。圖3 泵出口流量的階躍響應(yīng)曲線Fig.3 Step response of pump outlet flux圖3 負(fù)載變化時(shí)馬達(dá)進(jìn)口壓力變化曲線Fig.3 St

13、ep response of pump outlet flux液壓馬達(dá)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)其輸入壓力波動(dòng)情況的研究也十分必要，馬達(dá)輸入壓力的波動(dòng)影響著馬達(dá)工作的穩(wěn)定性與工作性能。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，馬達(dá)進(jìn)口壓力變化的情況如圖4所示，圖中從下往上的三條壓力曲線對(duì)應(yīng)的負(fù)載變化逐步增大，由圖知，負(fù)載變化帶來系統(tǒng)壓力變化時(shí)，在泵的負(fù)載傳感功能的作用下，馬達(dá)進(jìn)口壓力隨負(fù)載增大而增大，同時(shí)由仿真可知，換向閥進(jìn)出口壓差并不隨負(fù)載的變化而變化，說明在泵的負(fù)載傳感功能作用下，系統(tǒng)的控制過程不受負(fù)載變動(dòng)的影響。仿真結(jié)果表明，在一般正常工作負(fù)載范圍內(nèi)，負(fù)載增大，壓力的波動(dòng)也相對(duì)變大，其超調(diào)量與穩(wěn)定時(shí)間也相應(yīng)增大，但總體

14、來說，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，峰值也在設(shè)計(jì)計(jì)算范圍內(nèi)。4 結(jié)論通過功率鍵合圖法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件對(duì)得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真，得到了泵出口流量階躍響應(yīng)曲線及馬達(dá)進(jìn)口壓力隨負(fù)載變化的響應(yīng)曲線，結(jié)果分析表明，系統(tǒng)采用的變量泵具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載傳感功能能很好應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化，響應(yīng)速度快，性能良好。同時(shí)說明了采用功率鍵合圖建模法層次清楚，且能包容液壓系統(tǒng)的非線性，能準(zhǔn)確反映潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，具有較高的精度，這使得對(duì)潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的研究和分析變得簡(jiǎn)單方便，為研究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。參 考 文 獻(xiàn)1 張亞輝. 液壓系統(tǒng)的鍵合圖建模法J. 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：1011042