全液壓牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)扭矩限制的研究

全液壓牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)扭矩限制的研究

0序言在全液壓齒輪機(jī)槍的旋轉(zhuǎn)過程中，巖石會(huì)受到周期性影響。1回轉(zhuǎn)限壓閥組回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示,高壓油由閉式泵經(jīng)過多路閥到達(dá)回轉(zhuǎn)馬達(dá),驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆桿的負(fù)載特性與鉆頭工作環(huán)境和轉(zhuǎn)速有關(guān),巖石硬度大,要求的扭矩增大,回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)壓力增大。當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速加快時(shí),鉆頭和鉆桿所受巖層和巖壁摩擦力增大,回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)壓力也會(huì)升高。限制回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的壓力,可以達(dá)到限制鉆桿的扭矩的目的,而回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力可以通過改變閉式泵的排量來調(diào)節(jié)。所以設(shè)計(jì)一個(gè)回轉(zhuǎn)限壓閥組,將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力信號(hào)引入閉式泵的伺服缸,調(diào)節(jié)閉式泵的排量,限制回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力和鉆桿扭矩?；剞D(zhuǎn)限壓閥組的設(shè)計(jì)要求:回轉(zhuǎn)限壓閥組引入的壓力信號(hào)為調(diào)定值,閥組下游壓力不能影響已調(diào)定的開啟壓力;閥組可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力控制,即操作人員在駕駛室內(nèi)就可以對(duì)回轉(zhuǎn)限壓閥組進(jìn)行調(diào)壓,以達(dá)到保護(hù)鉆桿目的;閥組響應(yīng)速度要快,而且工作可靠;能夠保護(hù)伺服缸,防止引入的壓力信號(hào)對(duì)伺服缸形成沖擊。2主流閥圈壓閥組2.1溢流閥回流閥組設(shè)計(jì)以溢流閥為核心的回轉(zhuǎn)限壓閥組如圖2所示,閥組中P2.2閥部分的壓力仿真分析由于所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)限壓閥組出油口進(jìn)入伺服缸,缸內(nèi)會(huì)有一定量的液壓油產(chǎn)生背壓,所以對(duì)所建立的溢流閥HCD模型施加一個(gè)背壓信號(hào),如圖3所示,為溢流閥的HCD模型,上部為先導(dǎo)閥部分,下部主閥部分。設(shè)定模型的參數(shù),為仿真模型加上一個(gè)斜坡壓力信號(hào),對(duì)溢流閥的實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析仿真模型所設(shè)定的溢流閥的開啟壓力為28MPa,當(dāng)伺服缸內(nèi)壓力達(dá)到約4MPa時(shí),進(jìn)出口壓差為28MPa,溢流閥主閥開啟,產(chǎn)生流量,此時(shí)可以得出溢流閥的進(jìn)口壓力是32MPa,即開啟壓力變成了32MPa,比之前的調(diào)定壓力正好高了伺服缸內(nèi)的壓力4MPa。通過仿真分析可知,回轉(zhuǎn)限壓閥組中,溢流閥下游壓力會(huì)影響其開啟壓力,開啟壓力波動(dòng)會(huì)削弱對(duì)鉆桿的扭矩保護(hù)作用,溢流閥為核心元件的回轉(zhuǎn)限壓閥組方案不可行。3邏輯插值閥圈數(shù)據(jù)表示為3.1ct2插裝閥組成設(shè)計(jì)邏輯閥為核心元件的回轉(zhuǎn)限壓閥組,如圖5所示。CT2是所選的邏輯插裝閥,其控制油口通過梭閥與電磁溢流閥CT6連接,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無級(jí)調(diào)壓。高壓油從P3.2壓力—邏輯插裝閥數(shù)學(xué)建模邏輯插裝閥選擇VLSP系列,圖6為邏輯閥的簡(jiǎn)化模型。式中:p為進(jìn)口油壓力;A為閥芯下腔面積;p式中:C(2)閥口流量方程:式中:ρ為液壓油的密度。(3)邏輯插裝閥阻尼孔壓力流量方程:式中:q可以發(fā)現(xiàn)電磁溢流閥調(diào)定壓力p下面對(duì)邏輯閥開啟狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,數(shù)學(xué)模型描述如下:(1)閥芯受力平衡方程:式中:M為閥芯當(dāng)量質(zhì)量;f(2)閥芯阻尼流量連續(xù)性方程:式中:q(3)閥芯進(jìn)口受控腔流量連續(xù)性方程:式中:q將方程式(5)在額定工況點(diǎn)線性化并進(jìn)行拉氏變換得到閥芯位移與進(jìn)口壓力之間的傳遞函數(shù):由以上推導(dǎo)可知,邏輯閥的位移輸出量與壓力輸入量之間的關(guān)系為二階振蕩環(huán)節(jié),對(duì)于文中所述的邏輯插裝閥,確定合適的可調(diào)參數(shù),可以得到最小超調(diào)量而又最穩(wěn)定的二階系統(tǒng)3.3邏輯閥回轉(zhuǎn)限壓閥組工況仿真根據(jù)邏輯插裝閥的結(jié)構(gòu),以及對(duì)其建立的數(shù)學(xué)模型,建立其邏輯閥回轉(zhuǎn)限壓閥組的HCD模型,如圖7所示,對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析。在邏輯閥出口施加一個(gè)背壓信號(hào),可看做伺服缸內(nèi)壓力。圖8是邏輯閥回轉(zhuǎn)限壓閥組工況仿真曲線,從圖中可以看到,當(dāng)設(shè)定電磁溢流閥壓力為31.5MPa時(shí),其邏輯閥口背壓不論為多少,其開啟壓力就是31.5MPa,下游壓力沒有影響邏輯閥的開口壓力。仿真結(jié)果顯示,邏輯閥的下游壓力不會(huì)影響開啟壓力,其開啟壓力是由電磁溢流閥設(shè)定的,電磁溢流閥通過電流調(diào)定,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力控制,同時(shí)其響應(yīng)迅速,完全符合回轉(zhuǎn)限壓的要求,所以邏輯閥回轉(zhuǎn)限壓閥組確定為最終的設(shè)計(jì)方案。4回轉(zhuǎn)工況仿真分析回轉(zhuǎn)限壓系統(tǒng)的整體仿真模型由閉式泵、泵控馬達(dá)、回轉(zhuǎn)限壓閥組等三部分組成,其中仿真模型最上面的部分為閉式泵變量機(jī)構(gòu)的超級(jí)元件,如圖9所示。設(shè)置仿真模型的各項(xiàng)參數(shù),電磁溢流閥調(diào)定33MPa,對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)及限壓工作過程進(jìn)行仿真分析,得到回轉(zhuǎn)工況曲線。如圖10所示為系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)壓力曲線,從圖10中可以看出,隨著時(shí)間增長(zhǎng),系統(tǒng)壓力大致呈線性升高,在大約3s的時(shí)候,系統(tǒng)壓力達(dá)到33MPa左右,此后系統(tǒng)壓力不再升高。如圖11所示為邏輯閥流量隨時(shí)間變化曲線,在3s時(shí),即系統(tǒng)壓力達(dá)到最大值33MPa時(shí),限壓閥組中的邏輯閥閥口打開,有油液流過,說明當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到調(diào)定值時(shí),回轉(zhuǎn)限壓閥組開始工作,保持回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定,限制鉆桿的扭矩。5牙輪鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型樣車的回轉(zhuǎn)裝置如圖12所示。從閉式泵與變量馬達(dá)之間的管路間引入高壓油信號(hào)與回轉(zhuǎn)限壓閥塊連接,采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)樣車進(jìn)行調(diào)試,將調(diào)試過程采集的各變量的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,如圖13所示。當(dāng)鉆桿剛剛開始鉆進(jìn),土層松軟,鉆速最大而輸出的扭矩比較小;從點(diǎn)B到點(diǎn)A,系統(tǒng)壓力與流量乘積為定值,此過程為恒功率控制,那么此過程馬達(dá)排量逐漸變成滿排量,轉(zhuǎn)速逐漸降低,輸出的扭矩則逐漸增大。達(dá)到工況點(diǎn)A時(shí),輸出扭矩達(dá)到最大值23000N·m左右,轉(zhuǎn)速減小至76.0r/min,系統(tǒng)壓力達(dá)到回轉(zhuǎn)限壓的調(diào)定壓力33MPa。此時(shí)回轉(zhuǎn)限壓閥組開始作用,雖然負(fù)載力的增大使轉(zhuǎn)速?gòu)?6.0r/min持續(xù)減小,但是回轉(zhuǎn)限壓閥組壓力限制系統(tǒng)壓力保持在33MPa左右,輸出轉(zhuǎn)矩基本不變。但是實(shí)際上由于轉(zhuǎn)速減小,機(jī)械傳動(dòng)效率降低,扭矩輸出會(huì)略微減小,所以反映在曲線圖上扭矩減小,但是輸出扭矩基本會(huì)保持在22000N·m左右。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,閥組仿真模型扭矩輸出圖如圖14所示。仿真模型的限壓閥組壓力調(diào)定為33MPa。牙輪鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)單個(gè)液壓馬達(dá)輸出扭矩為1014.3N·m,乘以減速機(jī)的速比就是仿真模型輸出扭矩23800N·m,仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。由仿真曲線可知,達(dá)到回轉(zhuǎn)限定壓力時(shí),回轉(zhuǎn)扭矩的輸出基本保持恒定,與試驗(yàn)曲線最大扭矩輸出值的變化趨勢(shì)一致,符合工況要求。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相互印證的,說明設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)限壓閥組是合理的,所建立的仿真模型也是正確的。6仿真結(jié)果分析(1)對(duì)溢流閥限壓閥組進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明溢流閥開啟壓力受到下游壓力影響會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),不符合鉆桿扭矩保護(hù)的要求。(2)對(duì)邏輯插裝閥限壓閥組仿真及數(shù)學(xué)建模分析,結(jié)果表明邏輯閥的下游壓力不會(huì)影響開啟壓力,同時(shí)其響應(yīng)迅速,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力控制。對(duì)回轉(zhuǎn)限壓系統(tǒng)仿真分析