錨桿鉆機頂驅雙動力裝置的液壓系統仿真研究

摘要: 為使液壓錨桿鉆機頂驅雙動力裝置的液壓系統各動力部件和執行部件的參數得到合理匹配, 采用AMESim軟件對液壓系統進行建模仿真, 并得到了合理的設計計算方法和滿意的仿真結果, 為錨桿鉆機的液壓系統設計提供了可靠的理論依據。
關鍵詞：錨桿鉆機; AMESim; 負載傳感; 動態仿真

引言

20世紀90年代以來, 我國的各項建設事業迅速發展, 基礎設施建設的規模不斷擴大, 高層和地下建筑的實際施工面積也在日益擴大, 基坑深度已超過20m, 長度達到幾百米, 施工量巨大。大力推動城市的地下空間的開發利用(如地鐵、過江隧道、地下車庫、地下商城) 已成為國家的一項重要政策。

“十一五”期間, 國家在基礎設施建設、城鎮化與城市化建設等方面將繼續加大投資力度, 各種工業與民用建筑向高、重、大方向發展, 建設任務繁多,施工現場和地質水文條件也更為復雜, 這就要求基礎施工向大范圍、大深度、高承載力和高可靠性的方向發展。具有施工成本低、效率高、質量好、振動和噪聲污染小等優點的先進深基坑支護用全液壓履帶式錨桿鉆機正是適應這些要求而發展起來。

AMESim作為非常優秀的仿真軟件, 為流體、機械、控制、電磁等工程系統提供了一個較為完善的綜合仿真環境和解決方案。AMESim軟件非常適合液壓傳動及控制系統與元件的建模, 為液壓技術的創新研究和設計分析提供了很好的仿真平臺。本文作者應用AMESim軟件對全液壓履帶式錨桿鉆機頂驅雙動力裝置的液控系統控制進行了系統建模仿真, 得到了合理的設計計算和滿意的仿真結果。

1頂驅雙動力裝置的液壓控制回路的選擇

錨桿鉆機采用全液壓驅動式頂驅雙動力裝置, 因此鉆機的雙動力裝置液壓驅動系統的設計主要是考慮如何滿足整機的鉆孔工藝要求, 即鉆頭轉距和轉速都能在較大范圍內無級調節, 并能正、反方向回轉、功率損耗小等。液壓驅動式鉆機動力頭的動力裝置采用液壓馬達加機械變速箱, 因此, 鉆頭回轉轉矩和轉速的調節, 實際上是液壓馬達的輸出轉矩和轉速的調節。

為了實現上述功能, 錨桿鉆機頂驅雙動力裝置的液壓驅動回轉采用“變量泵- 變量馬達”的容積調速變量系統, 其工作原理是通過改變液壓系統中變量泵的排量或變量馬達的排量都可調節馬達的回轉速度。

由于此回路中既可用變量泵調速, 又可用變量馬達調速, 因此要合理利用變量泵和變量馬達調速中各自的優點, 克服其缺點, 以達到既可擴大調速范圍(一般可達i = 100左右) , 又使其換向平穩, 一般采用分段調速的方法(第一階段為恒轉矩調速,第二階段為恒功率調速) , 如圖1 所示。它沒有流量和壓力的損耗, 而且工作壓力隨負載變化而變化, 因此效率高、發熱小。它適用于大功率的場合, 如礦山機械、起重機械以及大型機床的主運動液壓系統。

圖1變量泵- 變量馬達容積調速回路工作特性曲線

2頂驅雙動力裝置的工作原理

由圖2可知, 錨桿鉆機頂驅雙動力裝置液壓系統主要由負載傳感變量泵、溢流閥、高壓反饋變量馬達、多路閥、壓力補償閥和蓄能器等組成。該系統由負載傳感變量泵和多路閥匹配構成了負載傳感系統,當系統工作時, 主泵能根據負載的大小供給執行元件所需要的流量, 沒有多余的流量輸出, 因而沒有溢流損失; 系統不工作時, 主泵排量降至最小, 有效降低燃油消耗。

圖2 錨桿鉆機頂驅雙動裝置液壓驅動系統原理圖

錨桿鉆機鉆進時, 液壓變量馬達1、7 的進油腔與負載傳感變量泵4 的排油腔相通, 可通過調節溢流閥2的開啟壓力來調節系統的工作壓力。由于錨桿鉆機頂驅雙動力裝置的負載一般都大于其它執行機構, 在鉆進某些特殊地層時, 還可能導致嚴重超載, 因此必須限定動力裝置的最大工作負載。所以, 溢流閥2在調整系統工作壓力的同時, 實際上也限制了系統的最大工作壓力, 起到了“調壓- 限壓”的作用[ 1 ] 。

當溢流閥2的調定壓力不變時, 通過負載傳感器系統, 可以調節液壓變量馬達的轉速大小, 即可以增加或減少液壓變量馬達1、7 的回油流量, 從而加快或降低鉆進速度。為了保證分流的匹配, 增加了壓力補償閥6, 這樣能夠很好地保證不會因沖擊鉆頭或套筒鉆頭的轉矩突然增大, 而導致某一執行元件處于不工作狀態。在這種情況下, 屬于恒功率鉆進, 通過改變液壓變量馬達的轉速, 加大或減小液壓馬達的輸出轉矩, 有利于實現恒壓鉆進。

因此圖2所示的液壓系統, 能夠很好地滿足錨桿支護鉆孔工藝要求。

3 頂驅雙動力裝置液壓驅動系統的動態仿真

圖3的AMESim仿真模型是針對全履帶液壓錨桿鉆面頂驅雙動力裝置的液壓系統建立的, 考慮基于圖2所示的回路控制方法。系統主要仿真參數如表1所示; 由于不同的地質條件, 負載的大小不同, 故采用兩種不同的地質條件的負載進行仿真分析, 如圖4所示。

圖3 頂驅雙動力裝置液壓驅動系統的AMESim仿真模型圖

通過AMESim 系統仿真, 現對沖擊回轉鉆頭(RL0121) 和套筒鉆頭(RL0122) 的轉速、變量馬達的輸出流量的仿真結果進行分析。

從圖5、6中可以看出, 旋轉負載的轉速RL012121和RL012221 與RL012122 和RL012222 轉速分別為75 r /min 和71 r /min左右; 而液壓馬達的輸出流量均在92L /min左右。仿真結果體現了容積調速回路的恒功率控制特性。當負載遇到某一特殊地質條件, 負載突然增大, 而液壓馬達的輸出轉速降低, 保證液壓馬達的輸出轉矩。故這種調節回路即有利于保證錨桿鉆機動力裝置正常工作, 不會因負載增大或減小導致不動作或產生溢流現象, 又可以提高工作效率。

4 結論

將AMESim應用在錨桿鉆機液壓系統的仿真, 并以頂驅雙動力裝置為實例進行了建模仿真分析, 得到了合理的設計計算與滿意的系統控制效果。根據選定變量馬達和多路閥, 所設置的參數能夠很好滿足錨桿鉆機的使用要求, 從圖5、6可知, 當在兩種不同地質條件時, 通過負載傳感系統的反饋, 降低或提高液壓馬達旋轉速度, 而液壓馬達輸出的轉矩也隨著升高或降低, 從而能夠很好地滿足錨桿鉆機在各種復雜工況下的使用要求。

參考文獻
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