全液壓牙輪鉆機鉆進時扭矩限制的研究

0序言在全液壓齒輪機槍的旋轉過程中，巖石會受到周期性影響。1回轉限壓閥組回轉液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示,高壓油由閉式泵經(jīng)過多路閥到達回轉馬達,驅(qū)動馬達轉動,液壓馬達驅(qū)動整個回轉機構,帶動鉆桿轉動。鉆桿的負載特性與鉆頭工作環(huán)境和轉速有關,巖石硬度大,要求的扭矩增大,回轉液壓系統(tǒng)壓力增大。當鉆桿轉速加快時,鉆頭和鉆桿所受巖層和巖壁摩擦力增大,回轉液壓系統(tǒng)壓力也會升高。限制回轉液壓系統(tǒng)的壓力,可以達到限制鉆桿的扭矩的目的,而回轉系統(tǒng)的壓力可以通過改變閉式泵的排量來調(diào)節(jié)。所以設計一個回轉限壓閥組,將回轉系統(tǒng)的壓力信號引入閉式泵的伺服缸,調(diào)節(jié)閉式泵的排量,限制回轉系統(tǒng)壓力和鉆桿扭矩。回轉限壓閥組的設計要求:回轉限壓閥組引入的壓力信號為調(diào)定值,閥組下游壓力不能影響已調(diào)定的開啟壓力;閥組可以實現(xiàn)遠程壓力控制,即操作人員在駕駛室內(nèi)就可以對回轉限壓閥組進行調(diào)壓,以達到保護鉆桿目的;閥組響應速度要快,而且工作可靠;能夠保護伺服缸,防止引入的壓力信號對伺服缸形成沖擊。2主流閥圈壓閥組2.1溢流閥回流閥組設計以溢流閥為核心的回轉限壓閥組如圖2所示,閥組中P2.2閥部分的壓力仿真分析由于所設計的回轉限壓閥組出油口進入伺服缸,缸內(nèi)會有一定量的液壓油產(chǎn)生背壓,所以對所建立的溢流閥HCD模型施加一個背壓信號,如圖3所示,為溢流閥的HCD模型,上部為先導閥部分,下部主閥部分。設定模型的參數(shù),為仿真模型加上一個斜坡壓力信號,對溢流閥的實際工況進行仿真分析仿真模型所設定的溢流閥的開啟壓力為28MPa,當伺服缸內(nèi)壓力達到約4MPa時,進出口壓差為28MPa,溢流閥主閥開啟,產(chǎn)生流量,此時可以得出溢流閥的進口壓力是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,回轉限壓閥組中,溢流閥下游壓力會影響其開啟壓力,開啟壓力波動會削弱對鉆桿的扭矩保護作用,溢流閥為核心元件的回轉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插裝閥組成設計邏輯閥為核心元件的回轉限壓閥組,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,可以實現(xiàn)遠程無級調(diào)壓。高壓油從P3.2壓力—邏輯插裝閥數(shù)學建模邏輯插裝閥選擇VLSP系列,圖6為邏輯閥的簡化模型。式中:p為進口油壓力;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下面對邏輯閥開啟狀態(tài)時的動態(tài)特性進行分析,數(shù)學模型描述如下:(1)閥芯受力平衡方程:式中:M為閥芯當量質(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)在額定工況點線性化并進行拉氏變換得到閥芯位移與進口壓力之間的傳遞函數(shù):由以上推導可知,邏輯閥的位移輸出量與壓力輸入量之間的關系為二階振蕩環(huán)節(jié),對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邏輯閥回轉限壓閥組工況仿真根據(jù)邏輯插裝閥的結構,以及對其建立的數(shù)學模型,建立其邏輯閥回轉限壓閥組的HCD模型,如圖7所示,對其性能進行仿真分析。在邏輯閥出口施加一個背壓信號,可看做伺服缸內(nèi)壓力。圖8是邏輯閥回轉限壓閥組工況仿真曲線,從圖中可以看到,當設定電磁溢流閥壓力為31.5MPa時,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。仿真結果顯示,邏輯閥的下游壓力不會影響開啟壓力,其開啟壓力是由電磁溢流閥設定的,電磁溢流閥通過電流調(diào)定,可以實現(xiàn)遠程壓力控制,同時其響應迅速,完全符合回轉限壓的要求,所以邏輯閥回轉限壓閥組確定為最終的設計方案。4回轉工況仿真分析回轉限壓系統(tǒng)的整體仿真模型由閉式泵、泵控馬達、回轉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構的超級元件,如圖9所示。設置仿真模型的各項參數(shù),電磁溢流閥調(diào)定33MPa,對整個回轉及限壓工作過程進行仿真分析,得到回轉工況曲線。如圖10所示為系統(tǒng)的回轉壓力曲線,從圖10中可以看出,隨著時間增長,系統(tǒng)壓力大致呈線性升高,在大約3s的時候,系統(tǒng)壓力達到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間變化曲線,在3s時,即系統(tǒng)壓力達到最大值33MPa時,限壓閥組中的邏輯閥閥口打開,有油液流過,說明當系統(tǒng)達到調(diào)定值時,回轉限壓閥組開始工作,保持回轉液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定,限制鉆桿的扭矩。5牙輪鉆機回轉系統(tǒng)仿真模型樣車的回轉裝置如圖12所示。從閉式泵與變量馬達之間的管路間引入高壓油信號與回轉限壓閥塊連接,采集試驗數(shù)據(jù)。對樣車進行調(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。當鉆桿剛剛開始鉆進,土層松軟,鉆速最大而輸出的扭矩比較小;從點B到點A,系統(tǒng)壓力與流量乘積為定值,此過程為恒功率控制,那么此過程馬達排量逐漸變成滿排量,轉速逐漸降低,輸出的扭矩則逐漸增大。達到工況點A時,輸出扭矩達到最大值23000N·m左右,轉速減小至76.0r/min,系統(tǒng)壓力達到回轉限壓的調(diào)定壓力33MPa。此時回轉限壓閥組開始作用,雖然負載力的增大使轉速從76.0r/min持續(xù)減小,但是回轉限壓閥組壓力限制系統(tǒng)壓力保持在33MPa左右,輸出轉矩基本不變。但是實際上由于轉速減小,機械傳動效率降低,扭矩輸出會略微減小,所以反映在曲線圖上扭矩減小,但是輸出扭矩基本會保持在22000N·m左右。將試驗數(shù)據(jù)和仿真參數(shù)進行對比,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。牙輪鉆機回轉系統(tǒng)單個液壓馬達輸出扭矩為1014.3N·m,乘以減速機的速比就是仿真模型輸出扭矩23800N·m,仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)非常接近。由仿真曲線可知,達到回轉限定壓力時,回轉扭矩的輸出基本保持恒定,與試驗曲線最大扭矩輸出值的變化趨勢一致,符合工況要求。仿真結果和試驗結果相互印證的,說明設計的回轉限壓閥組是合理的,所建立的仿真模型也是正確的。6仿真結果分析(1)對溢流閥限壓閥組進行仿真分析,結果表明溢流閥開啟壓力受到下游壓力影響會產(chǎn)生波動,不符合鉆桿扭矩保護的要求。(2)對邏輯插裝閥限壓閥組仿真及數(shù)學建模分析,結果表明邏輯閥的下游壓力不會影響開啟壓力,同時其響應迅速,可以實現(xiàn)遠程壓力控制。對回轉限壓系統(tǒng)仿真分析