钻机负载敏感回转液压系统动态仿真分析

李 晴

(中煤科工集团西安研究院， 陕西 西安 710077)

0 引 言

全液压钻机由于具有结构紧凑、传动平稳、操纵简单以及容易实现无级变速等优点，在工程施工、地质勘探、瓦斯抽采等领域得到了广泛应用.国内钻机目前大多采用传统的定量泵+溢流阀的阀控液压系统，系统油液温度容易升高，能量损失较为严重，因而有逐渐被具有节能性的新型液压控制系统取代的趋势.目前全液压钻机中采用的节能控制系统一般为负载敏感液压系统，因此对液压传动与控制系统进行动态特性研究，了解和掌握系统的动态工作特性和参数变化，进一步改进和完善系统，提高系统的工作可靠性及响应特性是非常必要的.

1 钻机负载敏感液压系统

履带钻机的回转系统采用负载敏感液压系统，系统的原理图如图1所示.

图1 ZDY1200L履带钻机回转回路原理图

该系统采用最大排量为41 mL/r的负载敏感泵，配套使用负载敏感阀，为回转系统提供动力，并控制系统运转.原理图中为了研究问题的方便，将控制回路进行了简化.其基本原理是通过节流阀前后的压差控制负载敏感阀来调节泵的流量输出，而不仅受负载压力变化的影响；泵的出口压力仅比负载压力高出一定值(该压差值通常为0.7～2.1 MPa)，在最高限压范围内能自动适应负载的变化.液压泵只需提供与执行元件负载相匹配的压力、流量，液压系统中不产生过剩压力和过剩流量，因而系统具有显著的节能效果.

2 负载敏感泵建模

AMESim(Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of engineering systems)是法国Imagine公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，它为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用已有的模型或建立新的子模型元件，构建优化设计所需要的实际模型；采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图；方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例；可修改模型和仿真参数，进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果.界面比较友好、操作比较方便.本文选用AMESim软件对系统进行建模仿真.

图2 负载敏感泵原理图

该钻机回转系统采用型号为PVT20的负载敏感泵作为动力源，泵的系统原理图如图2所示.

PVT20泵的最大排量为41 mL/r，压力设定为210 bar.图3为负载敏感阀的结构模型和AMESim仿真模型，而后采用AMESim中的Hydraulic库、Mechanical库和HCD库建立负载敏感回路的模型.

3 回转液压系统的动态仿真分析

钻机在工作过程中，变量马达通过变速箱减速机构减速后，将动力传递给主轴.钻杆装入主轴通孔后，卡盘夹紧钻杆，随同主轴一同转动，从而实现钻杆回转.钻机的回转液压系统采用了负载敏感系统，额定转矩为1 200 N·m.本次仿真设置其负载为500～1 000 N·m，研究回转回路对典型负载工况的动态特性.

图3 负载敏感阀的原理图

回转回路的仿真时，依据PVT20型负载敏感泵的原理对其进行建模，负载敏感阀则使用节流口进行模拟，其出口连接马达回转测试回路，其仿真模型如图4所示.仿真时考虑了100 m钻杆，其参数均按照实际参数设置.

图4 回转回路的仿真模型

在AMESim中仿真运行，方向控制阀为O型，仿真开始10 s后将换向阀推向右位.输出相应的结果，图5给出了负载摩擦力矩的变化曲线，图6为泵口压力与马达入口压力的变化曲线，图7为负载敏感泵斜盘位置变化曲线，图8为泵出口流量的变化曲线.

由分析结果可知，在图5所示的负载摩擦力矩的作用下，系统压力发生明显变化，且压力变化趋势符合负载摩擦力矩变化趋势，泵口压力与马达入口压力变化曲线如图6所示，泵出口压力始终与负载压力有一定差值；通过图7、8可以看到，正常工况工作过程中液压泵的斜盘始终在动态调整，保证正常工况下出口流量基本保持恒定.这些特性反映了负载敏感液压系统的压力流量的动态特性，即泵出口压力始终与负载压力相适应，且负载压力高出某一恒定值，不受负载压力变化的影响，具有明显的节能效果.

图5 负载摩擦力矩变化曲线 图6 泵口压力与马达入口压力变化曲线

图7 泵斜盘变化曲线 图8 泵出口的流量变化曲线

4 结束语

通过对回转回路液压系统典型工况下的动态仿真分析，可以看出在不同负载摩擦力矩的作用下，系统压力发生变化，系统压力变化适应负载变化，负载感应明显，减少了液压系统的能量损失，达到了节能的目的.研究负载敏感液压系统在此工况下的动态特性，可以很好地了解钻机在工作过程中的动态响应，为后续的钻机液压系统设计工作提供理论依据.

参考文献

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