全液压钻机负载敏感液压系统设计及仿真分析

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(成都理工大学 核技术与自动化工程学院， 四川 成都　610059)

引言

随着液压技术的不断发展，液压系统在钻探设备的应用已经十分普遍。而钻探负载的变化规律很复杂，影响因素很多，如岩层、孔深、钻孔弯曲等，各因素之间又存在交互作用，因此，钻探负载具有随机性、关联性和离散性等特点[1]。传统的全液压钻机液压系统一般采用定量泵+溢流阀的控制方式，这种控制方式能够完成执行机构预定动作循环和满足系统静态性能要求，但动态性能差，能量损耗大，系统效率低，已经不能满足现代矿山作业生产要求[2]。因此，充分考虑系统工作效率和能耗控制问题，在传统液压系统的基础上研究设计新型液压系统十分必要。

本研究以ZDY320型全液压钻机为对象，根据传统全液压钻机液压系统存在的问题，设计了将负载敏感技术与传统辅助阀块相结合的新型液压系统，尽可能提高液压系统效率的同时降低了生产成本。推导出负载敏感阀和节流阀的数学模型，通过在图形化仿真环境AMESim中建立负载敏感泵与液压系统主轴回转回路模型，进一步分析负载敏感控制系统对全液压钻机性能的影响及特点，对理解、设计以及使用负载敏感液压系统都是十分有意义的，也为今后液压系统自动化控制设计提供了参考。

1　负载敏感系统工作原理

全液压钻机负载敏感液压系统是一种根据系统压力及流量需求动态调整提供所需求的流量和压力大小的液压回路，其工作原理图如图1所示。

1.变量缸小腔　2.变量缸大腔　3.恒压变量调节阀4.泵控压力补偿器　5.节流阀图1　负载敏感系统原理图

实际使用中，负载敏感泵通常不是与节流阀，而是与负载敏感阀或比例换向阀配合使用。为便于介绍负载敏感系统原理，此处假设负载有流量需求。

当节流阀5通径足够大且全开时，其前后压力基本相等，由于泵控压力补偿器4左右腔压力分别是节流前和节流后的压力，所以此时其左右腔压力也基本相等，在泵控压力补偿器内部弹簧力作用下泵控压力补偿器处于初始位置，泵变量缸大腔2与回油相通，压力油进入变量缸小腔1推动斜盘向大角度方向移动，泵工作在最大排量，输出压力持续增大。若输出压力增大至超过恒压变量调节阀3设定的系统最高压力时，恒压变量调节阀3阀芯右移，压力油经恒压变量调节阀3直接进入变量缸大腔2，推动斜盘向小角度方向移动，泵输出压力随即减小至恒压变量调节阀3内部弹簧设定压力，保证泵输出压力始终不超过系统最高压力，对系统起限压保护作用。

当节流阀5开度逐渐减小时，如果泵输出流量不变，则节流阀5前后压差逐渐增大。当其开度减小到一定程度时，如果泵输出流量仍然不变，必然会造成节流阀5前后压差超过泵控压力补偿器4的设定压差，于是泵控压力补偿器4的阀芯右移，泵出口油进入变量缸大腔2，将斜盘向小角度方向推动，泵输出流量随即减小，节流阀5压差降低。当油液流经节流阀5产生的压差正好与泵控压力补偿器4设定的压差相等时，泵控压力补偿器4达到平衡状态，泵斜盘稳定在某个位置，使泵的输出流量与节流阀开度相匹配。

2　全液压钻机负载敏感液压系统设计

2.1　ZDY320型全液压钻机介绍

ZDY320型工程钻机的结构如图2所示。

1.动力头　2.桅板　3.卡盘　4.夹持器　5.底座6.升降油缸　7.支撑杆　8.调角油缸图2　ZDY320型全液压钻机结构图

其工作过程描述如下：

动力头1在液压油的驱动下带动卡盘3回转，卡盘3在液压油的作用下夹紧钻杆，带动钻杆回转，同时动力头1在桅板2上滑动，实现直线给进运动，两种运动同时作用完成钻进工作；夹持器4在液压油作用下夹紧或松开钻杆，可防止钻杆回退，与卡盘3配合可完成接杆及卸杆工作；底座5上放置质量块或加稳钻支柱进行稳钻；升降油缸6在液压油作用下可完成桅板的升降工作；支撑杆7支撑钻机桅板以保持钻机稳定；调角油缸8在液压油作用下可完成钻进角度调整工作。

2.2　全液压钻机负载敏感液压系统设计

根据传统全液压钻机存在的问题，充分考虑液压系统工作效率和生产成本的情况下，针对自主研发的ZDY320型全液压钻机设计了新型的液压系统。液压系统原理图如图3所示。

该液压系统中，采用了负载敏感控制系统与传统控制阀块相结合的控制方式，负载敏感比例多路换向阀通过LS信号通道提供给负载敏感泵压力差信号，带有比例调速功能；主控阀采用负载敏感比例多路换向阀，实现动力头旋转与钻杆给进动作，其他辅助油缸由一连负载敏感阀输出压力油到普通多路换向阀块控制。由负载敏感变量泵和负载敏感比例多路阀组成的钻机液压控制系统，能根据液压马达的负载压力大小，自动匹配泵的输出压力。当压力超过泵预设的最高压力时，自动工作在恒压状态，对系统起过载保护作用。负载敏感特性可使多路执行元件同时并相互独立的以不同速度和压力工作，每一路换向阀的负载压力和流量与系统匹配，从而实现系统节能。所以，同定量泵和恒压变量泵相比，节能效果显著，减少系统发热，延长液压部件寿命，提高生产效率，减少发动机过载，节省油料耗能；因为带有比例功能，启动和停止无冲击且运转平稳。

1.负载敏感泵　2.负载敏感比例多路阀块　3.钻机回转液压马达　4.钻机给进油缸　5.夹持器油缸6.卡盘油缸7.机身升降油缸　8.机身调角油缸　9.辅助控制阀块图3　全液压钻机液压系统原理图

3　负载敏感控制数学模型分析

3.1　节流阀数学模型

假设图1中压力补偿器4的阀芯作用面积为A1，弹簧设定初始压力为F，负载压力为p1，泵出口压力为p2，节流阀流量系数为K，节流阀开口面积为A2，油液密度为ρ，可得节流阀的流量方程为：

节流阀芯的平衡方程为：

A0(p2-p1)=FS

式中：A0为节流阀阀芯面积；FS为节流阀弹簧设定压力。

3.2　压力补偿器阀芯运动方程

对压力补偿器阀芯进行受力分析，得出阀芯运动平衡方程为：

式中：A1为压力补偿器阀芯控制面积；F为压力补偿器弹簧预调力；KS为压力补偿器阀弹簧刚度；x为压力补偿器阀芯位移(设向右为正向)；M为压力补偿器弹簧质量[3]。

4　全液压钻机负载敏感系统仿真分析

在对负载敏感系统的理论研究基础上，运用AMESim仿真软件对ZDY320型全液压钻机负载敏感液压系统主轴回转回路进行仿真分析。

4.1　系统建模及参数设置

AMESim系统可用于完成工程系统的建模，建模方法类似于功率键合图法，但更为先进。其仿真范围广，能够实现机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真，且不同领域的模块之间可直接进行物理连接[3]。为清晰表述负载敏感系统的仿真模型，首先在AMESim中设计负载敏感变量柱塞泵的图标及其超模型，其模型如图4所示。

全液压钻机负载敏感液压系统中，每一路负载敏感换向阀的负载压力经过梭阀选择后将最高的负载压力信号传至负载敏感泵的负载敏感接口，负载敏感泵对负载压力变化的自适应性主要体现在钻机回转回路中。因此，对钻机回转液压系统进行建模如图5所示。负载敏感泵的最大排量为55 mL/r；电机额定转速为1500 r/min；节流阀的最大开口直径为10 mm； 负载敏感阀弹簧预压力为157 N，相当于该阀受到2 MPa的作用力；限压阀的开启压力为15 MPa；液压马达排量为65 mL/r，最高转速为800 r/min；模拟负载设定波动负载压力，其转动惯量为1.25 kg·m2，齿轮传动比为8。负载敏感变量柱塞泵变量机构、限压机构及负载敏感阀在AMESim中均没有可用模型，故用AMESet及HCD模块即液压元件设计模块构建负载敏感系统图标超模型如图4。仿真环境中，介质密度为850 kg/m3， 体积模量为1700 MPa，动力黏度为0.051 Pa·s，参考温度为40 ℃ 。

1.变量机构　2.限压阀模型　3.负载感应控制器图4　负载敏感变量柱塞泵图标及仿真模型

图5　钻机负载敏感液压系统主轴回转回路仿真模型

4.2　系统仿真分析

在实际工况中影响全液压钻机的因素很多，如岩层硬度的变化、钻孔深度及孔壁状态等，使得全液压钻机负载具有很大的随机性和模糊性。因此为尽量模拟实际工况中遇到的不稳定的负载压力，在AMESim中设置模拟负载变化曲线如图6所示。在AMESim中运行80 s，输出相应仿真结果，马达入口压力和泵口输出压力变化曲线如图7所示。

图6　负载转矩模拟工况变化曲线

图7　马达入口压力与泵出口压力变化曲线

由图7可以观察到，从电机开始运行到运行至10 s 过程中，给定模拟负载基本为零，系统输出压力基本维持在2.25 MPa，该压力比负载敏感阀设定压差高出0.25 MPa，该值与系统管阻、泵结构等有关，用以满足整个系统的內泄，即系统空载时，泵以低压小排量输出，大大减少了系统的能量损耗。从仿真时间10～80 s 的过程中，泵出口压力始终随着负载压力的变化而变化，且始终比负载压力高出约2 MPa的恒定值，即负载压力增大时，节流阀前后压差增大，液压油经过压力限制阀进入小变量油缸弹簧腔推动活塞，使得负载敏感泵斜盘顺时针转动，泵口压力增大；负载压力减小时，泵控压力补偿器阀芯右移，泵出口油进入大变量缸推动斜盘逆时针方向转动，泵口压力减小，泵出口压力随负载压力增大或减小过程中始终高出负载压力2 MPa， 该值不受负载变化的影响。

5　结论

通过对全液压钻机负载敏感液压系统设计及仿真分析，结合ZDY320型实验钻机的部分参数设置及其回转工况，可以得出以下结论：

(1) 系统压力自适应，即系统压力始终与负载压力变化相适应，且高于负载压力一个恒定值，满足设计需求；

(2) 系统空载时，泵以低压小排量输出，避免了溢流的发生，减少了能量损耗。同时减少了系统发热量，延长了液压部件寿命；

(3) 系统带有比例功能，调速方便，启动停止平稳；

(4) 系统过载保护，即泵输出压力始终不超过系统最高压力，对系统起限压保护作用。

由负载敏感变量泵和负载敏感比例阀组成的钻机液压系统，能够大大降低系统能耗以达到节能的目的；良好压力自适应性能很大程度提高了系统的工作效率。但具有负载敏感技术的液压元件结构十分复杂，部分零件精度极高，对加工制造技术具有很高的要求，对油液清洁程度也十分敏感。由于我国加工制造业水平限制，该系统的设计及维护难度大、成本高，这正是我们后续液压系统设计亟待解决的问题。

参考文献：

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[5]周雄，朱新才，李良.负载敏感控制在液压钻机中的应用[J].机床与液压，2007，(8)：129-130.

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