锚杆钻机液压控制系统工作特性研究

张廷寿

（中国铁建重工集团有限公司，长沙 410100）

锚杆钻机是锚杆支护施工的关键设备之一，其动力方式有电动、气动及液压。

近年来，随着我国岩土工程迅速发展，液压锚杆钻机在煤港矿道和岩土锚固工程中得到广泛应用[1]。目前，锚杆钻机的液压系统存在灵活性差、防卡钻能力弱、推进力可调范围小等问题。本文对锚杆钻机液压系统进行设计和分析，并通过AMESim建模仿真软件进行仿真与分析，仿真结果验证了锚杆钻机实际工况特性与液压系统设计的合理性和可行性，达到实际工况需求[2]。

1 液压系统总体方案分析与设计

1.1 设计要求

设计液压系统时，力求简单实用，尽可能用少量液压元件来实现钻机所具备的各种动作和功能，降低故障率。要求液压系统结构简单紧凑、系统稳定可靠，选用互换性好（标准化）的液压元件，整机操作安全、简单，同时提高锚杆钻机工作效率。

1.2 液压系统原理

结合实际工况要求，笔者设计出锚杆钻机液压控制系统，如图1所示。

1.3 动力源供油方式的选择

因执行机构仅有一个液压马达和一个液压油缸，马达排量为130 mL/r，油缸最大伸缩行程为2600mm，考虑锚杆钻机机构合理性、简单实用性的特点，采用单泵供油方式。恒压变量泵为推进、回转机构供油，泵出口设安全阀起安全保护作用，推进回路设有电磁换向阀、防卡钻阀、平衡阀，回转回路设有电磁换向阀。两回路通过顺序阀连接。

1.4 液压驱动控制系统工作原理分析

从图1可看出，液压驱动控制系统各部分工作原理如下。

1.5 泵的启动

各控制阀位于图1中所示状态时，启动泵的驱动电机。此时，三位四通电磁换向阀工作于中位，推进、回转回路处于卸荷状态，无压力油进入系统。

1.5.1 推进工作原理

在推进回路中，三位四通电磁换向阀3的左位控制锚杆钻机推进油缸反向（动力头退回）工作，右位控制锚杆钻机推进油缸正向（动力头推进）工作，调节换向阀手柄可以推进回路的流量，实现推进速度无极控制。三位四通电磁换向阀断电时，锚杆钻机停止推进。

图1 锚杆钻机液压控制系统原理

1.5.2 回转机构液压回路

回转回路中动力头的转速随着恒压变量泵1排量的变化而变化，三位四通电磁换向阀3左位时动力头反转，右位时动力头正转。调节换向阀手柄可以调节回转回路的流量，实现回转速度控制。

1.6 防卡钻工作原理

锚杆钻机进行钻孔工作时，当回转压力小于顺序阀4的调定压力时，顺序阀不动作，防卡钻阀5处于右位，正常钻孔。若发生意外卡钻，回转压力增大至大于顺序阀4的调定压力，顺序阀4开启，回转压力油经过顺序阀4作用于防卡钻阀5的两液控端口。由于节流减压作用，当左边控制力大于右边控制力时，防卡钻阀5换向，阀的左位处于工作状态，压力油进入推进液压缸有杆腔，活塞杆带动钻杆自动退回，液压回路自动实现防卡钻功能。

2 基于AMESim软件液压控制系统建模与仿真

2.1 基于AMESim软件液压控制系统建模

LMS Imagine.lab AMESim是法国Imagine公司于1995年推出的综合仿真软件，通过将元件已有的模型连接起来，就可以进行系统的建模仿真，现对锚杆钻机的关键参数及仿真参数做以下设定。

系统压力280bar，系统流量160L/min，回转马达排量130mL/r，回转马达转速420r/min，全阀调定压力250bar，最大负载扭矩200N·m，顺序阀开启压力150bar，回转载荷惯性1kg·m2，无杆腔平衡阀设定压力100bar，有杆腔平衡阀设定压力50bar，长油缸活塞质量20kg，短油缸活塞质量10kg，油缸缸径63mm，油缸杆径45mm。基于以上参数和锚杆钻机液压控制系统的工作原理，建立的锚杆钻机液压控制系统AMESim模型如图2所示。随后进入仿真模式，仿真时间设定为4s，时间步长设定为0.01s。

图2 锚杆钻机液压控制系统仿真模型

2.2 仿真结果及分析

设定系统参数，若此时改变负载力，则推进力随负载力变化曲线如图3所示。由图3可知，推进力可调范围广，负载力增大时推进力增大，负载力减少时推进力减少，推进力随负载力变化而变化，可有效减小系统能耗，提高系统工作效率。

图3 推进力随负载力变化曲线

图4 推进油缸位移随时间变化曲线

3 结语

本文设计并介绍了锚杆钻机液压控制系统的工作原理，建立了钻机液压系统的AMESim仿真模型，分析了锚杆钻机在回转、推进过程中，外负载对锚杆钻机推进力的影响情况，研究了系统防卡钻工况、回转压力对系统推进油缸的影响情况。仿真结果验证了锚杆钻机实际工况特性和液压系统设计的合理性和可行性，对锚杆钻机液压控制系统设计有指导意义。