煤层气钻机回转系统分析及参数优化

鲁飞飞

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710074）

阀后补偿负载敏感系统能够实现负载独立的流量分配，具有较好的抗流量不饱和特性及负载适应性，在车载钻机液压系统中得到了广泛的应用[1-3]。相关文献也对阀后补偿负载敏感系统进行了大量的研究[4-5]。然而在煤层气车载钻机回转液压系统调试及钻机能力检测过程中，发现动力头回转转速常达不到理论设计值。为满足车载钻机对回转系统速度钢性要求，以ZMK5530TZJ100F 车载钻机为研究对象，基于AMESim 专业仿真软件建立了系统模型，利用动态分析及试验结合的方法，对车载钻机回转液压系统参数优化进行研究。

1 回转液压系统工作原理

车载钻机主回路液压系统原理如图1，主回路采用阀后补偿负载敏感系统，分别控制回转系统及给进系统。

图1 车载钻机主回路原理图Fig.1 Principle diagram of main circuit of vehicular drilling rig

压力补偿器为三通阀，系统最高负载作为负载反馈压力，同时作用于三通阀一端，节流阀阀后压力作用于三通阀芯另一端，阀芯受力平衡方程为：

式中：p1、p2、p3、p4为图1 各油口出压力；A 为三通阀芯截面积；FK为弹簧阻力；c 为黏性阻力系数；v为阀芯运动速度。

由于补偿阀芯LS 通过梭阀取自两执行机构的最高工作压力，所以p3＝p4，当2 个阀芯规格相同，弹簧力相同时，忽略黏性阻尼，故p3＝p4，由于2 个节流阀的进口压力相同，因此，2 个节流阀前后压差相同，因此，根据薄壁孔流量公式:

式中：qs为薄壁孔流量；Cq为流量系数；ρ 为油液密度；△p 为薄壁孔前后压差。

从式（3）可以看出，节流阀流量只与阀开口面积及节流阀前后压差有关，根据式（1）和式（2）可以看出，车载钻机给进及回转系统输出流量只与各联多路阀开口有关，系统具有较好负载适应性及抗流量饱和特性。

从图1 可以看出，车载钻机所采用的阀后补偿负载敏感阀，2 片阀都处于中位时，负载反馈回路无法卸荷，因此多路阀设计中，一般在反馈油路增加阻尼孔1 和阻尼孔2（如图1）。阻尼孔的主要作用一方面是负载反馈回路卸荷，另一个作用是减小反馈系统冲击，而在一般系统分析时，常忽略阻尼孔，正是由于阻尼孔的存在，反馈管路中存在泄露及压降，由于车载钻机回转系统中，管路相对比较复杂，在实际使用中出现系统响应慢，系统流量达不到设计要求等问题，降低了系统控制精度及响应[6-8]。

2 回转系统建模及仿真分析

通过分析负载敏感系统原理，建立系统AMEsim 模型[9-10]，动态系统参数设定如下：①泵排量:520 mL/r；②多路阀通径：25 mm；③回转马达总排量：2 660/1 328 mL/r；④动力头转动惯量：19.2 kg/m2；⑤泵输入转速：1 800 r/min。

2.1 阻尼孔对回转系统的影响

在对比反馈回路中增加孔径为2 mm 阻尼1 和孔径为0.8 mm 阻尼2 及不设阻尼情况下，动态模拟动力头回转，动力头负载为8 MPa,动力头输出转速对比曲线如图2，反馈系统压力对比曲线如图3。

图2 动力头输出转速对比曲线Fig.2 Output speed contrast curves of power head

图3 反馈系统压力对比曲线Fig.3 Pressure contrast curves of feedback system

从图2 中可以看出，在第2 s 是多路阀换向，从动力头马达输出转速可以看出，在不增加阻尼的情况下，阀全开时，系统流量钢性较好，但反馈系统压力波动较大。增加阻尼以后，系统响应时间缩短，但是相同阀开口度下，动力头输出转速降低，观察图3可以看出，增加阻尼以后，反馈回路压力波动较未增加阻尼明显减小，且较快速达到稳态。通过模拟可以看出，在反馈回路中增加阻尼，可以提高系统的响应时间，同时减小反馈回路的压力波动，有利于提高系统使用寿命，但是在系统中增加阻尼以后，动力头回转转速有明显的降低。

调节阻尼孔1 及阻尼孔2 的参数，动态模拟外负载逐渐增大，不同阻尼转速对比曲线如图4，从图4 中可以看出，当阻尼孔参数匹配不合理时，当外负载增大时，动力头输出转速有明显的下降（如图中红色曲线），系统负载适应性变差。通过调节阻尼孔2 及阻尼孔1 参数，当阻尼1 不变，通过减小阻尼2；或者在不改变阻尼2 的情况下，通过增大阻尼1 的大小，均可提高系统负载适应性。

图4 不同阻尼转速对比曲线Fig.4 Different damping speed contrast curves

2.2 反馈管路对系统的影响

由于车载钻机反馈管路较长，在实际模拟和测试中，应当考虑管路对系统的影响后，再进一步分析系统的动态特性。动态模拟在反馈系统中不设阻尼，而在反馈回路中增加10 m 的6 mm 通径胶管，动态模拟动力头回转，增加管路后动力头转速对比如图5。未增加管路时反馈系统压力曲线如图6，增加管路后反馈系统压力曲线如图7。

图5 增加管路后动力头转速对比Fig.5 Speed comparison of power head after adding pipeline

图6 未增加管路时反馈系统压力曲线Fig.6 Pressure curve of the feedback system without adding pipeline

图7 增加管路后反馈系统压力曲线Fig.7 Pressure curve of feedback system adding pipeline

由图5～图7 可以看出，当系统中增加长管路以后，系统响应有一定的滞后，从动力头输出转速可以看出，转速稳定性较没有管路时有所提高。在系统中增加管路以后，反馈系统压力波动较没有增加管路之前有明显的减小。通过模拟可以得出结论，当回转回路管路较长时，有利于减小系统冲击，从而提高系统使用寿命，但是增加管路后，系统响应时间滞后。

通过对比模拟结果可以看出，在反馈系统增加阻尼，可以提高系统响应及减小反馈系统压力冲击及波动，但是会对动力头输出转速刚性有影响，当匹配不合理时，系统负载适应性降低。反馈长管路可以提高反馈系统稳定性，但是系统响应会滞后。

3 回转系统匹配试验

为进一步验证模型的准确性及模拟结果，对ZMK5530TZJ100F 车载钻机回转系统进行试验研究。在系统中设置阻尼和未设置阻尼进行测试，由于多路阀阻尼1 孔径一般为厂家出厂设定，无法调整，因此通过调整阻尼2 孔径进行对比试验。未调整阻尼及短管路测试结果如图8，调整阻尼及长管路测试结果如图9（图中虚线为反馈系统压力，实线为动力头输出转速，点划线为控制油源压力）。

图8 未调整阻尼及短管路测试结果Fig.8 Unadjusted damping and short pipeline test results

图9 调整阻尼及长管路测试结果Fig.9 Adjustment damping and long pipeline test results

从图中可以看出，在动力头负载同为8.5 MPa的情况下，未增设阻尼时，反馈系统压力有明显的波动及冲击，系统峰值压力为13.2 MPa，但动力头输出转速为25 r/min，当系统增加0.8 mm 阻尼及10 m 的6 通径胶管后，系统压力冲击和波动有明显的好转，但是系统响应有明显的滞后，此时动力头转速为22 r/min。对比2 个测试结果可以看出，通过增加阻尼和管路可以减小系统冲击及压力波动，但是系统响应会存在滞后影响，而且，在同等负载下，增加阻尼以后，动力头转速有所下降。

4 结 语

以ZMK5530TZJ100F 车载钻机回转系统为研究对象，采用理论分析及动态模拟的方法，动态模拟对比了负载反馈回路阻尼及管路对系统响应及负载特性的影响，得出在反馈回路中增加阻尼可以提高系统响应，减小系统冲击及压力波动，但是是动力头输出转速钢性会降低。长管路反馈回路可以提高系统稳定性，减小系统冲击，但是会引发系统响应滞后，因此在钻机液压系统设计中，特别是管路较长的情况下，可适当的减小阻尼孔2，以提高动力头负载适应性，提高动力头响应。