锚杆钻机分流式双马达并联回转系统特性分析

摘要：锚杆钻机是井下锚固支护的关键设备之一，现使用AMESim搭建锚杆钻机分流式双马达并联回转系统，并对该回转系统特性进行仿真分析。仿真结果表明，在节流阀某一开口度范围内，其调速特性与马达转速呈线性变化;双马达并联回转机构可均分负载扭矩，避免传动齿轮损坏;马达的调速特性存在一定的功率损失。

关键词：锚杆钻机;双马达并联;回转系统特性

0    引言

锚杆钻机是井下锚固支护的关键设备之一，主要有气动式、液压式和电动式三大类，前两者已经成为国外主流[1]。目前液压锚杆钻机正广泛应用于井下锚固支护环节，在锚杆钻机破岩作业过程中，由于井下岩性质的不确定性，除了推进力外，马达所受扭矩也会受到岩层硬度的影响，当压力增大到系统极限值时，需降低回转转速，进而影响钻孔效率[2]。因此，回转机构的设计对液压锚杆钻机的作业效率有着极其重要的影响，分析锚杆钻机回转机构特性对设备使用和提高作业效率具有重要意义。

1    锚杆钻机组成及双马达并联回转机构分析

锚杆钻机的设计往往是根据煤岩特性进行的，因此不同型号锚杆钻机的各个参数、动力以及破岩原理各不相同[3]。ZDY650钻机如图1所示，锚杆钻机主要包括动力组件、液压马达、导轨、机架体、进给油缸、滑移组件、夹持组件。其中，动力组件是锚杆钻机的核心部分，主要由冲击机构和回转机构组成[4]。回转系统是回转机构的重要组成部分，为避免岩层硬度突变对回转机构造成损坏，本文将对锚杆钻机回转机构的设计进行分析。

双马达并联设计如图2所示，齿轮1与齿轮2分别与两个马达连接，齒轮3连接回转机构。3个齿轮受力如图2所示，即回转机构所受负载力矩由两个齿轮共同承载。

式中：r1、r2为齿轮1、齿轮2直径;F1、F2为齿轮1、齿轮2所受作用力;M1、M2、M3为齿轮1、齿轮2和齿轮3扭矩。

2    分流式双马达并联回转系统建模

LMS Imagine.lab AMESim是法国的Imagine公司于1995年推出的仿真建模软件，通过将系统库中已有的元件模型连接起来，就可以进行相关系统的仿真与分析[5]。分流式双马达并联系统建模如图3所示，主要模型元件参数设置如表1所示。

根据市场上现有的锚杆钻机参数，设置泵和液压马达排量和最大转速均为100 cm3/r和400 r/min，电机转速400 r/min，三位四通阀给定信号-40 null，始终处于右位，阻尼孔直径为0.2 mm，死腔容积为4 cm3。节流阀主要用来调节马达转速，节流阀信号及负载扭矩信号设置如图4和图5所示。

3    AMESim仿真结果及分析

设置仿真时间20 s，时间间隔为0.01 s，得到双马达转速如图6所示，双马达和负载扭矩如图7所示，节流阀损失功率如图8所示。

由图6可以看出，0～5 s内，随着节流阀开口逐渐关闭，马达转速与节流阀开口度并不完全是呈线性关系，而是大约经过1.5 s后呈现线性变化，即节流阀开口度在某一范围内与马达转速呈线性变化。节流阀开口关闭后，泵的转速为双马达转速之和，即双马达并联分转速。由图7可以看出，当节流阀开口完全关闭后，负载扭矩大小始终是两个马达扭矩之和，即双马达能够起到均分负载扭矩的作用。通过节流阀部分的流量并未经过负载直接回流油箱，因此，分流式调速存在流量损失。由图6、图8可知，马达转速越低，浪费在节流阀上的功率损失也就越大。

4    结论

通过使用AMESim分析锚杆钻机分流式双马达并联回转系统特性，主要可得到以下3个结论：

（1）分流式调速特性并不完全与节流阀开口度呈线性变化，而是在某一开口范围内马达转速与节流阀开口呈线性变化。

（2）双马达并联机构可以起到均分负载扭矩的作用，在负载扭矩过大时，可以避免传动齿轮负载过大，减少齿轮损坏;但泵的输出流量也一分为二，马达转速相对较低，可适用于负载扭矩较大、转速需要较低的岩层环境中。

（3）分流式调速存在着功率损失，马达转速越低，损失越大，应尽量避免马达在太低的转速下运转，造成能源利用率低下。

[参考文献]

[1] 王晓瑜.冲击回转机载型锚杆钻机液压系统设计与AMESim建模仿真分析[J].机床与液压，2016，44（21）：147-150.

[2] 郭一楠，程伟，杨欢，等.锚杆钻机转速的头脑风暴最优自抗扰控制[J].郑州大学学报（工学版），2019，40（3）：13-18.

[3] 席翠霞.锚杆钻机的选型设计方法简介[J].科技经济导刊，2019，27（18）：57.

[4] 卫东东，原思聪，尚敬强，等.基于AMESim的液压锚杆钻机冲击器系统建模与仿真[J].煤矿机械，2012，33（1）：76-78.

[5] 张廷寿.锚杆钻机液压控制系统工作特性研究[J].现代制造技术与装备，2018（10）：197-198.

收稿日期：2021-05-26

作者简介：陆有兵（1995—），男，安徽淮南人，硕士研究生，研究方向：液压锚杆钻机。