（机械电子工程专业论文）潜孔钻机回转液压系统动态特性研究.pdf

中南人学硕十学位论文摘要 摘要 回转液压系统是潜孔钻机主要工作液压系统之一，也是能最先反 映作业工况的液压系统之一。因此，其动态特性的好坏在很大程度上 影响潜孔钻机液压系统的工作性能。随着潜孔钻机近年来的广泛应 用，因卡钻引起的液压系统振动、液压冲击、噪声、平稳性差等问题 逐渐凸现，这些都要求我们对卡钻发生时回转液压系统的动态特性进 行必要的研究。 本文首先对国内外潜孔钻机的研究现状进行了总结，指出当前对 潜孔钻机防卡钻研究的不足，接着对潜孔钻机的卡钻机理进行必要的 分析，总结卡钻时回转液压系统的负载变化特点，并对卡钻临界回转 压力的判定进行了分析，选择了建模和分析方法。 考虑到液压系统的特点，结合当前研究液压系统动态特性的方 法，选择了利用功率键合图法对回转液压系统进行建模。首先分析回 转液压系统的工作原理，对系统中主要液压元件如液压泵、多路阀等 的结构和工作原理进行分析，提出了对液压泵根据工况分别分析的思 想，简化了凿岩作业情况下的泵结构，根据功率键合图的原理对它们 分别进行了建模。接着利用建立的元件模型，在综合考虑系统特性的 基础上，建立了回转液压系统的功率键合图模型，根据功率键合图各 变量间的逻辑关系，推导出系统的状态方程，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立了回转液压系统的模块图，并进行仿真分析，得出马达进 口压力在启动到正常作业、正常作业过程中遇到不同卡钻情况下的变 化曲线，并对结果进行了分析，针对本系统计算出了系统的卡钻临界 回转压力，并完成了系统的性能评价。最后利用实际潜孔钻机产品， 通过适当改装，模拟各种工况，测试出马达进口压力变化曲线。实验 结果表明，本文所建立的潜孔钻机回转液压系统的仿真模型是正确 的，这对指导潜孔钻机改善工作特性、提高防卡装置的效果及对现有 产品进行优化改进等方面具有重要的意义。 关键词潜孔钻机，回转液压系统，动态特性，防卡，仿真 中南人学硕七学位论文ab s t r a c t a b s t r a c t t h er o t a t i n gh y d r a u l i cs y s t e mi sn o to n l yo n eo fp r i m a r yw o r k i n g h y d r a u l i cs y s t e m si nd o w n t h e - h o l e ( d t h ) d r i l l ，b u ta l s oi st h eh y d r a u l i c s y s t e mw h i c hc a nr e f l e c tt h ew o r k i n gs t a t ef i r s t l y ；t h e r e f o r e ，i t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cw i l la f f e c tt h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e mw o r k i n gc a p a c i t yo f t h ed t hd r i l lv e r ym u c h a l o n gw i t ht h ea b r o a du s eo ft h ed t hd r il l ， s o m ep r o b l e m ss u c ha sh y d r a u l i cv i b r a t i o n ，h y d r a u l i ci m p a c t ，n o i s e ，b a d s t a b i l i t ye t cc o m ef o n hg r a d u a l l y , w h i c hd e m a n du st od on e c e s s a r y r e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i cs y s t e m f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c ha c t u a l i t yo fd t h d r i l li s e x p o u n d e d ，a n dt h es h o r to ft h er e s e a r c ho na n t i - ji a m m i n gi sp o i n t e do u t ， t h e n ，t h er o c k d r i l l i n gj a m m i n gm e c h a n i s mi sa n a l y z e d ，a c c o r d i n g l y , c o n c l u d e dt h ep r o p e r t yo fr o t a t i n gs y s t e ml o a dc h a n g e ，a l s ot h en e c e s s i t y o ft h er o t a t i n gh y d r a u l i cs y s t e mr e s e a r c hi sc o n c l u d e d c o n s i d e r i n gt h es p e c i a l t yo fh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h em e t h o d st o r e s e a r c hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i c s y s t e m ，t h ep o w e rb o n d g r a p hi s c h o s e nt om o d e l i n gt h er o t a t i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ew o r k i n g p r i n c i p a lo ft h er o t a t i n gs y s t e ma n dc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d , a n dt h e p o w e rb o n dg r a p hm o d e l so ft h e ma r eg o t t e n t h e n ，b a s e do nt h e c o m p o n e n t sm o d e l ，t h em o d e lo fr o t a t i n gs y s t e mi sb u i l t ，a n dt h e nt h e s t a t u se q u a t i o no f t h es y s t e mi se x p l o i t e da c c o r d i n gt ot h el o g i cr e l a t i v ei n t h ep o w e rb o n dg r a p h t h i r d l y , t h es i m u l i n km o d u l e so ft h er o t a t i n g s y s t e ma r eb u i l tb yu s et h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e ，t h e no p e r a t et h e e m u l a t i o na n dg e tt h ep r e s s u r ec u r v eo ft h ei n l e to fh y d r a u l i cm o t o ra tt h e s t a t e so ff r o ms t a r tt on a t u r a lw o r ka n dd if f e r e n tja m m i n gi n s t a n c e sw h e n t h ed t hd r i l li sw o r k i n gp r o p e r l y , a n dt h e no nt h i sc o n d i t i o n ，t h ec r i t i c a l j a m m i n gp r e s s u r eo fr o t a t i n gs y s t e mi sw o r k e do u t f i n a l l y , m a k eu s eo f t h ed t hd r i l lp r o d u c t ，a f t e rp r o p e r l yr e f i t ，t h ep r e s s u r ec u r v eo ft h ei n l e t o fh y d r a u l i cm o t o ri st e s t e da td i f f e r e n ts i m u l a n ti n s t a n c e s t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h et r u t ho ft h em o d e li nt h i sp a p e rw h i c h m a k e sg r e a ts e n s eo fi m p r o v et h ed t hd r i l l w o r k i n gp e r f o r m a n c e ， i n c r e a s ea n t i - j a m m i gd e v i c ee f f e c ta n de v a l u a t et h ee x i s t i n gp r o d u c ta n d s 0o n i i ! 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d sd o w n - t h e h o l ed r i l l ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，r o t a t i n g h y d r a u l i cs y s t e m ，a n t i - j a m m i n g ，s i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知：除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：当童丛日期：丝= 三址年卫月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：壶公导师签名赵宝整日期：煎年至月笠日 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 潜孔钻机是钻凿矿物和岩石的一种工程机械，是由冲击器潜入孔内直接冲 击钻头，而回转机构在t l 夕i - 带动钻杆旋转，向岩石钻进的设备。它不仅广泛地应 用于冶金、煤炭、化工等矿山机械生产中，而且也是地质、建筑、水电、交通和 军事等工程部门施工中的主要设备。与常见的凿岩机相比，具有孔深、直径大、 钻孔效率高、适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩钻孔设备。潜孔钻机可 在中硬或中硬以上( p 8 ) 的岩石中钻孔。它与凿岩机一样，都有冲击、回转、 排渣和推进的凿岩过程，同属冲击转动式钻机。如同外回转凿岩机一样，具有独 立的回转机构和冲击机构，不同的是潜孔钻机的冲击机构冲击器置于钻杆的 前端，潜入孔底，随钻孔的延伸不断推进，潜孔钻机因此而得名 i - i s j 。 迄今为止，凿岩爆破是实施岩石破碎的主要方法，破碎岩石首先需要在岩 ( 矿) 石中钻凿按爆破要求设计的炮孔。目f j 采用机械破碎岩石钻孔的方法，主要 有三种类型瞳，分别是：( 1 ) 冲击一旋转破碎岩石钻孔，它是采用冲击载荷和转 动钻具一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石。适合在中硬、坚硬的岩石中钻 孔。此类钻孔设备有潜孔钻机和凿岩机等。( 2 ) 旋转破碎岩石钻孔，它是采用旋 转式多刃钻具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。适应在磨蚀性小及中硬 以下的岩石中钻孔。此类钻孔设备有电钻和旋转钻机。( 3 ) 旋转一冲击破碎岩石 钻孔，又称为破碎钻孔，它是施加很大的轴压( 一般大于3 0 0 k n ) 给钻头，同时旋 转滚齿传递冲击和压入力，滚齿碾压岩石的作用比冲击作用大，通过旋转一冲击 破碎岩石，此类穿孔设备最典型的是牙轮钻机。 随着科学技术的发展，理论与实践证明，在地下采矿与天井掘进中，采用大 直径深炮孔装药进行爆破，能取得较好的效果。大直径深孔采矿的基本特点是陋1 ： 采矿工程量少，凿岩爆破成本低，作业安全和矿石破碎均匀、大块率低，总的采 矿成本低和效率高。显然，气腿式凿岩机已不能满足大直径深孔采矿的要求。重 型导轨式凿岩机虽经接杆能钻凿较深的孔，但随着钻孔的加深，钻杆质量加大， 能量传递效率降低，钻进速度逐渐下降，所以也不适合大直径深孔采矿工艺的要 求。在发展大直径深孔采矿方法的过程中，主要采用潜孔钻机和牙轮钻机两种类 型的钻机钻凿大直径深孔。潜孔钻机的破碎原理与传统的凿岩机一样，不同的是 潜孔钻机的冲击机构潜孔冲击器装于钻杆的前端，潜入孔底，活塞直接冲击 钻头，且随钻孔的延伸，不断推进。州。因此，潜孔钻机的钻杆不传递冲击能，故 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 冲击能量损失小，可打更深的孔；应用于井下钻孔时同凿岩机相比，由于冲击器 深入孔内作业，工作面噪音大大降低；应用于露天钻孔时，同钢绳冲击式钻机相 比，钻孔速度提高2 3 倍，机械化程度较高，辅助作业时间少，提高了钻机作业 率；潜孔钻机较轻，机动灵活，投资费用低，特别是能钻斜孔，有利于控制矿石 的品位、增加边坡的稳定性、消除根地、提高爆破质量。在探索究竟采用何种类 型钻机更为合适的实践中，有些矿山实验牙轮钻机未获得成功，用潜孔钻机钻凿 大直径深孔，穿孔速度快、台班效率高、采矿总成本较低；有些矿山并用两种类 型钻机凿岩。经过多年的实践，现已大致制定潜孔钻机和牙轮钻机凿岩的工作范 围，1 0 0 1 7 0 r a m 的炮孔适用于潜孔钻机凿岩，1 7 0 - 一2 0 0 m m 以上的炮孔则用牙轮 钻机凿岩，而1 6 5 m m 孔径的炮孔则被认为是大直径深孔采矿法球状药包爆破的最 佳孔径1 3 5 】。 1 2 潜孔钻机的发展研究现状 1 2 1 国外潜子l 钻机的研究现状 自从5 0 年代初期，第一台潜孔钻机在比利时问世以来，主要是用于露天矿。 地下潜孔钻机的发展一直很缓慢，主要是苏联等国应用这种钻机钻凿大直径深 孔，但当时钻机是支架式的，应用不便，效率较低，故未得到广泛推广。7 0 年 代初期，丌始认识到地下矿山采用大直径深孔落矿，是大幅度提高劳动生产效率 和降低成本的有效方法，才丌始改装和研制适合地下应用的自行式潜孔钻机、钻 具和配套设备，从而促进了地下大直径深孔采矿的迅速发展和不断完善。六十年 代初期，潜孔钻机的回转、推进机构多采用风马达驱动。但风马达效率低，最高 效率仅能达到5 0 。因此，自六十年代后期起，国外一些新型钻机的回转、推进 机构都采用液压马达传动，其传动效率可达到8 0 以上，且承载能力强，可以无 级变速和无级调压，以便获得最优的转速和合理的轴压力；此外，起落钻架、稳 车、送杆等机构均采用液压传动，有的还应用了液压冲击器和液压行走装置，提 高了钻机的机械化和自动化程度，进而有利于提高钻机的作业率【9 1 。 国外潜孔凿岩作业始于三十年代，首先使用于井下钻凿深孔，第二次世界大 战以后，这种凿岩方法逐步转移到露天丌采作业。到六十年代初期，国外露天矿 已经普遍使用潜孔钻机，其中澳大利亚发展最快，至1 9 6 5 年他们已经完全实现了 露天凿岩作业潜孔化。到七十年代初期，国外对潜孔钻机作了大黄研制工作，广 泛用于采矿、采石、水电、交通、勘探、锚固等施工作业。由于采用高风压潜孔 冲击器及其球齿钻头，使炮孔偏斜和寿命过低两个问题有所缓解，所以潜孔钻机 在井下大直径深孔作业中又获得了新的发展1 7 蚋。七十年代后期到八十年代初期 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 发展起来一种新工艺钻凿大直径深孔、装填柱状药包进行阶段空场采矿或漏 斗爆破垂直后退式采矿。它成功地运用了高效率自行式潜孔钻机、冲击器、柱齿 钻头以及高风压凿岩、高密度、高爆速和高容积的威力爆药及微差爆破技术。加 拿大国际金属公司首先用c p1 6 5 m m 大直径深孔采矿法回采矿柱取得成功，运用和 发展了利文斯顿球状药包漏斗爆破理论，演变球状药包垂直后退式采矿法，即v c r 法。同时，继v c r 法的蓬勃发展之后，地下大直径深孔柱状药包台阶爆破采矿法 也得到了广泛应用和发剧2 。8 】。 在凿岩设备的研究开发方面，国际上有几个企业走在行业的前列，它们分别 是：瑞典的a t l a s 、芬兰的t a m r o c k 、美国的i n g a s o l lr a n d 、日本古河等，它们 均推出不同品牌和系列的一体化潜孔钻机。其中瑞典的a t l a s c o p c o 公司和芬兰 的t a m r o c k 公司生产的液压凿岩设备占全球产量一半以上。现阿特拉斯已收购英 格索兰，山特维克已收购塔姆洛克，这些公司的产品经过几十年或上百年的积累、 改进与发展，已达到了一个非常高的水平，无论是从设计、选材还是制造水平来 说，都是非常好的1 9 j 。 1 2 2 国内潜孑l 钻机的研究现状 国内潜孔钻机的发展较晚。到五十年代未期，我国从苏联引进了一批b a 一1 0 0 型( 后经我国改型为y 卜1 0 0 型) 井下潜孔钻机及m 一1 9 0 0 型潜孔冲击器，于是潜 孔凿岩在我国北方很多矿山得到迅速推广，当时主要用它钻凿c b1 0 0 - 1 l o m m 的 深孔。六十年代初，露天潜孔钻机在我国中、小露天矿获得进一步应用和推广， 主要用于钻凿c b1 5 0 m m 孔径、6 1 2 m 深的炮孔i lo 。从1 9 6 4 年试制出第一台露天 潜孔钻机，到6 0 年代中期我国部分露天矿山和石方工程开始引进国外露天钻车， 到“六五 期间包括宣化采掘机械厂在内的五家企业分别与瑞典、只本、法国、 德国和美国引进了五类产品十一个系列的凿岩机械产品设计、制造检测技术，通 过引进消化，我国研制开发的低风压露天潜孔钻机技术发展水平已较为成熟，但 有较高技术含量的高风压钻机和集机电液为一体的全液压钻机在我国发展缓慢， 远远不能适应露天矿山施工作业的发展要求。国内几家凿岩企业为我国钻凿设备 发展做出了一定的努力，但随着逐步市场化，这些企业在因为体制上的原因，以 至于技术创新严重滞后，产品性能难以提升，高档次的国产液压凿岩设备始终没 一能形成大气候，目自订大型高性能现代凿岩钻孔设备几乎都是耗费大量外汇进口。 到了七十年代，我国露天矿使用的潜孔钻机占全部钻机机械的6 0 7 0 。但这 些潜孔钻机由于钻孔直径和钻孔深度均较小，孔斜率也无法控制，不能满足大直 径深孔采矿工艺的要求。在改革丌放的现在，受到进口产品的严重冲击，在众多 的重点工程中，由于国内没有相应的地下大直径深孔凿岩设备，只好从国外进口， 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 先后从瑞典、美国、加拿大引进了r o c 3 0 6 、p r o m e c m l 7 7 、s i m b a 2 6 1 、c m m 一2 、c d - 3 6 0 、 c d - 9 0 等类型的多台潜孔钻机及其配套设备，几乎是国外设备的一统天下。进口 钻机不仅耗费了大量的外汇，而且其备品备件昂贵，供货不及时，影响正常生产， 加大了地下矿山生产成本1 9 j 。 随着大直径深孔采矿法在我国的推广和应用，为了解决凿岩设备依赖进口的 局面，我国进行了一些研究工作，在钻具方面已有自己的系列产品，对钻机的研 究一直发展缓慢，主要以仿制为主。先后仿制了r o c 3 0 6 ( 国产型号d q l 5 0 j ) 二 十余台，该钻机在我国大直径深孔采矿初级阶段发挥了重要作用，但由于该钻机 主要工作机构用气压驱动，使钻机工作效率不高，定位稳定性差，钻孔精度低， 不能满足现代生产的要求，已淘汰使用；九十年代初期，又对加拿大八十年代产 品c d 一3 6 0 钻机进行了仿制( 国产型号d q 3 6 0 ) ，由于种种原因，该号钻机一直 未投入使用【2 ，5 ，圳。 长期以来，以中南大学、北京科技大学等为主的高校及相关科研院所一直在 研究、推动国内凿岩机械的发展，并几乎与国外同步。1 9 7 2 年冶金工业部组织 中南工业大学与长沙矿冶研究院研制液压凿岩钻车和液压凿岩机，1 9 8 0 年我国 第一台c g j 2 y 型液压凿岩钻车和y y g 8 0 型液压凿岩机通过了冶金部的鉴定。随后 北京科技大学、中国煤炭科学院等十个单位参与这方面的研究工作，并丌发出一 系列产品，中南工业大学( 现中南大学) 在纯国产化液压凿岩设备研制中成果比 较突出，除c g j 2 y 钻车外，国内第一台用于实际生产的k z l l 2 0 型露天液压钻车 和配套的y y g 2 5 0 重型液压凿岩机以及c g j s 一2 y b 铁路隧道半断面钻车都由该校 研制成功。早在8 0 年代，与宣化采掘机械厂合作开发露天钻车时，即提出了一 体化液压潜孔钻机的设想。并且在8 6 年就进行了学习再现式凿岩台车的实验室 研究工作。值得指出的是，这些成果不是照搬国外技术，不但在机构上有创新， 而且形成了有特色的理论研究和设计方法。 其中，湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学智能机械研究所有着长期 合作的基础，在矿山机械研究方面有着深厚的技术底蕴，尤其是在公司董事长何 清华教授的带领下，务实创新，取得了丰硕的成果。2 0 0 3 年，湖南山河智能机 械股份有限公司在广泛调研、对比分析国外产品的基础上，立项开发s w d a l 6 5 高性能一体化液压潜孔钻机，填补国内空白，经工业化实用，产品性能达到国际 先进水平。2 0 0 4 年，根据市场需要，又相继丌发了以内燃为动力的s w d b l 6 5 、 s w d b l 2 0 ，迅速丌拓市场，在湖北、重庆、安徽等工程中使用。s w d 系列一体化 液压潜孔钻机是目前国内最先进的一体化液压潜孔钻机，具有高效的高气压潜孔 钻进系统，便于高精度、高效率的爆破孔钻凿【1 4 1 5 】。 4 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 2 3 潜孑l 钻机卡钻现象的研究现状 大直径深孔凿岩，一般认为钻孔直径较大，不易出现卡钻，所以早期的潜孔 钻机均不具备防卡钻性能，但随着大直径深孔采矿法的推广与应用，逐渐认识到， 由于岩体构造与岩石性质的多变性，经常会遇到卡钻情况，有些卡钻很难处理， 当卡钻出现时，轻则影响钻孔作业效率，产生废孔，重则对钻机机构和液压系统 产生冲击，导致设备损坏及钻杆无法回退都严重后果。因此，从在八十年代末开 始，人们开始研究潜孔钻机钻孔的防止卡钻问题，相继国内外部分钻机出现了防 卡功能1 4 ，5 1 。 防卡设备为推进、回转系统的一部分，其作用是当潜孔钻机凿岩过程中出现 卡钻或有卡钻趋势时，防卡设备能够控制推进、回转压力相应变化，使潜孔钻机 能够预防和处理卡钻现象，并使凿岩钻孔作业顺利进行。而防卡包括两方面内容 1 3 0 1 ：其一是预防卡钻，即卡钻尚未完全发生却有卡钻的前兆，这时通过防卡设 施，使卡钻事故消除在萌芽状态；其二是消除卡钻，即卡钻事故已经发生，这时 通过防卡设施，使卡钻事故得以消除。 目前国内外各种液压潜孔钻机控制系统，防卡的基本方案有如下两种1 5 j ：一 种是利用回转马达的工作压力为反馈控制信号，当该压力升高超过某一压力时， 系统自动使潜孔钻机回退，直至当回转压力下降至低于防卡压力时，潜孔钻机恢 复正常推进，由此实现自动防卡：另一种是当回转压力超过其正常值时，调节推 进压力，使推进压力降低由此实现防卡。 基于上述防卡策略，对国内外现有液压潜孔钻机的防卡钻研究方案做一些分 析如下。 ( 1 ) 回转回路设置压力继电器 在回转回路上设置压力继电器【3 7 ，5 m 5 3 1 ，利用回传压力控制压力继电器的通 断，当回转压力升高超过某一压力( 卡钻临界压力) 时，压力继电器动作，从而 控制推进回路的换向阀，使推进系统回退，使钻头脱离孔底实现强吹排渣，当回 转压力下降至低于设置的卡钻临界回转压力时，推进系统恢复正常推进，钻头重 新接触孔底凿岩。由此实现自动防卡。 如瑞典a t l a sc o p c o 公司的s i m b a 2 6 1 钻机自动防卡钻方案就是采用压力继 电器，利用卡钻时回转压力升高超过某一压力( 卡钻临界回转压力) 时压力继电 器动作，再由压力继电器控制推进回路的电磁换向阀，使推进系统回退，冲击器 处于强吹排渣状态。当卡钻现象消除后，推进系统恢复j 下常推进，钻头重新接触 孔底凿岩。 再如湖南山河智能机械股份有限公司的s w d b l 6 5 潜孔钻机自动防卡方案，控 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 制原理为：推进回路和回转回路采用独立供油方式。当回转压力升高超过某一压 力( 卡钻临界回转压力) 时压力继电器动作，则多路阀供油回路中的推进控制部 分的电磁换向阀换向，使得多路阀换向，控制推进马达反转，推进系统回退，冲 击器处于强吹排渣状态。当卡钻现象消除后，推进系统恢复正常推进，钻头重新 接触孔底凿岩。由此实现自动消除卡钻功能。 这种防卡钻方法有效于裂隙卡钻，对溶洞卡钻和缓慢卡钻难于处理。 ( 2 ) 调节系统压力来控制推进力 加拿大生产的c d 3 6 0 潜孔钻机，推进力的改变靠调节推进供油系统的压力来 实现，即当回转压力升高时，调节推进供油系统的压力来使推进力减小，从而预 防卡钻【3 7 】。 这种防卡控制方案受操作者责任心、工作态度的影响，而且其调压阀易损。 ( 3 ) 采用减压阀人工调节推进压力来控制推进力 如瑞典a t l a sc o p c o 公司的s i m b a 2 6 1 潜孔钻机，在操作台上设置调节手柄， 来调节推进系统油路上设置的比例减压阀，从而调节推进系统的推进压力。 再如湖南山河智能机械股份有限公司的s w d b l 6 5 b 潜孔钻机自动防卡钻方 案，在推进回路上设置减压阀3 8 3 们。当有卡钻趋势时，推进压力升高，压力表 显示压力数值增大，由人工调节远程调压阀的调定值，进而使减压阀的出口压力 下降，推进压力下降，由此实现预防卡钻。显然，这种控制方式易受操作者的责 任心、工作经验和态度的影响。 由上述可知，针对卡钻现象的普遍性和危害的严重性，很多企业和单位都开 始研究应对卡钻的措施，并应用到实际产品中，但总的来说效果并不尽如人意， 究其原因在于这些研究的重点都放在实际应用性较高的防卡实际应用技术上，很 少有人从理论上对卡钻进行分析和研究，使得对防卡装置的设计上始终停留在技 术层面上，缺乏理论数据的支持，因而达不到应有的效果。 1 3 课题来源、研究意义及内容 1 3 1 课题来源 本课题来源湖南省科技计划重点项目“一体化液压潜孔钻机( 0 5 6 k 1 0 0 1 ) 。 1 3 2 课题研究意义 国内的某些机型在一定程度上已经达到了较高水平，在生产实际的应用也十 分广泛，但是，相比国外产品，在性能上还是存在定的差距，对于全液压型的 6 中南人学硕：卜学何论文 第一章绪论 潜孑l 钻机来说，液压系统性能的优劣对于整个机器的性能来说至关重要，而潜孔 钻机回转液压系统是直接面向工作介质的，是潜孔钻机十分重要的工作部分，其 性能决定了整机的工作效率和负载能力。 另外，由于卡钻现象是目前影响潜孔钻机作业效率和工作质量的主要现象， 卡钻发生时危害性强大，因此，防卡控制功能也成为现代潜孔钻机必须具有的功 能。针对目前对潜孔钻机卡钻和防卡的研究大多数是基于实际应用方面，而对卡 钻产生时液压系统参数的变化特点和变化规律缺乏深入研究，使得当前各种产品 的防卡装胃的效果不尽如人意。 因此，本论文对回转液压系统进行动态分析的意义有以下几个方面： ( 1 ) 通过对正常作业和不同卡钻情况下的仿真研究，能直观的把握在不同 工况下系统参数的变化特点和变化规律，能直观的从系统主要参数的数据上加深 对卡钻的认识，从而为潜孔钻机防卡装置的设计提供理论和数据保证，为提高潜 孔钻机防卡控制这一重要功能的效果打下可靠基础； ( 2 ) 潜孔钻机在工作过程中，系统的负载处于动态变化状态，因此，对于 回转液压系统来说，仅按照静态过程进行设计，往往不能很好的满足系统的需要， 系统的动态性能优劣决定了机构的工作质量和可靠性，通过建立回转液压系统的 数学模型并进行仿真，可使设计者能从更全面的角度认识回转液压系统的工作特 点，提高所设计的液压系统的可靠性； ( 3 ) 通过建立的模型及仿真，使得对潜孔钻机回转液压系统的研究和分析 变得简单方便，这为利用建立的模型研究提高防卡效果和作业效率、研究系统参 数对系统特性的影响、优化系统设计及完善系统匹配等深入研究奠定了基础，因 此也具有重要意义； ( 4 ) 通过对潜孔钻机液压回转系统动态特性的仿真验证，总结掌握液压回 转系统特性的研究理论及研究方法，打破传统的设计方法、设计理论，利用现代 设计方法，丰富潜孔钻机液压回转特性理论，同时可以应用到工程机械其它回转 系统，工程机械技术进步将取得更高的发展，为我国工程机械行业发展做出贡献。 1 3 3 课题主要研究内容 基于目前国内对于潜孔钻机液压系统动念特性理论层面上研究的不足，利用 现有国内某潜孔钻机回转液压系统原理图，建立了回转液压系统的数学模型并进 行仿真分析，具体研究思路和工作内容如下： ( 1 ) 综述部分：在大量查阅国内外相关文献的基础上，阐述当前国内外潜 孔钻机的研究与发展现状，分析国内潜孔钻机的在防卡钻研究方面的侧重点和不 足，同时表明本课题的来源，阐述了论文的研究意义和论文主要的研究内容； 7 中南人。学硕+ 学何论文第一章绪论 ( 2 ) 理论分析：分析潜孔钻机不同卡钻机理，总结卡钻情况下回转液压系 统的负载变化过程，同时，针对回转液压系统，分析卡钻临界回转压力的判定计 算方法，分析液压系统的特点，选择利用功率键合图法对液压系统进行建模的数 字仿真分析法，并对功率键合图的原理和方法进行总结； ( 3 ) 系统建模：针对所研究的回转液压系统原理图，对系统工作原理进行 分析介绍，并着重研究液压泵的工作原理和内部调节机构，通过对系统中各主要 液压元件的分析，按照功率键合图原理，分别建立它们的功率键合图表达模型， 通过对液压系统进行简化，根据前面对元件的分析和分别建立的模型，建立整个 系统的功率键合图表达模型，并推导回转液压系统的数学模型： ( 4 ) 系统仿真：利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立起系统的s i m u l i n k 模 块图，确定参数进行相应的仿真分析，并对仿真结果进行详细分析，结合仿真结 果数据，针对本论文研究的回转液压系统，计算出该系统防卡钻应设定的临界回 转压力值，同时完成该系统的性能评价； ( 5 ) 实验研究：在实际潜孔钻机产品上，通过相关实验，测试相应的系统 参数，来验证论文所建立的模型正确性。 1 4 本章小节 本章在大量查阅文献资料的基础上，对国内外潜孔钻机的研究和发展现状进 行了论述，并指出了目前在潜孔钻机防卡钻研究方面的不足，并说明了本课题的 来源，在此基础上，指出了本文的研究意义，明确了本文的研究思路和主要研究 内容。 中南人学硕十学位论文第二章同转液压系统动态过稃机理分析 理论或经验指导，大多数是经过数天处理，因钻具不能上提只好反转卸下几根钻 杆。数根钻杆、冲击器、钻头留在孔内而无计可施，造成数万元的经济损失。 根据凿岩实践，潜孔钻机特殊卡钻有如下几种： 潜孔钻机在钻孔作业过程中，钻孔发生偏斜或钻进过程中有扩孔现象， 同时排渣不畅，当冲击器发生故障，冲击器活塞被卡住，使冲击器不能正常通风， 孔内岩渣全部返回孔底，包围钻头、冲击器及孔底下部钻杆，由于冲击器不通风， 不能继续凿岩，所以推进系统不能继续推进，而上提时，由于岩渣包围钻具形成 自锁状态( 见图2 - 2 ) ，钻具上提使岩渣越压越紧，用多大的力也难以拔出钻具1 5 4 】。 潜孔钻机在钻孔作业过程中，由于孔口护理不好，造成较大岩石块落入 孔中，随钻具回转呈螺旋运动下降，停留在钻杆间的直径较小处，使钻具在孔内 上下移动困难( 见图2 3 ) 。这种情况就象在钻杆与孔壁之间加了一“定位销”， 要将钻具从孔内拔出，其提升力应大于“定位销”的抗剪强度，需要的提升力很 大【4 9 1 。 潜孔钻机在钻孔作业完成后回退的过程中，由于孔口护理不好或排渣不 畅，造成较大岩石块停留在钻杆间的直径较小处，使钻具在孔内上下移动困难( 见 图2 3 ) 。由于潜孔钻机回退时的速度比钻孔作业时的速度要大得多，一旦发生 卡钻现象，将会对潜孔钻机造成较大的冲击。 潜孔钻机在正常钻孔作业过程中，由于推进力过大，造成回转阻力矩变 大( 钻机在钻孔作业时的回转阻力包括钻头对孔底产生的轴向作用力在钻头回转 切割岩石时引起的回转阻力和孔内排出的岩渣及孔壁对钻具的回转的摩擦阻 力) ，使回转压力升高并超出卡钻临界回转压力，使其误以为是卡钻，而使推进 系统回退。 ( a )( b ) l 钻具2 _ 孔内岩渣 图2 - 2 岩渣卡钻 1 一落入孔内的岩块2 钻杆 图2 - 3 岩块卡钻 中南人学硕士学位论文第二章同转液压系统动态过程机理分析 2 1 3 卡钻时回转系统负载类型 。 通过上述分析可知，在潜孔钻机的凿岩作业和回退过程中均可能产生卡钻现 象，但从本质上来说，均主要表现在回转负载或推进负载的变化上，对于本文要 研究的回转液压系统来说，这几种卡钻可综合起来考虑。其中，i 类卡钻发生时 回转压力首先减小，然后突然增大发生卡钻，i i i 类卡钻的回转压力变化过程为突 然增大，而i i 类卡钻则表现为负载缓慢增大，而在特殊卡钻中，第一种和第四种 情况也表现在回转负载的变化上，因此，本文在仿真和实验研究卡钻发生时系统 压力变化情况时，将其负载变化分为如下两种来研究： 1 负载突然变大来分析突变卡钻状况； 2 负载缓慢增大来分析缓变卡钻状态。 2 2 卡钻临界回转压力的判定 上述将要研究的两种类型的卡钻现象，最终在回转液压系统中的表现均是回 转压力的缓慢变高或突然变高，当回转压力上升到系统所能提供的最大负荷能力 后，或压力达到系统安全阀的设定值之后，液压马达停止回转，即出现卡钻现象。 因此，目前很多单位或研究者均按照回转压力变化来判定是否卡钻，同时设定回 转压力临界值，当回转压力达到临界值时，即由系统自动判定为卡钻并对应做出 相应动作来预防卡钻，这种方法在一定程度上能达到效果，此时，回转压力临界 值的设定成为十分重要的一步。 ( 1 ) 防缓变卡钻临界回转压力的取值 假设稳定正常凿岩过程中，正常回转压力平均值为兄o ，正常回转压力的最 大偏离值为，根据潜孔钻机凿岩的实践证明，其正常凿岩过程中叱较小。 j 下常回转压力的最大值即防缓变卡钻临界回转压力，则【5 7 5 8 】： n i = 戌o + 哦 ( 2 1 ) 因此，进行防缓变卡钻的控制条件是： e z p z l ( 2 - 2 ) 式中：戌为凿岩过程中实际回转压力。 ( 2 ) 防突变卡钻临界回转压力的取值 设稳定正常回转压力平均值p z o ，最大值偏离如。的量为a p z ， 压力最大值，即裂隙卡钻临界回转压力值p z a 为1 4 硼 p z a = p z o + e z 由此进行防裂隙卡钻的控制条件为 e z p z 2 1 2 则正常回转 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 中南人学硕十学位论文第二章同转液压系统动态过程机理分析 式中：尸z 为凿岩过程中实际回转压力； p z 2 为裂隙卡钻临界回转压力。 从防卡钻角度来说，吃2 取值应尽量小，但戌2 过小，会使推进器在穿越突变 卡钻的卡钻区时出现多次推进的现象，这样不利于加快潜孔钻机的凿岩速度，而 如果兄2 取得过大，太接近于凿岩系统能提供的最大输出回转压力吃m ，则由于相 对p z m 的能力，p z = p z 2 时卡钻已较严重，加之系统对卡钻时各阀的响应时间问题， 执行防回退时卡钻控制后，将无法消除卡钻。 当正常回转压力平均值为尸z o ，系统能提供的最大回转压力为吃m ，则回转压 力的变化量p z m 为 p z m = p z m - p z o ( 2 5 ) 根据实际经验可取 p z ：三舰( 2 6 ) 4 所以，突变卡钻临界回转压力取为 气 n 2 = p z o + 二如( 2 7 ) 4 这矛o o p z 2 的取值方法根据系统所能提供的最大回转压力心m 和根据岩石的情 况确定的心o ，在低于工f 常回转压力p z o 时，有较大的突变卡钻压力变化范围，有 利于充分利用回转压力的能力进行回退，在较高的正常回转压力尸z o 时，正常回 转压力变化范围缩小有利于缩短防卡反应时间。 综上所述，上文的回转压力反馈防卡临界回转压力的取值方法和防缓变卡钻 时推进压力随回转压力升高而自动降低的规则，跟踪了孔内岩石的变化。与目前 各种固定不变的回转压力达到卡钻回转压力反馈控制推进系统回退的防卡钻相 比，其性能得以改善。 2 3 回转液压系统动态特性分析方法 2 3 1 传递函数分析法 这种方法主要适用于分析系统的稳定性，可以根据稳定性判据分析系统是否 稳定，主要参量对于稳定性的影响以及分析系统的稳定裕量等。但这种方法的使 用局限于线性系统，非线形系统则需视条件许可进行线性化。液压系统般都存 在有较多的非线性因素，其中有些并不具备可以进行线性化的条件，勉强进行线 性化就会造成较大的误差，而有些本质的非线性化因素，如库仑摩擦则是不能进 行线性化的。所以传递函数分析方法常用于允许线性化的液压系统。如果系统中 中南人学硕十学位论文 第二章同转液压系统动态过程机理分析 不存在本质非线性化因素或其它不宜进行线性化的因素，则传递函数法用于分析 液压系统的稳定性是很适合的。对于一般的液压传动系统或液压控制系统，由于 通常都不符合在稳态平衡点附近工作的条件，如果进行线性化，将造成严重的误 差，所以在这种情况下，很难应用传递函数分析法。同时，传递函数分析法主要 适用于单输入、单输出以及初始条件为零的情况，而液压系统是功率的传输，功 率本身就是由两个变量构成的，所以用传递函数法有时不便于分析。此外，如果 要用这种方法来求系统的瞬念响应，则只有在系统是相当简单时才有可能。传递 函数分析法虽有一定的局限性，但分析系统的稳定性是比较方便的，所以被广泛 应用于液压伺服系统及一些允许进行线性化的其它液压系统。 2 3 2 数字仿真法 过去，对于液压系统的动态特性，除少数系统能应用传递函数法进行分析外， 尚缺乏其它较成熟的分析研究方法，一般在设计液压系统时，主要只能根据自动 工作循环及静态性能的要求来进行。当机器制造出来以后，如发现液压系统的动 态性能达不到要求，则再进行改进设计，但也缺乏理论指导，因此导致设计效率 低，产品质量不高。 近年来，现代控制理论及计算机的发展，给液压系统动态特性的研究丌辟了 新的途径。为了求得系统的动态过程中的瞬态响应，可以对系统的动态特性进行 数字仿真，即建立系统在动态过程中的数学模型状态方程，然后在数字计算 机上求出系统中各主要变量在动态过程中的时域解。 应用数字仿真的方法研究液压系统的动态特性有许多优点。例如它适用于线 性或非线性系统，可以比较方便地考虑任何形式的非线性因素：可以是多输入多 输出变量，便于进行分析；状态变量的初始值也不一定限于零。 应用这种方法，要把所研究系统的动态过程的数学模型写成状态方程一 阶微分方程组。这个方程组表示，系统中每一个状态变量的一阶导数，都是若干 状态变量和输入变量的函数。这种函数关系可以是线性的，也可以是非线性的。 在把一个液压系统动态过程的数学模型写成状态空间方程的形式的方法中， 功率键合图( p o w e rb o n dg r a p h ) 就是一种有效的建模工具，这一方法比其它一 些建模方法有许多优点，在其它建模方法中，例如，利用系统的传递函数方块图 来推导状态方程，保留了前述传递函数法的某些局限性；从高阶微分方程来建立 状态方程，其中多个状念变量仅能是某一物理变量的各阶导数，而不是系统中几 种不同的物理变量，某一物理量的各阶导数，有时并不具备什么实用意义，当然 也并不是令人感兴趣的；也可以根掘系统的结构和各物理量问的相互关系，经过 分析建立起状态方程，但对于比较复杂的液压系统，往往会因考虑不周而造成建 1 4 中南大学硕士学位论文第二章同转液压系统动态过程机理分析 分析建立起状态方程，但对于比较复杂的液压系统，往往会因考虑不周而造成建 模中的错误。利用功率键合图来建立状态方程，可以先根据一些规则，将所研究 系统的动态过程画成功率键合图，功率键合图可以清晰而形象地表达系统在动念 过程中各组成部分的相互关系，包括其功率流程，能量分配和转换，各作用因素 的影响以及功率的构成等，从功率键合图可以较方便地推导出状态方程，即使对 于比较复杂的系统，这一过程也可以有条不紊地进行。所推导出的状态方程中的 各状态变量一般都是所研究系统中感兴趣、有实际意义的各物理变量。 应用数字仿真法，就可以在液压系统或液压元件的设计阶段预测其动态性 能，在未达到动态性能要求时，可对设计进行修改，以保证设计质量。有时还可 能需要所设计的液压系统满足某一定规律的动态过程。对于已有的液压系统或液 压元件要进行改进设计时，也可先进行数字仿真，以了解该系统或元件的薄弱环 节，为改进设计提供理论分析依据，并可对改进后的设计进一步进行数字仿真， 以榆查所采用的改进措施是否已达到预期目的。 在对数学模型进行数字仿真求解前需要确定状态方程中参量、输入量、状态 变量的初始值以及引起系统动态过程输入信号有关的量值，当这些量值确定后， 状态方程才算确定，才能代表所研究系统动态过程的数学模型，同时，我们还应 确定感兴趣的输出变量作为研究对象。 l 、确定状态方程中的参数值 ，状态方程中各参量值可以根据系统中元件实际结构