全液压深孔岩芯钻机液压系统设计与研究.pdf

年 月 第 卷 第 期 机床与液压 全液压深孔岩芯钻机液压系统设计与研究 张萌 李波 秘成良 中国地质大学机电学院 湖北武汉 摘要 介绍了一种全液压深孔岩芯钻机液压系统的总体设计思路 并分别对液压系统的执行元件 控制元件和动力元 件的设计和选型进行了详细介绍 该系统采用了主 回路和副回路的双 回路形式 系统中使用了负载敏感变盘泵和 比例多路 换向阀等先进液压元件和相应的控制技术 针对钻机运移性的特点 系统采用了下置式的泵站组合 对泵站的设计情况进 行了论述 关扭词 液压系统设计 液压钻机 泵站 负载敏感泵 比例换向阀 中圈分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 吐 已 沈 砒 详时 田 皿 峪 创珊 曲 犯 荣盯叮 饭内旧 一 山 一 庄雌 耐 加 卯 叮 衅 初 苗 脚 阮 曰 己 即 甲 叩 叮 呷 邓 州 押 即 山 呷 助 一 钻孔倾角3 0 一 9 0 动力 头转速15 0 一 1 5加r 而n 采用机械4挡变速 进给缸 推进力89kN 最大起拔力198kN 主卷扬最大提升力 如kN 副卷扬 打捞绞车 最大提升力2 5 kN o 所谓全液压钻机是指实现钻机的基本运动形式即 旋转和进给均采用液压传动的方式予以实现 3 3 因此 液压系统是其最重要 的组成部分 液压系统的设计也 就成为全液压钻机设计的关键所在 笔者将从以下3 个方面介绍该型钻机的液压系统设计特点 总体设计思路 全液压钻机的液压系统主要有定量系统和变量系 统两种 定t 系统在小型钻机设计上得到了比较广泛 的应用闭 定里系统虽然成本低 控制简单 但由于 其能量利用率低 发热严重 不适于功率较大的深孔 钻机 因此 首先考虑采用容积调 速 的双 泵变量系 统 系统除满足节能要求 特别是按负载需要提供执 行元件所需流量的要求以外 还应满足调速要求 即 操纵阀控制调速时 不受负载压力变化和油泵流量变 化的影响 另外要求系统也能满足复合动作操纵的要 求 基于上述考虑 在液压系统设计中 采用 了负载 敏感变量泵和 比例多路换向阀等先进的液压元件和相 应的控制技术 系统采用 了双泵组成的双回路形式 液压系统如图 1所示 主副泵共用一个油箱 主 回路 由主泵 1经精滤器 多路换向阀组 1至对应的执行元 件 执行元件包括动力头液压马达 进给油缸 主卷 扬液压马达以及副卷扬液压马达 回油经冷却器 回 油滤油器回油箱 副回路由副泵2经多路换向阀组2 至对应的执行元件 执行元件包括起塔油缸 上下夹 持器油缸以及推杆油缸 回油经回油 虑油器直接回油 箱 2 液压系统主要元件选型设计及分析 2 1 液压执行元件 主回路动力头液压马达的正反转 月以实现钻进回 转和卸扣回转 采用A 6 VM 弯轴式注塞变量 马 达 该马达排量可无级调节 具有 良好的启动特性和功率 重量 比大的特点 其控制方式有多种形式 采用其中 收稿日期 2的7 一 1 2 一2 7 作者简介 张萌 19 6 7一 男 四川省会理县人 副教授 主要研究方向为机械虚拟 设计 液压传动与 晓制 电话 0 2 7 一6 2 0 7 5 X 5 E 一 m a il z ha n g l n e n 醉8 21en eom z ha n g m en 薛8 12 6 eom 第1 2期张萌等 全液压深孔岩芯钻机液压系统设计与研究 103 L L L 2 飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞 气夕 飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞飞 口口口口口口口口 月月月月月月月月月月 油油油油油油油油油油箱箱 卜卜习习习 r r r J l l l 一一目 目目目 U U U U U了 了了了了了了了了了了了了了了 夏夏夏夏夏夏夏夏夏 口口口口口口口口口 l l l 一门 门 口口口口口口口口口 I I I I I I I 习习ll l l l l l l l l l l l l 一一一一一 n n n门门l老玉 一 n l l l 汽 l T T T T T T T T T T T T T T T T T 剐剐剐活活 阁阁阁 陆陆 阁阁阁该该 叻洛洛 1 1 1钱 钱 L L L L L L L L L L L L L L LS S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S 遏遏遏遏 通通通 日日日口口口口口 日日日日日日日日日日日日日 口 口口口口口口口 口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 宣 宣 百百百 氮氮 可可可可可可可可倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡倡唱唱 一序 序 B凡凡 丑丑丑丑丑丑丑丑丑丑丑丑丑丑 口口口口口口口口口口口 口口 口口口 l l l 一门 门 一r r r 一 一一 l门 门 门门 1 l l l 1 一一 一一 真 真 百百百百 无无l l l l l夏夏 日日日日日日日日日日日日日日日日 夕夕夕夕夕 夕夕夕夕口口 夕 l l l 喊喊喊 多路换向阀组2 l一主泵2一副泵3一副卷扬4一主卷扬5一进给缸6一动力头马达7一上夹持器油缸8一钻杆调整缸 9一起塔油缸10一下夹持器油缸 图1钻机液压系统图 的压力控制方式 控制压力增量为2 SMP a 马 达排 量为16 0 m L 公称压力可达4 0 MP a 马达流量 单 位 m 而n 按式 l 计算 F 念 其中 气 n 分别为马达排量 率 l 转速 和容积效 经计算 马达最大流量为25 8 U而n 主 回路液 压进给缸除完成钻进工作外 还用 于深孔提钻 笔者 采用 了定制的单杆双作用液压 缸 其工作压力为 1 6MP a 工作行程为3 30 0 液压 缸的流量 单 位 m s 按式 2 计算 叮 二 A 2 由于减压钻进时液压缸运 动速度可达最大值 式 2 中 值 以减压钻进速度代人 A 为有杆腔实际工 作面积 经计算 液压缸最大流量为22 0 u而n 液压缸的最大起拔力和推进力分别按式 3 4 计算 于 D 一 于 x 一 p Z 二 于 x D 一 d 一 于 D 2 其中 p 和pZ 分别为进油腔和回油腔压力 D d 分 别为活塞和活塞杆直径 主卷扬用于钻具的提升和下放 容绳量短而提升 力大 其马达最大流量为220U mi n 副卷扬用 于深 孔取芯 容绳 量长而提升力小 其马达 最大流量为 1501 而n 副回路中的上下夹持器油缸 推杆油缸采用普通 的单杆缸 所需流量较小 起塔油缸采用双缸同步操 作形式 最大流量为4 5 u而n 2 2 液压控制元件 由于主 回路中执行元件存在复合动作 而且在运 动过程中各执行元件的负载压力是变化的 采用普通 的六通多路换向阀组无法满足使用 要求 因此 选 用 M 7 型整体片式结构的负载敏感型多路换向 阀 该阀 又称L U DV 多路换向阀 L U DV 表示与负载压力无关 的流量分配 各L U DV 的压力补偿器均与最高压力有 关 该阀的一个优点是 如果 系统内发生流量不足的 情况 即当油泵不能提供足够流量时 各执行元件将 按比例减少运行速度 不会出现任何执行元件被迫停 止工作的情况 该阀带一 次溢 流阀 设定值3 5 MP a 巧负荷传感压力设定犯MP a 执行元件 A B 口带压 产 产 内 j 4 了 了 龟 机床与液压 第 3 6 卷 力补偿阀 采用液压比例控制方式 配合该阀的主控制器采用片式结构的液压先导式 控制阀 其操作杆带3个位置定位机构 结合摩擦片 可在任意位 固定 副回路中各执行元件速度变化不大 所需流量较 小 不存在复合动作情况 因此采用SM1 2型普通6 通片式工程机械多路换向阀 2 3 液压动力元件 主泵采用AlIV斜盘式轴向柱塞变量泵 该泵为 负荷敏感型恒功率控制变量泵 与LU DV多路换向阀 联用 通过多路换向阀组1比较上 下游的压力 其 压力差由比 口翰出 控制泵系统的组合式压力 流量 控制器 控制泵的流量变化 使泵按执行元件的需求 供给相应的流量 主泵流量 单位 U而n 为 q 二 黯 5 其中 气 分别为主泵排量 转速和容积效率 经计算 主泵最大流量为36 3口而n 由于主卷扬 副卷扬与进给系统油缸和动力头 马 达之间不存在复合动作关系 而进给系统油缸 和动力 头马达之间虽然存在复合动作关系 旦 两 者所需流t 不会同时达到最大值 两者流量复合 合的最大值估算 为29 8U而n 即使考虑到流量泄漏的影响 主泵也 能满足执行元件动作所需的流量要求 副泵采用Ar o V 斜盘式轴向柱塞变量泵 该泵采 用DR恒压控制方式 该控制方式保持系统压力恒 定 泵仅供给执行元件所需流量 压力可在控制阀上 无级调定 副泵最大流量为6 3口而n 3 液压泵站设计 液压泵站按泵组的布置方式可分为立式 卧式 旁置式及下置式等四种型式 考虑到运移性的要求 该型钻机的总体尺寸较小 结构要求紧凑 按照钻整 体布局要求 液压泵站和液压操作台布置在中轴线左 侧 操作台在泵站之前 由于泵体尺寸较小 将主副 泵放于油箱之下设计成下置式液压泵站 油箱置于上 端 通过支持架与钻机底盘进行固定 主泵和副泵可 采用通轴联结形式安装在一起 电机安装在钻机底盘 上 通过联轴节与泵组相联 主副泵的渝人转矩按各自 排量和压差的乘积按比例进行分配 泵站结构形式如图 2所示 这样设计使得泵站结构紧凑 占用空间小 98 l一电机 2一联轴县 3 主泵 月 侧泵 5一油箱支持架 油箱 一粗泌器 吕一空气涟清 器 争 箱注器秘 罕 口 l 二 e s 量的 倍 图2 一般固定设备用油箱的油液容量是 系统液压泵流 3 一 5 倍 行走设备的油液容量为泵流量的 l 一 2 该系统主泵加副泵总流量为 艺 二 3 6 3 6 3 二 4 2 61 而n 6 对于行走机械 一般其油箱容量为 V l 一 2 艺叮 二4 2 6一 8 5 2L 7 选取符合上述范围的公称容积为63 0 L 的标准油 油箱容积确定后须进行油箱散热量的计算 经计 泵站结构图 算 此油箱的散热量小于液压系统的总发热量 因此 回路中必须设有冷却器 根据总体结构设计要求 此 系统选用水冷却器 散热器 的散热面积可按式 8 进行计算 A 二风 一 H 天 t 8 下转第10 6页 机床与液压 第3 6卷 式中 A z 一l 二 a z 一 a Z 一 a 一 B 一 b 一 b Zz 一 b z 一 D 一 二 l d z 一 姚z 一 d z一 其中 n n 分别为输出 输人模型的阶次 nd 为 噪声模型的阶 2 2 模型阶的选择 利用最终预报误差准则对模型阶次估计如表1所 示 这个表格实际上就是阶次辨识与参数估计相结合 的产物 衰1不 同的 n 和n 所对应的FPE 值 几 二几 一一了一一一万一一一万一甲下福厂 19 718 11 4 7321 4 7321 1 019 28 2 5140 知5 7 0 919 10 92 53 37 翻0 70 915360 91880 9 3 59 从表中不难看出 取 n 二 n 二 2 n 二 2 的模型 较为合适 3 模型的拼识研究 通过对输人输出数据的处理 利用得到的模型的 阶 得到如下的参数模型 A 叮 二 l 一 1 7 5 4 一 0 8 3 59宁 一 B 二 0 4 3 一 0 6377 一2 叮 l 一 1 7 4 7叮 一 0 料 一 模型 本文作者先确定出模型的结构 然后用最小二 乘法辨识出了阀控马达系统参数模型 并对之进行了 检验 证明此模型是比较精确的 在动态过程辨识中 使用预报误差方法可获得良 好的估计性质 这种辨识方法需要事先确定一个预报 误差准则函数 并利用预报误差的信息来确定模型的 参数 在阀控马达系统中 确定模型结构为A R MA x 后 使用这种方法对对象进行了辨识 经检验 所辨 识出的系统模型精度是比较高的 参数模型辨识工作 的有效完成 为将来有针对性地设计控制规律 整定 控制器参数奠定了基础 参考文献 1 1 吴强 武卫 王占林 比例阀控气动伺服系统的系统 辨识 J 流体传动与控制 2以 4 2 0 一 2 3 21 房立军 韩江 屈胜利 时域辨识托伺服系统中的实 现与应用 J 中国科技信息 2 0 0 5 2 2 5 一 2 8 31 郑征 田书 基于M ATLA B的辅助变t法参数辨识与 仿真 J 计算机应用与软件 2 o 2 1 7 1 2 7 一 12 9 4 于刚 伺服阀控液压 马达系统的醉识与控 制研究 D 山东大学 2 0 0 7 4 2 从图2可看出 系统的实测输出与模型的仿真输 出基本吻合 le宁 巴 图2系统的实测输图3模型残差 出与仿真输出 模型的残差如图3所示 未发现野点 基本可 以看作是零均值的白色噪声序列 图4的残差分析 图表明输人 和模型残差的互相关函数以及残差 的自 相关函数都落在里信区间内 y k 和 u t一 幻被正 确描述 祠 残 粉 0 朴一一胭 叼口 协J 0 2 一 20 一 100 10 采样甸个 y l残差 自相 关函数 0 Zr 0 1 匕 一天 一 于 一 一万一飞一 荞 o盯 刃丫v入刀VV 1卜 一 一 一淤 一 0 2 一 2 0 1 0 01020 翔 卿 采样勿个 句气脚 互相 关函数