全液压牙轮钻机钻进时扭矩限制的研究

全液压牙轮钻机钻进时扭矩限制的研究

0序言在全液压齿轮机枪的旋转过程中，岩石会受到周期性影响。1回转限压阀组回转液压系统原理图如图1所示,高压油由闭式泵经过多路阀到达回转马达,驱动马达转动,液压马达驱动整个回转机构,带动钻杆转动。钻杆的负载特性与钻头工作环境和转速有关,岩石硬度大,要求的扭矩增大,回转液压系统压力增大。当钻杆转速加快时,钻头和钻杆所受岩层和岩壁摩擦力增大,回转液压系统压力也会升高。限制回转液压系统的压力,可以达到限制钻杆的扭矩的目的,而回转系统的压力可以通过改变闭式泵的排量来调节。所以设计一个回转限压阀组,将回转系统的压力信号引入闭式泵的伺服缸,调节闭式泵的排量,限制回转系统压力和钻杆扭矩。回转限压阀组的设计要求:回转限压阀组引入的压力信号为调定值,阀组下游压力不能影响已调定的开启压力;阀组可以实现远程压力控制,即操作人员在驾驶室内就可以对回转限压阀组进行调压,以达到保护钻杆目的;阀组响应速度要快,而且工作可靠;能够保护伺服缸,防止引入的压力信号对伺服缸形成冲击。2主流阀圈压阀组2.1溢流阀回流阀组设计以溢流阀为核心的回转限压阀组如图2所示,阀组中P2.2阀部分的压力仿真分析由于所设计的回转限压阀组出油口进入伺服缸,缸内会有一定量的液压油产生背压,所以对所建立的溢流阀HCD模型施加一个背压信号,如图3所示,为溢流阀的HCD模型,上部为先导阀部分,下部主阀部分。设定模型的参数,为仿真模型加上一个斜坡压力信号,对溢流阀的实际工况进行仿真分析仿真模型所设定的溢流阀的开启压力为28MPa,当伺服缸内压力达到约4MPa时,进出口压差为28MPa,溢流阀主阀开启,产生流量,此时可以得出溢流阀的进口压力是32MPa,即开启压力变成了32MPa,比之前的调定压力正好高了伺服缸内的压力4MPa。通过仿真分析可知,回转限压阀组中,溢流阀下游压力会影响其开启压力,开启压力波动会削弱对钻杆的扭矩保护作用,溢流阀为核心元件的回转限压阀组方案不可行。3逻辑插值阀圈数据表示为3.1ct2插装阀组成设计逻辑阀为核心元件的回转限压阀组,如图5所示。CT2是所选的逻辑插装阀,其控制油口通过梭阀与电磁溢流阀CT6连接,可以实现远程无级调压。高压油从P3.2压力—逻辑插装阀数学建模逻辑插装阀选择VLSP系列,图6为逻辑阀的简化模型。式中:p为进口油压力;A为阀芯下腔面积;p式中:C(2)阀口流量方程:式中:ρ为液压油的密度。(3)逻辑插装阀阻尼孔压力流量方程:式中:q可以发现电磁溢流阀调定压力p下面对逻辑阀开启状态时的动态特性进行分析,数学模型描述如下:(1)阀芯受力平衡方程:式中:M为阀芯当量质量;f(2)阀芯阻尼流量连续性方程:式中:q(3)阀芯进口受控腔流量连续性方程:式中:q将方程式(5)在额定工况点线性化并进行拉氏变换得到阀芯位移与进口压力之间的传递函数:由以上推导可知,逻辑阀的位移输出量与压力输入量之间的关系为二阶振荡环节,对于文中所述的逻辑插装阀,确定合适的可调参数,可以得到最小超调量而又最稳定的二阶系统3.3逻辑阀回转限压阀组工况仿真根据逻辑插装阀的结构,以及对其建立的数学模型,建立其逻辑阀回转限压阀组的HCD模型,如图7所示,对其性能进行仿真分析。在逻辑阀出口施加一个背压信号,可看做伺服缸内压力。图8是逻辑阀回转限压阀组工况仿真曲线,从图中可以看到,当设定电磁溢流阀压力为31.5MPa时,其逻辑阀口背压不论为多少,其开启压力就是31.5MPa,下游压力没有影响逻辑阀的开口压力。仿真结果显示,逻辑阀的下游压力不会影响开启压力,其开启压力是由电磁溢流阀设定的,电磁溢流阀通过电流调定,可以实现远程压力控制,同时其响应迅速,完全符合回转限压的要求,所以逻辑阀回转限压阀组确定为最终的设计方案。4回转工况仿真分析回转限压系统的整体仿真模型由闭式泵、泵控马达、回转限压阀组等三部分组成,其中仿真模型最上面的部分为闭式泵变量机构的超级元件,如图9所示。设置仿真模型的各项参数,电磁溢流阀调定33MPa,对整个回转及限压工作过程进行仿真分析,得到回转工况曲线。如图10所示为系统的回转压力曲线,从图10中可以看出,随着时间增长,系统压力大致呈线性升高,在大约3s的时候,系统压力达到33MPa左右,此后系统压力不再升高。如图11所示为逻辑阀流量随时间变化曲线,在3s时,即系统压力达到最大值33MPa时,限压阀组中的逻辑阀阀口打开,有油液流过,说明当系统达到调定值时,回转限压阀组开始工作,保持回转液压系统压力稳定,限制钻杆的扭矩。5牙轮钻机回转系统仿真模型样车的回转装置如图12所示。从闭式泵与变量马达之间的管路间引入高压油信号与回转限压阀块连接,采集试验数据。对样车进行调试,将调试过程采集的各变量的数据绘制成曲线图,如图13所示。当钻杆刚刚开始钻进,土层松软,钻速最大而输出的扭矩比较小;从点B到点A,系统压力与流量乘积为定值,此过程为恒功率控制,那么此过程马达排量逐渐变成满排量,转速逐渐降低,输出的扭矩则逐渐增大。达到工况点A时,输出扭矩达到最大值23000N·m左右,转速减小至76.0r/min,系统压力达到回转限压的调定压力33MPa。此时回转限压阀组开始作用,虽然负载力的增大使转速从76.0r/min持续减小,但是回转限压阀组压力限制系统压力保持在33MPa左右,输出转矩基本不变。但是实际上由于转速减小,机械传动效率降低,扭矩输出会略微减小,所以反映在曲线图上扭矩减小,但是输出扭矩基本会保持在22000N·m左右。将试验数据和仿真参数进行对比,阀组仿真模型扭矩输出图如图14所示。仿真模型的限压阀组压力调定为33MPa。牙轮钻机回转系统单个液压马达输出扭矩为1014.3N·m,乘以减速机的速比就是仿真模型输出扭矩23800N·m,仿真数据与试验数据非常接近。由仿真曲线可知,达到回转限定压力时,回转扭矩的输出基本保持恒定,与试验曲线最大扭矩输出值的变化趋势一致,符合工况要求。仿真结果和试验结果相互印证的,说明设计的回转限压阀组是合理的,所建立的仿真模型也是正确的。6仿真结果分析(1)对溢流阀限压阀组进行仿真分析,结果表明溢流阀开启压力受到下游压力影响会产生波动,不符合钻杆扭矩保护的要求。(2)对逻辑插装阀限压阀组仿真及数学建模分析,结果表明逻辑阀的下游压力不会影响开启压力,同时其响应迅速,可以实现远程压力控制。对回转限压系统仿真分析