采用AMEsim的潜孔钻机回转液压系统的动态仿真与试验研究

摘要：分析潜孔钻机回转系统的结构组成及其液压系统的工作原理,推导该回路中相应的泵与马达的动力学方程;利用AMEsim仿真平台建立基于压力流量控制的泵控马达液压系统的仿真模型,设置模型中的主要参数,并进行动力学仿真。根据仿真结果得到不同负载作用下马达进口压力的动态响应曲线,并进行相应的现场模拟试验验证,与仿真结果对比分析表明,该回转系统在正常作业和卡钻工况下,系统的响应速度较快,稳定性好,负载适应性强。同时,通过试验验证所建立模型的正确性,为潜孔钻机回转液压系统的性能评估和优化设计提供了一条新途径。
关键词：潜孔钻机;负载敏感控制;液压建模;仿真;AMEsim仿真平台

潜孔钻机主要用于露天矿山开采,建筑基础开挖,水利、电站、建材、交通及国防建设等多种工程中的凿岩钻孔,与常见的凿岩机相比,具有钻孔深、钻孔直径大、钻孔效率高和适应范围广等特点,是当前通用的大型凿岩钻孔设备[ 1 ] 。回转液压系统是潜孔钻机的重要工作部分之一,其工作性能的优劣决定了整机的作业效率和负载能力。潜孔钻机在钻孔作业过程中,系统的负载时刻处于波动,负载具有随机性、模糊性、关联性、离散性及动态性等特点,仅按照静态过程对液压系统进行设计,往往不能满足系统的实际工况需要,因此有必要对其动态特性进行进一步的分析、建模和仿真研究。

AMEsim仿真软件能实现多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真,仿真范围广;不同领域的模块之间可直接进行物理连接[ 2 ] 。用AMEsim对液压系统进行仿真时,不仅系统整体结构的数学模型起着决定性作用,各个元件子模型中的结构参数也同样重要,精确地设定这些参数往往比较困难,因此,设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节。AMEsim软件在液压机械系统的仿真研究方面具有很强的针对性和优越性,它可以大大地缩短产品的开发周期,降低产品开发的成本,提高产品的竞争力。所以本文采用AMEsim仿真软件对潜孔钻机的回转液压系统进行分析和仿真研究。

1回转系统的结构组成和液压系统的工作原理分析

回转液压系统主要由变量泵、可调节流阀、常闭型二通插装阀、多路换向阀以及回转马达等组成,其液压工作原理如图1所示。在钻孔启动前,多路换向阀处于中位卸荷状态;当正常工作时,多路换向阀在控制油路的作用下工作在下位,回转马达左路进油,右路回油,实现正转工作,而多路换向阀处于上位时反转则用于接卸钻杆。回转马达通过一级直齿圆柱齿轮减速后,输出0～50 r /min的连续可调转速。压力继电器在系统发生卡钻现象时,通过感应油路压力升高到设定值(一般设定为160bar) ,发出信号控制马达反转提升钻杆,以解除卡钻。

图1 潜孔钻机回转液压系统原理图

潜孔钻机处于启动的初期或轻载及空载工况下,负载压力Pc 低于恒功率阀VC开启压力时, VC处于关闭状态,流量阀VL 阀芯处于右位, 两端压力P0 = Pc ,差动缸中的压力PD = 0,此时差动缸机构推动泵的斜盘处于最大角度,即变量机构处于排量最大位置。钻机在钻孔作业过程中, 该系统处于压力/流量控制(DFR)阶段,此时,常闭型二通插装阀工作在右位,泵排出的流量经过可调节流阀进入回转系统,由于经过可调节流阀时存在压降,使得P0 < Pc ,恒功率阀VC断开油路,当系统压力升高到流量阀VL 设定压力后,该阀换向到左位工作。流量阀VL 两端分别接在可调节流阀进、出口, 压差大小由流量阀VL 的弹簧调定, 一般取值较小, 此时, 流量阀VL 相当于一个负载敏感阀。当泵的输出流量大于负载要求时, 可调节流阀两端的压差变大,使得流量阀VL 阀芯右移,控制油进入主动变量缸( PD ) , 推动泵的斜盘角度减小, 泵输出流量减少,直到可调节流阀上的压差与流量阀VL 的弹簧力达到新的平衡。由于阀芯的位移很小, 可以认为流量阀VL 的弹簧力基本保持不变[ 3 ] 。这样, 通过泵内的自动调节机构,使得泵的输出流量与负载需求流量相匹配, 无溢流损失, 系统效率得到提高。在该系统中, 泵的出口压力同样与负载压力相匹配变化, 泵的最大工作压力可以通过调节压力阀VP的弹簧来控制。同时,系统中压力阀VP具有优先工作权,即在未达到压力阀VP的设定压力时, 其工作在右位仅起通流作用,主动变量缸由流量阀VL 控制压力,当系统的压力升高到压力阀VP的设定压力时, 由于其弹簧刚度很小, 于是阀芯快速换向到左位工作, 此时由压力阀VP直接控制主动变量缸, 系统压力直接输入主动变量缸,推动泵的斜盘角度处于最小,泵的排量降到最低,此时,流量阀VL 的负载传感不起作用,可以认为该工况下变量泵功能相当于一个限压式恒压变量泵。

2 回转液压系统的建模

本文的仿真对象是湖南山河智能机械股份有限公司生产的某型中高风压全液压潜孔钻机,主要针对正常作业和卡钻情况下低速大扭矩进口马达的压力变化情况进行分析和仿真研究。

2.1 动力学建模的相关理论

潜孔钻机的回转液压系统是一个开式的泵控马达系统,柱塞变量泵以恒转速np 转动,其变量机构的摆角由被动变量缸( Pd )和主动变量缸通过感应外负载压力作用而共同控制。

在理想情况下, 可以做出如下假设, 把多路换向阀视为一个开关环节, 不计它的压力和流量损失; 回转马达与负载之间忽略结构柔度的影响,不计管路中的压力损失等。根据相关的力学知识, 可以推导出下面的相应动力学方程。

由系统的高压腔连续性方程[ 4 ]可知:

式中: np 为变量泵的转速; Dp 为变量泵的排量; Dm 为马达的排量;θm 为马达输出转角; V0 为管道总容积; p1为进油腔压力; Cip为变量泵的内泄漏系数; Cim为马达的内泄漏系数; Cep为变量泵的外泄漏系数; Cem为马达的外泄漏系数;βe 为管道总容积弹性模数。

变量泵的排量Dp 为:

Dp =αkp ……………………………………… (2)

式中:α为变量泵变量机构的摆角; kp 为变量泵的排量梯度。

马达和负载的力矩平衡方程为:

式中: Tg 为马达的理论扭矩; J为马达和负载(折算到马达轴上)的总惯量; Bm 为黏性阻尼系数; Cf 为马达内摩擦因数; G为负载弹性刚度; TL 为任意外负载力矩。

式( 3)中摩擦力矩是非线性的,虽然Cf的值一般很小, 但在高压和小幅值输入时, 这种库仑摩擦可明显地使阻尼增加。采用并联的低速大扭矩马达的优势在于使力矩增倍,所需的转速减半,低速稳定性好,可提高马达的启动效率,降低成本。

2.2 回转仿真模型的建立

通过对回转液压系统原理的分析可知, 潜孔钻机在钻孔作业工况中,该液压系统是基于压力流量控制的负载敏感系统,恒功率阀VC并不起作用。同时,由于该回路是泵控马达系统,而所研究的是在系统启动后的作业工况, 多路阀在回路中起着换向的作用, 可以把它简化成一个三位四通阀。通过上述分析, 可以得到有利于分析的简化系统仿真模型,如图2 所示。图2中符号的含义参见AMEsim软件说明。

图2 回转液压系统的AMEsim仿真模型

在AMEsim 软件仿真时系统所有模型均被参数化[ 2 ] ,如对于伺服油缸从其缸径、活塞杆径、行程、缸两端的非工作腔的体积和黏滞摩擦因数等,到其所用液压油类型,都以参数的形式输入。其他的元件都有其详细的参数,在这里仅就关键的参数加以列举。本文在仿真过程中根据实际的物理模型尺寸和由试验得出的经验数据输入参数。简单列举如表1所示。

表1 仿真主要参数设置

3 回转的仿真与分析

模型仿真分为两种工况:第一种工况从启动到正常作业工况,在仿真模型中表现为对系统施加一个2300N·m的阶跃输入信号,得到马达进油口压力变化仿真曲线; 第二种工况在初始状态为正常钻孔作业,卡钻时分为缓变卡钻和突变卡钻两种工况。其中缓变卡钻时对系统加入一个由2300～4500N·m的斜坡信号,历时2 s;突变卡钻时相当于对系统加入一个由2300～4500N·m的阶跃输入信号。由此得到如下仿真结果。

正常作业工况时得到马达的进口压力Pm 变化曲线如图3所示。仿真启动后Pm 迅速增大, 达到峰值所需时间约为40ms,其峰值压力为86bar;经过一次较大幅度振荡后, 到再次达到平衡状态时压力为77.5bar,约耗时85ms。从结果分析可知,在系统启动初期,由于初始状态系统压力为零,因此从仿真开始变量泵工作后系统建立压力,马达进口压力从启动后便直接升高,由于在此过程中变量泵内流量阀换向到左位及马达的启动,导致压力振荡,但能迅速达到平衡状态,从仿真结果可知系统的稳定性好,响应速度快,启动过程的压力波动较大,对系统可能产生冲击,但超调量在合理范围之内。

图3 正常作业工况下马达进口压力响应曲线

钻机处于缓变卡钻工况时,设其初始状态为正常工作状态,得到缓变卡钻情况下马达进口压力Pm 变化曲线,如图4所示。在缓变卡钻情况下, Pm 随负载增大呈近线性上升趋势, 仿真计算1 s后系统开始加载,系统压力开始产生变化,加载时间为2 s,系统压力的最大峰值约170bar,最后稳定值为155bar,从加载完毕后至达到平衡状态耗时约150ms。在缓变卡钻工况下,系统压力随负载的变化呈线性增大。由于进油口安全阀的存在,当压力增加到安全阀设定值后,安全阀开始溢流。但由于负载仍持续上升,而系统压力不再随之上升,使得负载超过马达的负荷能力,马达停止转动及溢流阀的开启,导致油路压力产生巨大峰值。随着溢流的稳定,最后系统压力稳定在溢流阀的设定值155bar。由仿真结果可知,系统在此动态过程中超调量较大,可能对系统元件产生剧烈冲击,但振荡次数少,过渡时间较长,系统稳定性好。

图4 负载缓变卡钻下马达进口压力响应曲线

当钻机处于突变卡钻工况时,仿真结果如图5所示。在加载后Pm 迅速变大, 直接上升到峰值约175bar,之后经过一次较大幅度振荡趋于平衡,压力值稳定在155bar,从加载到再平衡状态共耗时约180ms。在突变卡钻工况下,所施加为阶跃信号,负载产生的扭矩直接使马达停止转动,因系统压力的突变使得溢流阀开启溢流,此过程反映在液压系统中会产生振荡,与缓变卡钻一样,最后压力稳定在溢流阀设定值。此过程中系统过渡品质有待于改善,但稳定性良好,负载适应性较强。

图5 负载突变卡钻下马达进口压力响应曲线

4 试验验证

由于仿真模型简化和建模假设,有待于通过试验来验证仿真结果的正确性。本试验是在原液压系统的基础上,在回转多路换向阀和马达之间接通手持式液压测量仪器MultiSystem5050,通过模拟各种负载情况,来测试不同负载情况下马达的压力响应曲线。通过试验,可分别得到如图6、图7、图8的试验曲线。

图6 模拟正常作业时的马达进口压力曲线

图7 模拟缓变卡钻时的马达进口压力曲线

图8 模拟突变卡钻时的马达进口压力曲线

通过与仿真结果的对比分析可以看出,仿真曲线与模拟试验中所得到的曲线基本吻合,但模拟的试验所产生的峰值压力比仿真结果中出现的压力要大2～3bar,导致该结果的主要原因是建模中一些参数的简化以及试验中各种阀的调节误差所造成。模拟试验加载的时间与仿真加载在时间上不一致,其原因是由于手动操作所产生的误差所造成,但对于试验结果的影响几乎可以忽略。

5结语

通过建立系统的仿真模型,得到了不同负载下马达进口压力变化特性曲线,经验证与模拟试验结果相一致,说明建立的AMEsim仿真模型的正确性。仿真与试验结果表明,该液压系统在变负载下具有良好的动态响应特性,负载适应性强,液压系统具有硬的机械特性。同时,该仿真结果为研究回转液压系统在缓变卡钻和突变卡钻情况下的临界回转压力设定值[ 5 ]提供了理论参考依据。仿真模型的建立也为潜孔钻机回转液压系统的性能评估和优化设计提供了一条新途径。

参考文献:
[ 1 ] 赵宏强,林宏武,陈欠根,等. SWDB90一体化液压潜孔钻机[ J ]. 建筑机械, 2006 (19).
[ 2 ] 付永领, 祁晓野, 李庆. AMESim 系统建模和仿真———从入门到精通[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2006.