基于AMESim的全液壓煤礦用鉆機液壓系統(tǒng)的特性分析

劉嘉陽

(大同煤礦集團有限責任公司,山西 大同 037000)

液壓系統(tǒng)是全液壓鉆機的核心，其性能直接決定了鉆機的整機性能和可操作性，液壓系統(tǒng)設計不僅要考慮系統(tǒng)靜態(tài)使用特性，而且要研究液壓系統(tǒng)在實際工作中的動態(tài)特性[1]。研究鉆機系統(tǒng)的動態(tài)特性，可以進一步了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和控制精度等是否滿足要求，如存在問題可以進行改進設計從而彌補靜態(tài)分析的不足，減少反復、縮短設計周期[2]。本文以同煤集團下屬礦井所采用的全液壓式鉆機為原型，利用AMESim協(xié)同仿真平臺，對鉆機回轉推進液壓系統(tǒng)和鉆機給進系統(tǒng)進行了仿真建模，深入研究鉆機液壓系統(tǒng)在不同工況的動態(tài)性能[3]。

1 基于AMESim鉆機液壓系統(tǒng)仿真模型

1.1 泵站的建模

泵站的油泵為雙聯柱塞泵，主泵為負載敏感泵，可以輸出與負載相匹配的油液，副泵采用恒壓泵，為系統(tǒng)輸出恒壓油。對于雙泵的建模，由于AMESim中沒有液控閥、液控泵等液控部件，采用HCD庫搭建液控閥和液控泵，仿真過程中，選擇直接信號加載方式，局部采用電控機構。

泵站的仿真模型是由以上負載敏感閥、恒壓閥和變量油缸的AMESim基礎上，依據泵站的液壓原理圖搭建而成的。泵站的仿真模型如圖1，圖中P1口為主泵的輸油口，LS口接油路中的負載端，P2口為副油泵的輸油口。

圖1 泵站的AMESim模型

圖2 行走系統(tǒng)的AMESim模型

1.2 行走系統(tǒng)的建模

行走系統(tǒng)主要由行走液壓馬達、多路換向閥、內控閥、速度選擇閥、安全閥和梭閥等組成，行走液壓馬達采用液控變量，通過內控閥、梭閥和速度選擇閥共同實現排量的調節(jié)。為了安全起見，防止雙側液壓馬達負載不平衡，在液壓馬達回路中設計了雙向安全閥。在AMESim模型中，忽略了內控閥、速度選擇閥的建模，采用一個端口連接固定位置可變摩擦扭矩模型模擬液壓馬達制動器，部分液控信號采用電控信號，如圖2所示。

2 全液壓礦用鉆機行走系統(tǒng)動態(tài)特性分析

根據煤礦井下條件和鉆機的實際質量，通過理論計算，得出了液壓鉆機的單邊最大驅動轉矩2740.8N·m，以該轉矩為最大負載值設置仿真的負載參數。針對鉆機行走系統(tǒng)的不同工況，分別對行走、爬坡和轉向工況進行分析。

2.1 行走工況

假設鉆機在井下水平巷道內行走，設置負載轉矩一直為2740.8N·m，仿真中0～1s內開始開啟液壓系統(tǒng)，隨后同時打開行走液壓馬達控制手柄，鉆機開始前進，4s后改變馬達排量，使鉆機快速行走，仿真時間為5s。運行仿真模型，得到了鉆機行走時的特性曲線圖，如圖3所示。

圖3 鉆機行走系統(tǒng)行走工況分析結果

圖中0～1s時開始啟動系統(tǒng)，泵輸出的流量與壓力在系統(tǒng)啟動的一瞬間達到峰值，泵受到的壓力沖擊較大，經過0.6s趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當開啟換向閥時，系統(tǒng)壓力出現輕微波動，隨后鉆機開啟勻速行駛；在第4s時，進行行走馬達排量調節(jié)，將馬達排量調節(jié)至916.8ml/r，行走馬達輸出轉速經過0.1s的震蕩后轉速開始升高。行走系統(tǒng)在開啟、行走和變速時，系統(tǒng)流量和壓力都出現了波動，但能迅速達到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)自我調節(jié)能力較好。通過對行走系統(tǒng)的特性分析，可知行走馬達連續(xù)滿載下能夠正常行駛，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

2.2 爬坡工況

對液壓鉆機行走系統(tǒng)爬坡工況分析主要是將坡道阻力轉換為驅動輪的阻力矩，全液壓鉆機的最大爬坡角度為 ，鉆機在斜坡上行走時要承受坡度阻力、運行阻力和履帶的內阻力，由于在行走馬達設計計算時添加了安全系數，鉆機行走時提供的驅動轉矩要大于坡道阻力矩。因此，采用最大驅動力矩模擬超載情況下的爬坡工況。圖4為行走馬達的扭矩。

圖4 行走馬達負載扭矩

2.3 單邊轉向工況

履帶液壓鉆機轉向時，需要將兩側馬達以相同速度反向旋轉，實現原地轉向，或者內側液壓馬達制動，外側液壓馬達旋轉，實現單邊轉向。由于原地轉向雙側行走馬達同時啟動，系統(tǒng)特性與行走工況近似，因此著重研究單邊轉向工況特性。應用經典公式，估算履帶單邊轉向時的阻力矩為3307.5N·m，在行走系統(tǒng)加載最大扭矩，并調節(jié)馬達排量至最大值。設定0～1s開機，1s后打開外側行走馬達換向閥，第4.5s關閉換向閥，總仿真時間為5s。運行仿真，得出了鉆機行走系統(tǒng)的單邊轉向工況分析結果，如圖5。

圖5 行走系統(tǒng)轉向工況分析結果

由圖5可知，鉆機內側制動轉向時，內側轉速幾乎為零，外側轉速經過短時間波動后，開始緩慢增加，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在19MPa；第1.5s時，外側馬達輸出轉速達到71rev/min，外側馬達轉速高于正常直駛時的轉速，3.5s后關閉主閥芯，行走馬達開始制動。由分析可知，單邊轉向工況回轉特性較為穩(wěn)定，單側液壓馬達能夠克服行走阻力實現快速轉向。

3 全液壓礦用鉆機回轉給進系統(tǒng)動態(tài)特性分析

液壓鉆機在鉆探作業(yè)時，主要遇到的問題是負載的突然變化。為了提高鉆機對負載的適應特性，本鉆機液壓系統(tǒng)應用了先進的負載敏感控制技術，為了凸顯負載敏感回轉系統(tǒng)的動態(tài)特性，本文對負載敏感回轉系統(tǒng)和普通回轉系統(tǒng)進行了對比仿真分析。通過對回轉馬達加載扭矩的方式模擬負載的變化情況，0～10s內為負載的緩變工況，在10s時相當于加載了一個階躍信號，設定總仿真時間為20s，并運行仿真得出了兩系統(tǒng)的特性對比曲線。圖6為普通回轉與負載敏感回轉兩系統(tǒng)隨負載變化的壓力-轉速特性對比曲線。

圖6 兩系統(tǒng)隨負載變化的壓力-轉速特性對比曲線

由圖6可知，在系統(tǒng)開始啟動時，系統(tǒng)壓力出現了波動，負載敏感回轉系統(tǒng)震蕩幅值較小，隨后系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定；在第10s時，系統(tǒng)負載突然升高，由于鉆桿彈性變形釋放能量的原因，鉆機回轉系統(tǒng)出現了波動，負載敏感回轉系統(tǒng)波動幅度較大，系統(tǒng)的壓力和轉速特性較普通回轉系統(tǒng)性能較差，但是負載敏感回轉系統(tǒng)響應速度很快，能夠在1.5s內實現系統(tǒng)大轉矩小轉速的過渡。雖然普通回轉系統(tǒng)具有較好的硬機械特性，但是工人在鉆進操作時難以完成對不同地質條件進行相應的操作，容易使液壓系統(tǒng)長時間處于大流量溢流狀態(tài)，造成系統(tǒng)發(fā)熱量過大。因而，鉆機負載敏感回轉系統(tǒng)綜合特性更優(yōu)于普通回轉系統(tǒng)，在高壓、大流量和負載突變情況下工作性能偏差。為了進一步提高鉆機負載敏感回轉系統(tǒng)對突發(fā)工況的適應能力，在負載敏感回轉回路上采用了溢流閥緩沖回路。

4 結論

本文根據鉆機液壓系統(tǒng)的原理，應用多領域協(xié)同仿真軟件AMESim搭建了鉆機液壓系統(tǒng)仿真模型，簡要介紹了各模塊仿真模型的搭建過程。著重對鉆機行走系統(tǒng)和回轉系統(tǒng)進行仿真分析，研究了行走系統(tǒng)在行走、爬坡、轉向和不平衡負載工況下動態(tài)特性，并應用對比分析方法分析了負載敏感系統(tǒng)對回轉系統(tǒng)的回轉特性的影響，最后模擬了給進系統(tǒng)在進給和起拔工況時的給進特性。通過仿真分析可知，鉆機液壓系統(tǒng)設計符合設計要求，驗證了壓力補償系統(tǒng)和負載敏感系統(tǒng)能夠提高鉆機液壓系統(tǒng)對礦井特殊工作條件的適應能力。