煤層氣鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)分析及參數(shù)優(yōu)化

魯飛飛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710074）

閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載獨(dú)立的流量分配，具有較好的抗流量不飽和特性及負(fù)載適應(yīng)性，在車載鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。相關(guān)文獻(xiàn)也對(duì)閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究[4-5]。然而在煤層氣車載鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)調(diào)試及鉆機(jī)能力檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速常達(dá)不到理論設(shè)計(jì)值。為滿足車載鉆機(jī)對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)速度鋼性要求，以ZMK5530TZJ100F 車載鉆機(jī)為研究對(duì)象，基于AMESim 專業(yè)仿真軟件建立了系統(tǒng)模型，利用動(dòng)態(tài)分析及試驗(yàn)結(jié)合的方法，對(duì)車載鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

車載鉆機(jī)主回路液壓系統(tǒng)原理如圖1，主回路采用閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)，分別控制回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及給進(jìn)系統(tǒng)。

圖1 車載鉆機(jī)主回路原理圖Fig.1 Principle diagram of main circuit of vehicular drilling rig

壓力補(bǔ)償器為三通閥，系統(tǒng)最高負(fù)載作為負(fù)載反饋壓力，同時(shí)作用于三通閥一端，節(jié)流閥閥后壓力作用于三通閥芯另一端，閥芯受力平衡方程為：

式中：p1、p2、p3、p4為圖1 各油口出壓力；A 為三通閥芯截面積；FK為彈簧阻力；c 為黏性阻力系數(shù)；v為閥芯運(yùn)動(dòng)速度。

由于補(bǔ)償閥芯LS 通過(guò)梭閥取自兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最高工作壓力，所以p3＝p4，當(dāng)2 個(gè)閥芯規(guī)格相同，彈簧力相同時(shí)，忽略黏性阻尼，故p3＝p4，由于2 個(gè)節(jié)流閥的進(jìn)口壓力相同，因此，2 個(gè)節(jié)流閥前后壓差相同，因此，根據(jù)薄壁孔流量公式:

式中：qs為薄壁孔流量；Cq為流量系數(shù)；ρ 為油液密度；△p 為薄壁孔前后壓差。

從式（3）可以看出，節(jié)流閥流量只與閥開(kāi)口面積及節(jié)流閥前后壓差有關(guān)，根據(jù)式（1）和式（2）可以看出，車載鉆機(jī)給進(jìn)及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)輸出流量只與各聯(lián)多路閥開(kāi)口有關(guān)，系統(tǒng)具有較好負(fù)載適應(yīng)性及抗流量飽和特性。

從圖1 可以看出，車載鉆機(jī)所采用的閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感閥，2 片閥都處于中位時(shí)，負(fù)載反饋回路無(wú)法卸荷，因此多路閥設(shè)計(jì)中，一般在反饋油路增加阻尼孔1 和阻尼孔2（如圖1）。阻尼孔的主要作用一方面是負(fù)載反饋回路卸荷，另一個(gè)作用是減小反饋系統(tǒng)沖擊，而在一般系統(tǒng)分析時(shí)，常忽略阻尼孔，正是由于阻尼孔的存在，反饋管路中存在泄露及壓降，由于車載鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，管路相對(duì)比較復(fù)雜，在實(shí)際使用中出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)慢，系統(tǒng)流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)控制精度及響應(yīng)[6-8]。

2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)建模及仿真分析

通過(guò)分析負(fù)載敏感系統(tǒng)原理，建立系統(tǒng)AMEsim 模型[9-10]，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下：①泵排量:520 mL/r；②多路閥通徑：25 mm；③回轉(zhuǎn)馬達(dá)總排量：2 660/1 328 mL/r；④動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：19.2 kg/m2；⑤泵輸入轉(zhuǎn)速：1 800 r/min。

2.1 阻尼孔對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的影響

在對(duì)比反饋回路中增加孔徑為2 mm 阻尼1 和孔徑為0.8 mm 阻尼2 及不設(shè)阻尼情況下，動(dòng)態(tài)模擬動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，動(dòng)力頭負(fù)載為8 MPa,動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線如圖2，反饋系統(tǒng)壓力對(duì)比曲線如圖3。

圖2 動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線Fig.2 Output speed contrast curves of power head

圖3 反饋系統(tǒng)壓力對(duì)比曲線Fig.3 Pressure contrast curves of feedback system

從圖2 中可以看出，在第2 s 是多路閥換向，從動(dòng)力頭馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速可以看出，在不增加阻尼的情況下，閥全開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)流量鋼性較好，但反饋系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大。增加阻尼以后，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短，但是相同閥開(kāi)口度下，動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速降低，觀察圖3可以看出，增加阻尼以后，反饋回路壓力波動(dòng)較未增加阻尼明顯減小，且較快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。通過(guò)模擬可以看出，在反饋回路中增加阻尼，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)減小反饋回路的壓力波動(dòng)，有利于提高系統(tǒng)使用壽命，但是在系統(tǒng)中增加阻尼以后，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速有明顯的降低。

調(diào)節(jié)阻尼孔1 及阻尼孔2 的參數(shù)，動(dòng)態(tài)模擬外負(fù)載逐漸增大，不同阻尼轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線如圖4，從圖4 中可以看出，當(dāng)阻尼孔參數(shù)匹配不合理時(shí)，當(dāng)外負(fù)載增大時(shí)，動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速有明顯的下降（如圖中紅色曲線），系統(tǒng)負(fù)載適應(yīng)性變差。通過(guò)調(diào)節(jié)阻尼孔2 及阻尼孔1 參數(shù)，當(dāng)阻尼1 不變，通過(guò)減小阻尼2；或者在不改變阻尼2 的情況下，通過(guò)增大阻尼1 的大小，均可提高系統(tǒng)負(fù)載適應(yīng)性。

圖4 不同阻尼轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線Fig.4 Different damping speed contrast curves

2.2 反饋管路對(duì)系統(tǒng)的影響

由于車載鉆機(jī)反饋管路較長(zhǎng)，在實(shí)際模擬和測(cè)試中，應(yīng)當(dāng)考慮管路對(duì)系統(tǒng)的影響后，再進(jìn)一步分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)模擬在反饋系統(tǒng)中不設(shè)阻尼，而在反饋回路中增加10 m 的6 mm 通徑膠管，動(dòng)態(tài)模擬動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，增加管路后動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖5。未增加管路時(shí)反饋系統(tǒng)壓力曲線如圖6，增加管路后反饋系統(tǒng)壓力曲線如圖7。

圖5 增加管路后動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.5 Speed comparison of power head after adding pipeline

圖6 未增加管路時(shí)反饋系統(tǒng)壓力曲線Fig.6 Pressure curve of the feedback system without adding pipeline

圖7 增加管路后反饋系統(tǒng)壓力曲線Fig.7 Pressure curve of feedback system adding pipeline

由圖5～圖7 可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中增加長(zhǎng)管路以后，系統(tǒng)響應(yīng)有一定的滯后，從動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速可以看出，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較沒(méi)有管路時(shí)有所提高。在系統(tǒng)中增加管路以后，反饋系統(tǒng)壓力波動(dòng)較沒(méi)有增加管路之前有明顯的減小。通過(guò)模擬可以得出結(jié)論，當(dāng)回轉(zhuǎn)回路管路較長(zhǎng)時(shí)，有利于減小系統(tǒng)沖擊，從而提高系統(tǒng)使用壽命，但是增加管路后，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間滯后。

通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果可以看出，在反饋系統(tǒng)增加阻尼，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)及減小反饋系統(tǒng)壓力沖擊及波動(dòng)，但是會(huì)對(duì)動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速剛性有影響，當(dāng)匹配不合理時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載適應(yīng)性降低。反饋長(zhǎng)管路可以提高反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)滯后。

3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)匹配試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性及模擬結(jié)果，對(duì)ZMK5530TZJ100F 車載鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。在系統(tǒng)中設(shè)置阻尼和未設(shè)置阻尼進(jìn)行測(cè)試，由于多路閥阻尼1 孔徑一般為廠家出廠設(shè)定，無(wú)法調(diào)整，因此通過(guò)調(diào)整阻尼2 孔徑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。未調(diào)整阻尼及短管路測(cè)試結(jié)果如圖8，調(diào)整阻尼及長(zhǎng)管路測(cè)試結(jié)果如圖9（圖中虛線為反饋系統(tǒng)壓力，實(shí)線為動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速，點(diǎn)劃線為控制油源壓力）。

圖8 未調(diào)整阻尼及短管路測(cè)試結(jié)果Fig.8 Unadjusted damping and short pipeline test results

圖9 調(diào)整阻尼及長(zhǎng)管路測(cè)試結(jié)果Fig.9 Adjustment damping and long pipeline test results

從圖中可以看出，在動(dòng)力頭負(fù)載同為8.5 MPa的情況下，未增設(shè)阻尼時(shí)，反饋系統(tǒng)壓力有明顯的波動(dòng)及沖擊，系統(tǒng)峰值壓力為13.2 MPa，但動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速為25 r/min，當(dāng)系統(tǒng)增加0.8 mm 阻尼及10 m 的6 通徑膠管后，系統(tǒng)壓力沖擊和波動(dòng)有明顯的好轉(zhuǎn)，但是系統(tǒng)響應(yīng)有明顯的滯后，此時(shí)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速為22 r/min。對(duì)比2 個(gè)測(cè)試結(jié)果可以看出，通過(guò)增加阻尼和管路可以減小系統(tǒng)沖擊及壓力波動(dòng)，但是系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)存在滯后影響，而且，在同等負(fù)載下，增加阻尼以后，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速有所下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

以ZMK5530TZJ100F 車載鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用理論分析及動(dòng)態(tài)模擬的方法，動(dòng)態(tài)模擬對(duì)比了負(fù)載反饋回路阻尼及管路對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)及負(fù)載特性的影響，得出在反饋回路中增加阻尼可以提高系統(tǒng)響應(yīng)，減小系統(tǒng)沖擊及壓力波動(dòng)，但是是動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速鋼性會(huì)降低。長(zhǎng)管路反饋回路可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)沖擊，但是會(huì)引發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)滯后，因此在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別是管路較長(zhǎng)的情況下，可適當(dāng)?shù)臏p小阻尼孔2，以提高動(dòng)力頭負(fù)載適應(yīng)性，提高動(dòng)力頭響應(yīng)。