錨桿鉆機分流式雙馬達并聯回轉系統特性分析

摘要：錨桿鉆機是井下錨固支護的關鍵設備之一，現使用AMESim搭建錨桿鉆機分流式雙馬達并聯回轉系統，并對該回轉系統特性進行仿真分析。仿真結果表明，在節流閥某一開口度范圍內，其調速特性與馬達轉速呈線性變化;雙馬達并聯回轉機構可均分負載扭矩，避免傳動齒輪損壞;馬達的調速特性存在一定的功率損失。

關鍵詞：錨桿鉆機;雙馬達并聯;回轉系統特性

0 ? ?引言

錨桿鉆機是井下錨固支護的關鍵設備之一，主要有氣動式、液壓式和電動式三大類，前兩者已經成為國外主流[1]。目前液壓錨桿鉆機正廣泛應用于井下錨固支護環節，在錨桿鉆機破巖作業過程中，由于井下巖性質的不確定性，除了推進力外，馬達所受扭矩也會受到巖層硬度的影響，當壓力增大到系統極限值時，需降低回轉轉速，進而影響鉆孔效率[2]。因此，回轉機構的設計對液壓錨桿鉆機的作業效率有著極其重要的影響，分析錨桿鉆機回轉機構特性對設備使用和提高作業效率具有重要意義。

1 ? ?錨桿鉆機組成及雙馬達并聯回轉機構分析

錨桿鉆機的設計往往是根據煤巖特性進行的，因此不同型號錨桿鉆機的各個參數、動力以及破巖原理各不相同[3]。ZDY650鉆機如圖1所示，錨桿鉆機主要包括動力組件、液壓馬達、導軌、機架體、進給油缸、滑移組件、夾持組件。其中，動力組件是錨桿鉆機的核心部分，主要由沖擊機構和回轉機構組成[4]。回轉系統是回轉機構的重要組成部分，為避免巖層硬度突變對回轉機構造成損壞，本文將對錨桿鉆機回轉機構的設計進行分析。

雙馬達并聯設計如圖2所示，齒輪1與齒輪2分別與兩個馬達連接，齒輪3連接回轉機構。3個齒輪受力如圖2所示，即回轉機構所受負載力矩由兩個齒輪共同承載。

式中：r1、r2為齒輪1、齒輪2直徑;F1、F2為齒輪1、齒輪2所受作用力;M1、M2、M3為齒輪1、齒輪2和齒輪3扭矩。

2 ? ?分流式雙馬達并聯回轉系統建模

LMS Imagine.lab AMESim是法國的Imagine公司于1995年推出的仿真建模軟件，通過將系統庫中已有的元件模型連接起來，就可以進行相關系統的仿真與分析[5]。分流式雙馬達并聯系統建模如圖3所示，主要模型元件參數設置如表1所示。

根據市場上現有的錨桿鉆機參數，設置泵和液壓馬達排量和最大轉速均為100 cm3/r和400 r/min，電機轉速400 r/min，三位四通閥給定信號-40 null，始終處于右位，阻尼孔直徑為0.2 mm，死腔容積為4 cm3。節流閥主要用來調節馬達轉速，節流閥信號及負載扭矩信號設置如圖4和圖5所示。

3 ? ?AMESim仿真結果及分析

設置仿真時間20 s，時間間隔為0.01 s，得到雙馬達轉速如圖6所示，雙馬達和負載扭矩如圖7所示，節流閥損失功率如圖8所示。

由圖6可以看出，0～5 s內，隨著節流閥開口逐漸關閉，馬達轉速與節流閥開口度并不完全是呈線性關系，而是大約經過1.5 s后呈現線性變化，即節流閥開口度在某一范圍內與馬達轉速呈線性變化。節流閥開口關閉后，泵的轉速為雙馬達轉速之和，即雙馬達并聯分轉速。由圖7可以看出，當節流閥開口完全關閉后，負載扭矩大小始終是兩個馬達扭矩之和，即雙馬達能夠起到均分負載扭矩的作用。通過節流閥部分的流量并未經過負載直接回流油箱，因此，分流式調速存在流量損失。由圖6、圖8可知，馬達轉速越低，浪費在節流閥上的功率損失也就越大。

4 ? ?結論

通過使用AMESim分析錨桿鉆機分流式雙馬達并聯回轉系統特性，主要可得到以下3個結論：

（1）分流式調速特性并不完全與節流閥開口度呈線性變化，而是在某一開口范圍內馬達轉速與節流閥開口呈線性變化。

（2）雙馬達并聯機構可以起到均分負載扭矩的作用，在負載扭矩過大時，可以避免傳動齒輪負載過大，減少齒輪損壞;但泵的輸出流量也一分為二，馬達轉速相對較低，可適用于負載扭矩較大、轉速需要較低的巖層環境中。

（3）分流式調速存在著功率損失，馬達轉速越低，損失越大，應盡量避免馬達在太低的轉速下運轉，造成能源利用率低下。

[參考文獻]

[1] 王曉瑜.沖擊回轉機載型錨桿鉆機液壓系統設計與AMESim建模仿真分析[J].機床與液壓，2016，44（21）：147-150.

[2] 郭一楠，程偉，楊歡，等.錨桿鉆機轉速的頭腦風暴最優自抗擾控制[J].鄭州大學學報（工學版），2019，40（3）：13-18.

[3] 席翠霞.錨桿鉆機的選型設計方法簡介[J].科技經濟導刊，2019，27（18）：57.

[4] 衛東東，原思聰，尚敬強，等.基于AMESim的液壓錨桿鉆機沖擊器系統建模與仿真[J].煤礦機械，2012，33（1）：76-78.

[5] 張廷壽.錨桿鉆機液壓控制系統工作特性研究[J].現代制造技術與裝備，2018（10）：197-198.

收稿日期：2021-05-26

作者簡介：陸有兵（1995—），男，安徽淮南人，碩士研究生，研究方向：液壓錨桿鉆機。