環縫鉆車工作裝置液壓系統設計與仿真

(1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.新鄉航空工業(集團)有限公司；河南 新鄉 453000)

0 引言

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，我國的能源結構決定了煤炭在國內能源消耗比重中長期占據重要地位[1-2]。在公路隧道和鐵路隧道掘進時，鉆孔爆破主要以其成本較低、效率較高的原因成為首選[3]。環縫鉆車是在隧道工作面中進行掘進的鉆孔機械設備，隧道掘進機械的先進程度決定隧道掘進工作的效率[4]。目前國內環縫鉆車正處在結構鉆車的蓬勃發展的階段，各種理論創新和結構創新的環縫鉆車大都在設計研發中，新型的結構創新和理論創新往往伴隨著明顯的或者潛在的問題，如液壓泵在換向時的壓力沖擊問題，本文將對環縫鉆車液壓系統進行建模，根據典型工況下的參數，分析仿真后液壓回路特性。

1 環縫鉆車液壓系統設計方案

環縫鉆車能夠利用液壓能在隧道斷面實現鉆車的行走、定位和鉆孔的功能，主要由動力裝置、行走裝置、平移回轉裝置、推進鉆削裝置、臨時支護、平衡裝置、電纜卷盤、冷卻裝置以及其他輔助裝置等組成。環縫鉆車主要結構如圖1所示。

圖1 環縫鉆車結構總圖

環縫鉆車對應的液壓系統包括平移回轉、推進鉆削、行走以及其他輔助裝置等液壓系統。其中平移回轉機構是鉆車的定位機構，推進鉆削機構實現鉆車的鉆削功能。

平移回轉機構液壓系統包括水平滑道裝置液壓回路，橫向平移液壓回路、縱向滑道裝置液壓回路和±180°回轉液壓回路、推進裝置液壓回路和±90°回轉液壓回路。這五個液壓回路負責鉆孔的定位，采用多路閥并聯可滿足獨立動作和聯合動作要求。推進鉆削機構液壓系統包括鉆筒推進液壓回路和鉆筒回轉液壓回路；行走機構液壓系統包括兩個履帶馬達液壓回路、兩個前支撐液壓回路和兩個后支撐液壓回路。采用防爆電機帶動兩個變量柱塞泵提供動力，一個泵主要給行走供油，且同時給推進鉆削機構供油，另一個泵給工作裝置供油。

2 推進鉆削裝置液壓回路設計

鉆車工作性能的好壞取決于鉆機結構穩定性、錨鉆技術的可靠性以及液壓系統的操縱性等[5]。推進器工作時，推進油缸和回轉馬達分別負責向前方進給位移和孔位的切削鉆孔動作，推進鉆削液壓回路采用并聯的方式。推進鉆削動力不只由一個液壓泵提供，行走泵也向鉆削馬達提供流量，兩泵均為負載敏感泵，處理鉆削馬達遇到的不同的阻力矩。執行動作的方向通過多路液控換向閥進行控制。推進鉆削裝置液壓回路原理圖如圖2所示。

圖2 推進器液壓回路原理圖

在推進鉆削液壓回路中設置略高于回轉馬達和推進油缸回路中最高工作壓力的壓力，以提供足夠的壓力和流量保證。在鉆削回路中設置雙向平衡閥，可以防止造成有害的液壓沖擊與振動，可以有效的防止回轉馬達和液壓缸的壓力和速度不穩，抑制回路中的液壓沖擊和振動。

負載敏感回路和工作壓力回路并聯，調節負載敏感回路的流量可以間接影響工作回路的流量，進而調節回轉馬達或推進油缸的動作速度。由于推進油缸是正反兩個方向運動，在進出口油路上都設置溢流閥作為穩壓閥，保障回路壓力穩定；回轉馬達只有進油口有最高壓力，設置穩壓閥，限制回路的最高壓力，防止過大的負載。

3 液壓回路建模及仿真分析

3.1 推進鉆削液壓系統仿真模型的建立

根據環縫鉆車的液壓系統原理圖建立AMESim的仿真模型。仿真主要為了驗證負載敏感系統的特性，即推進油缸進給推進、水泵馬達沖洗以及鉆筒鉆削同時進行協同工作的特性。液壓回路的仿真模型如圖3所示。

1-鉆削泵；2-行走泵；3-壓力補償器；4-電磁換向閥； 5-水泵馬達；6-推進油缸；7-鉆削馬達。圖3 推進鉆削液壓系統仿真模型

3.2 推進鉆削液壓系統仿真結果分析

推進鉆削轉置工作的穩定性體現在推進油缸的速度穩定和鉆削馬達轉速穩定上。鉆削馬達作為最主要執行元件，在鉆削中受到不穩定的負載壓力，為了保證鉆削效率，需要較大的流量，在仿真中設置切斷控制的切斷壓力為33 MPa。設置油缸的質量和馬達的轉動慣量以及其他仿真參數，對鉆削馬達仿真和多個執行器聯合仿真。得到鉆削馬達的運動特性曲線和執行器協同動作的壓力和流量的變化曲線，仿真結果及分析如下所述。

設定仿真時間為100 s，其中0～30 s外負載為5000 N/m、30～60 s為10000 N/m、60～100 s為16000 N/m，圖4、圖5和圖6分別為鉆筒鉆削時系統的壓力、流量和轉速仿真曲線。

設置鉆筒在30 s和60 s時受到的阻力矩發生較大的改變，模擬同一次鉆削過程中，巖石的堅硬程度隨著推進位移的增加出現不確定性變化。從圖4可以看出，在推進油缸的進給中，鉆筒阻力矩在巖石成分變動時遇到較大的波動，鉆削馬達的壓力經過波動后穩定。巖石堅硬程度的變化直接反饋在鉆削馬達的鉆削阻力矩，鉆削馬達的負載阻力矩反饋給鉆削泵和對應的壓力補償器，反饋的壓力結合液壓泵的負載敏感功能，使鉆削泵的出口壓力始終比鉆筒馬達的壓力高15 bar左右。從圖5、圖6可以看出，在巖石成分均勻時鉆筒的流量和轉速保持平穩，僅在阻力矩突變時產生短暫的波動，很快恢復平穩。驗證了鉆筒馬達鉆削的穩定性和壓力補償器的可靠性，即鉆削液壓回路具有很強的速度剛度。

圖4 鉆削馬達壓力曲線

圖5 鉆削馬達流量曲線

圖6 鉆削馬達轉速曲線

設置全程仿真過程設定具體工況為：水泵馬達外負載全程不變，推進油缸負載在行程內固定，活塞桿行程運動完成停止工作，對三個執行元件協同工作的工況進行仿真。系統壓力、流量響應曲線分別如圖7、圖8所示，在圖3仿真模型中可以看出，鉆削馬達的壓力反饋給鉆削泵和行走泵，推進油缸和水泵馬達的壓力反饋給行走泵。在圖7中可以看出，0～60 s期間，鉆削泵的最高反饋壓力為鉆削馬達，鉆削泵出口壓力始終比鉆削馬達負載壓力高15 bar，行走泵的最高反饋壓力為推進油缸的負載壓力，行走泵的出口壓力始終比推進油缸的負載壓力高15 bar，實現了協同工作的負載敏感。在60～100 s時，鉆削馬達的壓力為所有回路的最高反饋壓力，鉆削液壓回路兩者壓差依然穩定在15 bar，推進油缸和水泵馬達液壓回路的最高反饋壓力產生變化，因此行走泵的出口壓力比較對象由推進油缸壓力改變為鉆削馬達的壓力，但兩者的壓差還是穩定在15 bar左右。

由此可以得出，泵的出口壓力與所在回路中的最高負載的壓力差受所在回路最大負載的影響，且壓差由負載敏感閥的彈簧腔壓力預定。在圖8中，兩泵出口流量之和始終等于三個執行器的流量之和，總流量整體比較平穩，每個執行元件的流量波動不大，且能很快地恢復穩定，對各執行器協同穩定工作的影響較小，到達了各個執行元件之間的運動相互獨立，互不干擾的效果。

圖7 系統壓力響應曲線

圖8 系統流量響應曲線

4 結語

本文首先依據環縫鉆車的鉆削機理和動作要求，設計了一種適應本鉆車的推進鉆削液壓系統回路原理圖，建立了工作裝置液壓系統的仿真模型。根據環縫鉆車鉆孔的工況，合理設置其工作參數，對鉆削馬達的變負載的動態性能的工況進行了仿真分析，證明設計的環縫鉆車的液壓系統參數基本滿足工作工況要求。