潛孔鉆機行走系統的優化分析

張云松

（山西省朔州市大同煤礦集團同生安平煤業有限公司， 山西 朔州 034900）

0 引言

潛孔鉆機是鑿巖的關鍵設備，在工作時通過外面的回轉機構帶動鉆桿轉動，實現快速鑿巖，其具有結構簡單、應用靈活性高的優點。潛孔鉆機在工作時需要由行走機構控制機身不斷變換鑿巖位置，由于其工作區域內的地質條件通常較為復雜，存在著大量的碎石，導致行走機構在運動的過程中受力較大，加上多數潛孔鉆機控制系統結構簡單，導致在實際工作中存在著反應靈敏度差、運行功耗高、換向沖擊大的缺陷，嚴重影響了潛孔鉆機的運行靈活性和可靠性[1]。

結合潛孔鉆機工作的實際需求，本文提出了一種新的潛孔鉆機液壓行走控制系統，通過采用變量馬達驅動的液壓控制回路，提高了系統在工作時的控制效率，通過溢流閥和換向閥的組合式應用，實現了行走機構在工作中的無級切換，降低了在換向時的壓力沖擊。

1 液壓控制系統

結合潛孔鉆機行走機構的布置和控制需求，文章所提出的潛孔鉆機液壓行走控制系統采用了“四輪一帶”的控制模式[2]，由發動機直接帶動變量泵運行，然后高壓油驅動液壓馬達進行運動，通過液壓馬達再帶動潛孔鉆機行走系統的履帶裝置，完成對潛孔鉆機行走的控制。為了提高行走系統在工作時的穩定性，減少能量消耗，液壓系統以一個雙變量泵和一個雙變量馬達為核心的獨立驅動回路，兩個液壓馬達處于相互獨立工作狀態，進而能夠控制潛孔鉆機的驅動機構，實現潛孔鉆機的行走控制及原地轉彎。該潛孔鉆機液壓控制系統結構如圖1 所示[3]。

圖1 潛孔鉆機液壓控制系統示意圖

由圖1 可知，當換向閥處于中間位置時，行走系統處于非供液狀態，此時潛孔鉆機行走機構處于非工作狀態。當換向閥1 處于右位時，液壓油進入到工作回路中，然后再經過單向閥進入到變量馬達中，驅動變量馬達進行正轉。此時換向閥3 左側內含有液壓油，而換向閥3 的右側直接和油箱連接，此時換向閥的閥芯在左右兩側的壓力差作用下處在左側位置，換向閥4 的閥芯在壓差作用下處在右側位置，液壓油最終進入到變量馬達的排量控制缸，控制馬達的排量增加，進而控制潛孔鉆機的行走機構在低速、穩定模式下運行。

當在系統中外接口K 處通入高壓油以后，在液壓油壓力作用下，閥芯將處于換向閥的左側，變量馬達的排量減少，進而控制潛孔鉆機進入到高速運行模式。當控制換向閥1 處于左側位置時，系統控制變頻馬達反轉，進而可以控制潛孔鉆機的后退。

2 液壓系統仿真分析

為了對該潛孔鉆機液壓行走控制系統的實際應用情況進行分析，以AMESIM仿真分析軟件為基礎，以ZDH138 型潛孔鉆機為研究對象[4]，對其液壓行走控制系統進行改造。該潛孔鉆機的鉆桿直徑為100～138 mm，鉆孔的最大深度為28 m，液壓系統的最大工作壓力為46 MPa（460 bar），整機質量是16 t，最大行走速度是3 000 m/h，所使用的馬達的最大排量為28 mL/h，容積效率是0.92，馬達工作時的機械效率是0.97。

為了簡化仿真分析過程，對液壓系統進行了適當簡化，利用AMESIM仿真分析模型庫[5]建立了潛孔鉆機液壓行走控制系統的仿真分析模型[6]，如圖2 所示。

圖2 液壓系統仿真分析原理

潛孔鉆機液壓行走控制系統在不同的工況下具有不同的工作特性，因此文章重點對潛孔鉆機在啟動狀態和換擋狀態下的工作特性進行分析。

潛孔鉆機在突然啟動的情況下，會使馬達的負載迅速增加，因此根據實際監測情況，在仿真分析時對系統輸入一個負載扭矩為10 000 N·m 的階躍控制信號[7]，信號加載的時間為8 s，對啟動情況下液壓馬達進口位置的壓力曲線進行研究，結果如圖3 所示。

圖3 馬達進口位置壓力波動曲線

由仿真分析結果可知，在0～2 s 的區間為系統的啟動階段，當馬達啟動后其進口位置的壓力瞬間增加到10.8 MPa（108 bar），在2～2.5 s 的時間段內系統壓力出現較為明顯的波動，這主要是馬達突然啟動，導致系統內的液壓油產生沖擊導致的[8]。但沖擊時間由優化前的2.2 s 降低到了目前的0.5 s，調控時間縮短了77.3%，極大提升了潛孔鉆機的運行穩定性。

潛孔鉆機在運行過程中需要根據地質情況靈活地調整潛孔鉆機的運行狀態，滿足運行安全性的需求，因此對系統設置一個持續時間為2 s 的換向脈沖信號，將其轉向時候的負載降低到4 000 N·m，則在換向過程中潛孔鉆機馬達進口處壓力隨時間的變化如圖4 所示。

圖4 馬達進口位置壓力波動曲線

由圖4 可知，在0～2 s 區間是馬達的啟動階段，在第4 s 時，給到系統一個換向脈沖信號，由于轉向負載突然降低，因系統內馬達在進口處的壓力先迅速降低，在換向過程中的最大壓力為10.4 MPa（104 bar），比優化前的32.2 MPa（322 bar）降低了約71.6%，而且系統內壓力波動時間由最初的3.4 s 降低到了目前額0.8 s，比優化前降低了76.5%，極大提升了潛孔鉆機在工作時的安全性和靈敏性。

3 結論

1）潛孔鉆機液壓行走控制系統采用“四輪一帶”的控制模式，通過液壓馬達再帶動潛孔鉆機行走系統的履帶裝置，能夠提高液壓系統的反應靈敏性、降低工作時的沖擊；

2）AMESIM 仿真分析系統能夠有效的模擬潛孔鉆機液壓行走系統在不同工況下的運行特性；

3）新的控制系統能夠將反應控制時間降低77.4%，將馬達進口處的壓力降低了71.6%，極大提升了潛孔鉆機行走系統的工作穩定性和可靠性。