潛孔鉆機變幅機構液壓系統研究

李歆怡，林正英

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

潛孔鉆機變幅機構液壓系統研究

李歆怡，林正英

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

摘要：在總結潛孔鉆機國內外發展現狀的基礎上，介紹了潛孔鉆機重要的工作部件之一變幅機構，進一步分析了其結構組成及動力源液壓系統。對其變幅機構在運動過程中的壓力沖擊現象進行仿真分析，利用液壓仿真軟件AMESim建立了仿真模型，經分析研究找到了引起壓力沖擊的原因，并根據仿真研究的結果提出了主閥閥芯過流面積的改進方案，為鉆機進一步優化改善提供理論參考，對現實施工也有一定實際指導意義。

關鍵詞：潛孔鉆機；變幅機構；壓力沖擊；仿真分析；閥芯

Analysis of Hydraulic System of Luffing Mechanism of DTH Drill

LI Xinyi, LIN Zhengying

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Abstract:Based on the summary of the development situation of DIH drilling rigs at home and abroad, this paper analyzes the luffing mechanism, one important part of DTH drilling rigs，and the hydraulic system of its power and discusses its the basic structure. It also analyzes and simulates the pressure impact of its drive system exlsting in its operating process and uses the on simulation software AMESim to esfablish its model. The reason of the pressure impact is found through analysis. And according to the result of the simulation research, it proposes that the main valve is changed to increase its filter area. This scheme gives a reference to its improvement and is of certain practical guiding significance.

Keywords:DTH Drill; luffing mechanism; pressure impacting; simulation analysis; valve core

0引言

潛孔鉆機是現代工程機械中廣為人知的一種高效鉆孔機械。由鑿巖機和破碎錘等鑿巖機器逐漸演化而來，是由沖擊器潛入孔內，直接沖擊鉆頭，而回轉機構在孔外帶動鉆桿旋轉，通過變幅機構變幅定位并向礦巖鉆進的設備。主要用于露天礦山開采，同時也廣泛應用于建筑基礎開挖、水電、交通、冶金、建材、港灣及國防建設等施工作業中[1]。它是目前鉆爆法作業中廣泛使用的鑿巖機械之一，具有鉆孔直徑大、鉆孔深、鉆孔效率高、適用范圍廣等優點，也是當前通用的大型鑿巖鉆孔設備。潛孔鉆機變幅機構是從鑿巖機器人鉆臂中發展而來的，鑿巖機器人鉆臂的研究與鑿巖機器人的發展緊密相關[2]。其變幅機構由支柱、動臂、翻轉頭、滑架、鉆架、動臂偏轉液壓缸、動臂舉升液壓缸、鉆架偏轉液壓缸、鉆架舉升液壓缸、推進補償液壓缸、銷軸等組成。隨著鑿巖機器人的發展，為適應不同的工作要求，變幅機構的功能特點逐漸多樣化，可實現擺臂、轉臂、伸縮、旋轉、俯仰、擺角、補償、平動等多種動作。變幅機構的配置數量有單臂、雙臂、三臂甚至四臂。變幅機構的結構形式有直角坐標式、極坐標式、復合坐標式和直接定位式。目前其變幅機構的變幅全部由液壓驅動，因此，變幅機構液壓系統是潛孔鉆機的核心部件中的重要組成部分，很大程度上決定著鉆機的工作平穩性和工作效率，對其進行研究和優化有著重要的現實意義[3]。

變幅機構能夠實現鉆機舉升及偏轉還有推進等功能，因此其組成機構也較復雜。在研究分析運動機構的基礎上對變幅機構動力源即液壓系統進行詳細研究，有利于鉆機的進一步優化與升級，同時對實際施工有著一定的指導意義。

1潛孔鉆機變幅機構基本結構及其典型變幅運動

以最經典的直角坐標式變幅機構型的潛孔鉆機為例進行分析和研究。基本結構如圖1所示。鉆臂由鉆臂焊接件、搖桿、連桿、翻轉頭、立柱、鉸座1、鉸座2、鉆臂舉升液壓缸、鉆臂偏轉液壓缸、鉆架舉升液壓缸和鉆架翻轉液壓缸等零部件組成。鉆架相對于滑架的運動由推進補償液壓缸完成，所以滑架與推進補償液壓缸同屬于變幅機構基本組成部分。鉆臂偏轉液壓缸缸筒與機架之間、鉆臂偏轉液壓缸活塞桿與鉆臂焊接件之間采用十字鉸聯接，滑架與鉆架通過導軌聯接，其余各部件之間通過銷軸聯接[4]。

變幅機構變幅過程中一般不存在聯合運動，即單個液壓缸運動到位后另一液壓缸再緊接著完成下一步就位動作。該過程中5個典型的變幅動作如圖2所示。

1—機架；2—鉆臂焊接件；3—鉆架舉升液壓缸；4—搖桿；5—連桿；6—鉆架翻轉液壓缸；7—滑架；8—推進補償液壓缸；9—鉆架；10—翻轉頭；11—鉸座2；12—鉆臂舉升液壓缸；13—鉆臂偏轉液壓缸；14—鉸座1；15—立柱圖1　臂架式液壓潛孔鉆機鉆臂結構示意圖

圖2　變幅機構典型動作示意圖

1) 推進補償。如圖2(a)所示，鉆臂舉升液壓缸全伸出，鉆臂焊接件處于偏轉中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，鉆架翻轉液壓缸伸長至鉆架與地面垂直，推進補償液壓缸伸長或縮短，實現鉆架的上下運動。

2) 鉆架翻轉。如圖2(b)所示，鉆臂舉升液壓缸全伸出，鉆臂焊接件處于偏轉中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆架翻轉液壓缸伸長或縮短，實現鉆架的左右運動。

3) 鉆臂舉升。如圖2(c)所示，鉆臂焊接件處于偏轉中心位置，鉆架舉升液壓缸全縮回，鉆架翻轉液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆臂舉升液壓缸伸長或縮短，實現鉆臂的上下運動。

4) 鉆臂偏轉。如圖2(d)所示，鉆架處于鉛垂狀態，鉆頭與地面距離約0.05m，推進補償液壓缸全伸出，鉆臂偏轉液壓缸伸長或縮短，實現鉆臂的左右運動。

5) 鉆架舉升。如圖2(e)所示，鉆臂焊接件水平并處于偏轉中心位置，鉆架翻轉液壓缸全伸出，推進補償液壓缸全伸出，鉆架舉升液壓缸縮短或伸長，實現鉆架的上下運動。

2變幅機構液壓系統

潛孔鉆機變幅機構液壓系統按液壓變量泵供油方式可分為兩部分，變量泵1提供鉆臂舉升和鉆臂偏轉所需壓力油，變量泵2提供鉆架舉升和鉆架翻轉所需壓力油。兩部分液壓回路完全相同，其中鉆臂舉升和鉆臂偏轉液壓原理圖如圖3所示。鉆臂舉升回路和鉆臂偏轉回路是相似的，以鉆臂舉升為例，系統工作時，打開調整開關，插裝閥3工作在左位，先導手柄操作鉆臂舉升閥5上移或下移，從液壓泵1來的高壓油液經平衡閥7進入臂舉液壓缸8大腔或小腔，推動液壓缸活塞桿伸出或縮回，以驅動鉆臂上升或下降。系統不工作時，平衡閥7關閉，液壓缸鎖死。

1-變量泵1；2-可調節流閥；3-常閉型二通插裝閥；4-主安全閥；5-臂舉換向閥；6-臂偏換向閥；7-平衡閥；8-臂舉液壓缸；9-臂偏液壓缸；10-平衡閥圖3　鉆臂舉升和鉆臂偏轉液壓原理圖

3變幅機構液壓系統仿真分析

傳統的變幅機構液壓系統仿真研究方法包括解析法、狀態空間法和功率鍵合圖法等。法國IMAGINE公司推出AMESim軟件，用于液壓和機械系統建模、仿真分析，與傳統方法相比，擁有界面友好、操作方便、可驗證性和可視化較強等優點。利用液壓仿真軟件AMESim對變幅機構進行仿真建模,依據實際參數對液壓系統各部件進行模型搭建，然后進行組裝。組裝總圖如圖4所示。

圖4　變幅機構液壓系統AMESim仿真模型圖

4變幅過程中壓力沖擊現象及其研究分析

用上述液壓仿真模型對鉆機變幅工作過程進行仿真模擬，通過仿真分析發現變幅液壓缸在變幅啟動和停止的瞬間均存在壓力沖擊現象，仿真圖如圖5所示。

圖5　鉆臂舉升壓力曲線圖

由圖5和圖6可以輕易發現變幅機構中鉆臂舉升和鉆臂偏轉過程中當鉆機變幅液壓缸開始伸出、暫停運動、伸出轉為收縮運動等過程時，液壓缸中均存在顯著的壓力沖擊現象。沖擊值甚至超過了平穩運行時壓力值的100%。這種沖擊對液壓系統存在很大危害，如果單獨為此而將系統的設計值提高，會大大提高生產成本。如果能夠有效的將此種現象或者壓力沖擊值大大減小，對鉆機運行及實際生產都會帶來較大的收益，此項研究意義重大。

圖6　鉆臂偏轉壓力曲線圖

通過對系統的分析以及壓力引起的原因進一步剖析，不難發現液壓系統在運動起始時及運動停止時均會產生慣性，而慣性又分為機構本身的慣性及液壓油流動慣性兩種。以鉆臂舉升液壓缸伸出為例，當液壓缸突然伸出時，由于慣性，此時需要較大的加速度才能推動活塞桿伸出，而此時液壓缸內壓力不足，主閥打開，壓力油似剛開閘的洪水沖向液壓缸，而液壓缸由于慣性又處于剛要運動又未運動狀態，由此引起蹩壓現象，缸內壓力陡然上升，出現壓力沖擊；而停止時，同樣由于機構已經停止，而壓力油仍然在慣性作用下繼續向缸內運動，致使壓力再次迅速上升，再次出現壓力沖擊。

經過上述分析發現，如果液壓油在閥打開瞬間供油充足，而停止時供油能夠快速切斷供油量，從較大程度上可以減少壓力沖擊值的峰值現象。由此，進一步對主閥的閥芯過流面積研究發現，主閥閥芯過渡處開口為L型節流槽，如圖7所示。需對該處結構形狀依據與運動對應的函數曲線進行優化。

圖7主閥閥芯三維外形圖

經優化閥芯過流面積，再對上述過程進行仿真分析研究，得到鉆臂舉升與鉆臂偏轉的壓力曲線如圖8和圖9所示。由圖可知，壓力沖擊依然存在，但是相比之前的沖擊峰值有所大大改善，該現象得到明顯減弱，證明了該優化方案的有效性。

圖8　優化后動臂舉升液壓缸壓力曲線圖

圖9　優化后動臂偏轉液壓缸壓力曲線圖

5結語

對潛孔鉆機重要工作機構的變幅機構的基本組成以及動力源液壓系統進行了較為詳細的闡述，并利用液壓仿真軟件對變幅機構液壓系統進行建模分析。通過仿真研究，發現了變幅過程中存在壓力沖擊現象，通過研究發現了問題的部分原因，并相應進行了優化；通過再次仿真研究，發現問題點得到了有效的改善，證明了優化的有效性。文中借助計算機虛擬樣機進行優化分析，事半功倍，對潛孔鉆機的設計研究和實際生產均有較大意義。

參考文獻:

[1] 王榮祥，任效乾. 礦山機械裝備制造業的調整和振興規劃(一)[J]. 現代礦業，2010，489(1)：1-4.

[2] 楊光照，郭石宇，趙洪巖. 鑿巖機械發展現狀與趨勢[J]. 礦業工程，2009，7(3)：46-47.

[3] 李美香. 潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡液壓控制方案研究[D]. 長沙：中南大學碩士學位論文，2008.

[4] 周宏兵，胡雄偉，謝嵩岳. 液壓挖掘機挖掘力的仿真與試驗研究[J]. 現代制造工程，2009(4)：92-94.

收稿日期：2014-01-28

中圖分類號：TP271+.31

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0023-04

作者簡介：李歆怡(1983-)，女，福建福州人，助講，碩士研究生，主要研究方向為機械制造自動化。