基于AMESim的鑿巖鉆車防卡閥仿真研究

邱 凱

基于AMESim的鑿巖鉆車防卡閥仿真研究

邱 凱

（西京學院，西安 710123）

在鑿巖鉆車防卡釬系統(tǒng)中，防卡閥是最關(guān)鍵的部件之一。為了研究防卡閥在鑿巖作業(yè)過程中的性能，本文使用AMESim仿真平臺建立了防卡閥的仿真模型，并進行仿真研究。此外，還研究了防卡閥各參數(shù)變化對其性能的影響，為防卡閥的制造及改進提供參考。

防卡閥 AMESim 仿真 液壓系統(tǒng)

引言

在進行鑿巖作業(yè)時，卡釬事故頻發(fā)，嚴重影響作業(yè)效率。為了避免事故頻發(fā)，在作業(yè)中有必要采用防卡釬裝置[1]。

成立于1873年總部在瑞典斯德哥爾摩的Atlas Copco公司研發(fā)的ROCD7型全液壓鑿巖鉆車，配備的防卡閥性能優(yōu)良，可以防止Ⅱ類卡釬現(xiàn)象的發(fā)生。Ⅱ類卡釬是這類鉆車在作業(yè)過程中常見的故障問題，作業(yè)過程中巖石碎屑不能及時被清除，從而引起該現(xiàn)象的發(fā)生。由于未能及時被清除的巖石碎屑在鉆頭附近不斷累積，繼而導致轉(zhuǎn)釬運動的阻力矩增大，鑿巖的效率大大降低。

本文以AMESim仿真平臺為工具，進行仿真研究，并分析各類參數(shù)設置的改變對防卡閥性能的影響。

1 防卡閥工作原理

防卡閥的工作示意圖如圖1所示。在作業(yè)過程中，如果回轉(zhuǎn)壓力高于防卡閥設置的壓力值，則P-T油路導通，這時，部分液壓油經(jīng)過溢流閥流出，以穩(wěn)定回轉(zhuǎn)壓力在正常范圍內(nèi)[2]。

2 防卡閥參數(shù)設置

2.1 設定防卡閥臨界回轉(zhuǎn)壓力

判斷Ⅱ類卡釬是否出現(xiàn)的依據(jù)是工作中回轉(zhuǎn)壓力的曲線圖，其變化趨勢如圖2所示。圖2中，t1為卡釬前兆點，t2為卡釬出現(xiàn)點，t3為防卡響應點，t4為大回轉(zhuǎn)壓力點，pr為回轉(zhuǎn)壓力，pr0為正常回轉(zhuǎn)壓力，pr1為臨界回轉(zhuǎn)壓力（防卡閥設置壓力），prmax為最大回轉(zhuǎn)壓力，pt為推進壓力，pt0為卡鉆后最小推進壓力，ptmax為最大推進壓力。

Ⅱ類卡釬臨界回轉(zhuǎn)壓力值如公式（1）所示：

假設回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可提供的最大回轉(zhuǎn)壓力為prmax，回轉(zhuǎn)壓力儲備量為△prmax，則可得出公式（2）。

△pr1按式（3）和式（4）取經(jīng)驗值[3]。

將pr0=2.0MPa，prmax=12.5MPa代入式（3）和式（4），得出pr1=4.625MPa。

依據(jù)ROCD7型鑿巖鉆車的說明書設定參數(shù)[4]，取pr1=5.0MPa。

2.2 彈簧剛度

圓柱螺旋彈簧剛度[5]的計算如式（5）所示。

式中：k表示彈簧剛度，N/mm；G表示切變模量，MPa；d表示材料直徑，mm；n表示彈簧的有效圈數(shù)；D表示彈簧中徑，mm。

將G=8×104MPa，d=2mm，n=6，D=10mm代入式（5），得出k=26.7N/mm。

2.3 彈簧預緊力的設定

當設備出現(xiàn)卡釬現(xiàn)象時，回轉(zhuǎn)壓力會顯著增加，當達到臨界值時，錐閥閥口會在回轉(zhuǎn)壓力和推進壓力的作用下打開，其受力分析如圖3所示。

圖3中的變量Fy、Ftmax、Fr1的計算如式（6）、式（7）、式（8）所示。

圖3　防卡閥的受力分析

式中：Fy表示彈簧預緊力；Ftmax表示高推進壓力在錐閥上的作用力，N；Fr1表示臨界回轉(zhuǎn)壓力在頂桿上的作用力，N；d1表示閥座孔徑，mm；d2表示頂桿小徑，mm；d2表示頂桿大徑，mm。

將ptmax7MPa，pr1=5MPa，d1=4.2mm，d2=3.0mm，d3=6.0mm帶入式（6）～（8），得出Fy=202.9N。彈簧預緊力的值為202.9N。

3 AMESim建模及參數(shù)設置

圖4為液壓系統(tǒng)示意圖，以圖4為依據(jù)建立液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型，如圖5所示，本文將利用AMESim中HCD庫的模塊搭建防卡閥模型。

完成模型搭建后，需設定仿真參數(shù)，AMESIM子模型參數(shù)設置如表1所示。設置仿真時間為3.00s，仿真間隔為0.01s。

根據(jù)Ⅱ類卡釬現(xiàn)象出現(xiàn)時回轉(zhuǎn)馬達的阻力矩變化，設置阻力矩的值，以此來模擬鑿巖機通過Ⅱ類卡釬區(qū)時的工作狀態(tài)。信號源UD00的參數(shù)如圖6所示。

圖4　液壓系統(tǒng)示意圖

圖5　液壓系統(tǒng)的AMESim模型

圖6　AMESim模型中的UD00模塊參數(shù)設定

表1　模型中各個元件參數(shù)取值

在AMESim中單擊“仿真”，運行仿真，并分析各個參數(shù)的曲線，曲線如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　鑿巖機工作過程中推進壓力曲線

圖8　鑿巖機工作過程中回轉(zhuǎn)阻力矩曲線

圖9　鑿巖機工作過程中回轉(zhuǎn)壓力曲線

0～0.50s時段：回轉(zhuǎn)阻力矩的值為174.2N·m，推進液壓缸的壓力為7.0MPa。

0.50～1.50s時段：回轉(zhuǎn)阻力矩的值為436N·m，回轉(zhuǎn)壓力的值為5.0MPa，已經(jīng)到了防卡閥設置的壓力值，并未引起響應，推進缸的工作壓力仍為7.0MPa。

1.50～1.83s時段：回轉(zhuǎn)阻力矩的值為522N·m，這一時段內(nèi)，回轉(zhuǎn)壓力為6.1MPa，推進壓力有降低的跡象。

1.83～2.50s時段：回轉(zhuǎn)阻力矩的值為697N·m，回轉(zhuǎn)壓力的值為8.0MPa，推進壓力下降至4.7MPa。當回轉(zhuǎn)壓力與防卡閥的事先設置的壓力值5.0MPa相等時，卡釬現(xiàn)象發(fā)生在t2=1.50s，防卡閥響應時刻t3=1.83s，響應時間Δt=t3-t2=0.33s。

流經(jīng)錐閥閥口的流量[6]如式（9）所示：

式（9）中的A0的計算如式（10）所示：

式中：

Cd表示流量系數(shù)；A0表示通流口面積，mm2；p1表示流入閥口壓力，MPa；p2表示流出閥口壓力，MPa；x表示閥口開度；θ表示閥芯半錐角。

將Cd=0.7，x=15mm，θ=45°，d1=4.2mm，ρ=850kg/m3，代入式（9）、式（10），得ρ1=4.69MPa，與仿真結(jié)果基本吻合。

由上述計算及仿真結(jié)果可知，防卡閥無法使推進壓力達到低推進溢流閥設置的4.0MPa，當液壓油流經(jīng)閥口時，壓力有所下降。

4 液壓系統(tǒng)中參數(shù)變化對防卡閥性能的影響

下面通過仿真軟件來分析閥座孔徑以及彈簧剛度對防卡閥性能的影響。

4.1 閥座孔徑的數(shù)值改變與推進壓力之間的關(guān)系

在AMESim中分別設定閥座孔徑d1的值為3.4mm、3.8mm以及4.2mm，運行仿真，得到以下結(jié)果。

圖10　閥座孔徑對推進壓力的影響

由圖10可知：閥座孔徑d1的取值為3.4mm時，最小推進壓力為5.31MPa；閥座孔徑d1的取值為3.8mm時，最小推進壓力為4.95MPa；閥座孔徑d1的取值為4.2mm時，最小推進壓力為4.72MPa。由此仿真結(jié)果可知，閥座孔徑值與最小推進壓力呈負相關(guān)。

4.2 彈簧剛度的取值與推進壓力之間的關(guān)系

在AMESim中分別設置彈簧剛度k的值為26.7N/mm、35N/mm以及45N/mm，運行仿真，得到以下結(jié)果。

圖11　彈簧剛度的取值與推進壓力之間的關(guān)系

由圖11可知：彈簧剛度k的取值為26.7N/mm時，最小推進壓力為4.72MPa；彈簧剛度k的取值為35N/mm時，最小推進壓力為5.03MPa；彈簧剛度k的取值為45N/mm時，最小推進壓力為5.40MPa。由此仿真結(jié)果可知，彈簧剛度越大，最小推進壓力就越大。

5 結(jié)論

本文使用AMESIM仿真平臺建立了ROCD7型鑿巖鉆車的防卡閥的模型，并且進行了仿真研究，仿真結(jié)果中鑿巖機的最小推進壓力和計算值基本吻合。此外，還研究了閥座孔徑、彈簧剛度對防卡閥性能的影響，以期為鑿巖鉆車防卡閥的制造和改進提供一定參考。

[1]曾華林.一種液壓鑿巖設備的防卡釬液壓系統(tǒng)[J].礦山機械，1999，（3）：21-22.

[2]周浩，邢科禮，錢鳴.典型液壓鑿巖臺車防卡釬系統(tǒng)分析及探究[J].礦山機械，2013，（3）：22-26.

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[4]AtlasCopco.新款D7理論培訓課程[Z].2012.

[5]黃自強，何青則，何振華.液壓支架的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].山西機械，2000，（4）：49-50.

[6]王積偉，宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：45-48.

Simulation Analysis on Anti-jamming Valve of Drill Rig Based on AMESim

QIU Kai
（Xijing Unvercity,Xi’an 710123）

The anti-jamming valve is one of the most critical component of anti-jamming system in the drill rig. Simulation model is biult on AMESim to analysis the dynamic characteristics of the anti-jamming valve.The influence of port diameter of the valve seat, spring stiffness is analyzed also.The paper offere dreferences for the manufacture and improvement of the antijamming valve.

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