環(huán)縫鉆車工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

(1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司；河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭在國(guó)內(nèi)能源消耗比重中長(zhǎng)期占據(jù)重要地位[1-2]。在公路隧道和鐵路隧道掘進(jìn)時(shí)，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(huán)縫鉆車是在隧道工作面中進(jìn)行掘進(jìn)的鉆孔機(jī)械設(shè)備，隧道掘進(jìn)機(jī)械的先進(jìn)程度決定隧道掘進(jìn)工作的效率[4]。目前國(guó)內(nèi)環(huán)縫鉆車正處在結(jié)構(gòu)鉆車的蓬勃發(fā)展的階段，各種理論創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的環(huán)縫鉆車大都在設(shè)計(jì)研發(fā)中，新型的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和理論創(chuàng)新往往伴隨著明顯的或者潛在的問(wèn)題，如液壓泵在換向時(shí)的壓力沖擊問(wèn)題，本文將對(duì)環(huán)縫鉆車液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，根據(jù)典型工況下的參數(shù)，分析仿真后液壓回路特性。

1 環(huán)縫鉆車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

環(huán)縫鉆車能夠利用液壓能在隧道斷面實(shí)現(xiàn)鉆車的行走、定位和鉆孔的功能，主要由動(dòng)力裝置、行走裝置、平移回轉(zhuǎn)裝置、推進(jìn)鉆削裝置、臨時(shí)支護(hù)、平衡裝置、電纜卷盤(pán)、冷卻裝置以及其他輔助裝置等組成。環(huán)縫鉆車主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)縫鉆車結(jié)構(gòu)總圖

環(huán)縫鉆車對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)包括平移回轉(zhuǎn)、推進(jìn)鉆削、行走以及其他輔助裝置等液壓系統(tǒng)。其中平移回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是鉆車的定位機(jī)構(gòu)，推進(jìn)鉆削機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆車的鉆削功能。

平移回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)液壓回路、推進(jìn)裝置液壓回路和±90°回轉(zhuǎn)液壓回路。這五個(gè)液壓回路負(fù)責(zé)鉆孔的定位，采用多路閥并聯(lián)可滿足獨(dú)立動(dòng)作和聯(lián)合動(dòng)作要求。推進(jìn)鉆削機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)包括鉆筒推進(jìn)液壓回路和鉆筒回轉(zhuǎn)液壓回路；行走機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)包括兩個(gè)履帶馬達(dá)液壓回路、兩個(gè)前支撐液壓回路和兩個(gè)后支撐液壓回路。采用防爆電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)變量柱塞泵提供動(dòng)力，一個(gè)泵主要給行走供油，且同時(shí)給推進(jìn)鉆削機(jī)構(gòu)供油，另一個(gè)泵給工作裝置供油。

2 推進(jìn)鉆削裝置液壓回路設(shè)計(jì)

鉆車工作性能的好壞取決于鉆機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、錨鉆技術(shù)的可靠性以及液壓系統(tǒng)的操縱性等[5]。推進(jìn)器工作時(shí)，推進(jìn)油缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)分別負(fù)責(zé)向前方進(jìn)給位移和孔位的切削鉆孔動(dòng)作，推進(jìn)鉆削液壓回路采用并聯(lián)的方式。推進(jìn)鉆削動(dòng)力不只由一個(gè)液壓泵提供，行走泵也向鉆削馬達(dá)提供流量，兩泵均為負(fù)載敏感泵，處理鉆削馬達(dá)遇到的不同的阻力矩。執(zhí)行動(dòng)作的方向通過(guò)多路液控?fù)Q向閥進(jìn)行控制。推進(jìn)鉆削裝置液壓回路原理圖如圖2所示。

圖2 推進(jìn)器液壓回路原理圖

在推進(jìn)鉆削液壓回路中設(shè)置略高于回轉(zhuǎn)馬達(dá)和推進(jìn)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(shè)置雙向平衡閥，可以防止造成有害的液壓沖擊與振動(dòng)，可以有效的防止回轉(zhuǎn)馬達(dá)和液壓缸的壓力和速度不穩(wěn)，抑制回路中的液壓沖擊和振動(dòng)。

負(fù)載敏感回路和工作壓力回路并聯(lián)，調(diào)節(jié)負(fù)載敏感回路的流量可以間接影響工作回路的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)馬達(dá)或推進(jìn)油缸的動(dòng)作速度。由于推進(jìn)油缸是正反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)出口油路上都設(shè)置溢流閥作為穩(wěn)壓閥，保障回路壓力穩(wěn)定；回轉(zhuǎn)馬達(dá)只有進(jìn)油口有最高壓力，設(shè)置穩(wěn)壓閥，限制回路的最高壓力，防止過(guò)大的負(fù)載。

3 液壓回路建模及仿真分析

3.1 推進(jìn)鉆削液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)環(huán)縫鉆車的液壓系統(tǒng)原理圖建立AMESim的仿真模型。仿真主要為了驗(yàn)證負(fù)載敏感系統(tǒng)的特性，即推進(jìn)油缸進(jìn)給推進(jìn)、水泵馬達(dá)沖洗以及鉆筒鉆削同時(shí)進(jìn)行協(xié)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(bǔ)償器；4-電磁換向閥； 5-水泵馬達(dá)；6-推進(jìn)油缸；7-鉆削馬達(dá)。圖3 推進(jìn)鉆削液壓系統(tǒng)仿真模型

3.2 推進(jìn)鉆削液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

推進(jìn)鉆削轉(zhuǎn)置工作的穩(wěn)定性體現(xiàn)在推進(jìn)油缸的速度穩(wěn)定和鉆削馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上。鉆削馬達(dá)作為最主要執(zhí)行元件，在鉆削中受到不穩(wěn)定的負(fù)載壓力，為了保證鉆削效率，需要較大的流量，在仿真中設(shè)置切斷控制的切斷壓力為33 MPa。設(shè)置油缸的質(zhì)量和馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及其他仿真參數(shù)，對(duì)鉆削馬達(dá)仿真和多個(gè)執(zhí)行器聯(lián)合仿真。得到鉆削馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)特性曲線和執(zhí)行器協(xié)同動(dòng)作的壓力和流量的變化曲線，仿真結(jié)果及分析如下所述。

設(shè)定仿真時(shí)間為100 s，其中0～30 s外負(fù)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(shí)系統(tǒng)的壓力、流量和轉(zhuǎn)速仿真曲線。

設(shè)置鉆筒在30 s和60 s時(shí)受到的阻力矩發(fā)生較大的改變，模擬同一次鉆削過(guò)程中，巖石的堅(jiān)硬程度隨著推進(jìn)位移的增加出現(xiàn)不確定性變化。從圖4可以看出，在推進(jìn)油缸的進(jìn)給中，鉆筒阻力矩在巖石成分變動(dòng)時(shí)遇到較大的波動(dòng)，鉆削馬達(dá)的壓力經(jīng)過(guò)波動(dòng)后穩(wěn)定。巖石堅(jiān)硬程度的變化直接反饋在鉆削馬達(dá)的鉆削阻力矩，鉆削馬達(dá)的負(fù)載阻力矩反饋給鉆削泵和對(duì)應(yīng)的壓力補(bǔ)償器，反饋的壓力結(jié)合液壓泵的負(fù)載敏感功能，使鉆削泵的出口壓力始終比鉆筒馬達(dá)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(shí)鉆筒的流量和轉(zhuǎn)速保持平穩(wěn)，僅在阻力矩突變時(shí)產(chǎn)生短暫的波動(dòng)，很快恢復(fù)平穩(wěn)。驗(yàn)證了鉆筒馬達(dá)鉆削的穩(wěn)定性和壓力補(bǔ)償器的可靠性，即鉆削液壓回路具有很強(qiáng)的速度剛度。

圖4 鉆削馬達(dá)壓力曲線

圖5 鉆削馬達(dá)流量曲線

圖6 鉆削馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

設(shè)置全程仿真過(guò)程設(shè)定具體工況為：水泵馬達(dá)外負(fù)載全程不變，推進(jìn)油缸負(fù)載在行程內(nèi)固定，活塞桿行程運(yùn)動(dòng)完成停止工作，對(duì)三個(gè)執(zhí)行元件協(xié)同工作的工況進(jìn)行仿真。系統(tǒng)壓力、流量響應(yīng)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(dá)的壓力反饋給鉆削泵和行走泵，推進(jìn)油缸和水泵馬達(dá)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(dá)，鉆削泵出口壓力始終比鉆削馬達(dá)負(fù)載壓力高15 bar，行走泵的最高反饋壓力為推進(jìn)油缸的負(fù)載壓力，行走泵的出口壓力始終比推進(jìn)油缸的負(fù)載壓力高15 bar，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同工作的負(fù)載敏感。在60～100 s時(shí)，鉆削馬達(dá)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(wěn)定在15 bar，推進(jìn)油缸和水泵馬達(dá)液壓回路的最高反饋壓力產(chǎn)生變化，因此行走泵的出口壓力比較對(duì)象由推進(jìn)油缸壓力改變?yōu)殂@削馬達(dá)的壓力，但兩者的壓差還是穩(wěn)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(fù)載的壓力差受所在回路最大負(fù)載的影響，且壓差由負(fù)載敏感閥的彈簧腔壓力預(yù)定。在圖8中，兩泵出口流量之和始終等于三個(gè)執(zhí)行器的流量之和，總流量整體比較平穩(wěn)，每個(gè)執(zhí)行元件的流量波動(dòng)不大，且能很快地恢復(fù)穩(wěn)定，對(duì)各執(zhí)行器協(xié)同穩(wěn)定工作的影響較小，到達(dá)了各個(gè)執(zhí)行元件之間的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干擾的效果。

圖7 系統(tǒng)壓力響應(yīng)曲線

圖8 系統(tǒng)流量響應(yīng)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先依據(jù)環(huán)縫鉆車的鉆削機(jī)理和動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)本鉆車的推進(jìn)鉆削液壓系統(tǒng)回路原理圖，建立了工作裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)環(huán)縫鉆車鉆孔的工況，合理設(shè)置其工作參數(shù)，對(duì)鉆削馬達(dá)的變負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能的工況進(jìn)行了仿真分析，證明設(shè)計(jì)的環(huán)縫鉆車的液壓系統(tǒng)參數(shù)基本滿足工作工況要求。