李歆怡，林正英

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002)

潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)研究

李歆怡，林正英

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002)

摘要：在總結(jié)潛孔鉆機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了潛孔鉆機(jī)重要的工作部件之一變幅機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步分析了其結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)力源液壓系統(tǒng)。對(duì)其變幅機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的壓力沖擊現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，利用液壓仿真軟件AMESim建立了仿真模型，經(jīng)分析研究找到了引起壓力沖擊的原因，并根據(jù)仿真研究的結(jié)果提出了主閥閥芯過流面積的改進(jìn)方案，為鉆機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化改善提供理論參考，對(duì)現(xiàn)實(shí)施工也有一定實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：潛孔鉆機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)；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(jī)是現(xiàn)代工程機(jī)械中廣為人知的一種高效鉆孔機(jī)械。由鑿巖機(jī)和破碎錘等鑿巖機(jī)器逐漸演化而來，是由沖擊器潛入孔內(nèi)，直接沖擊鉆頭，而回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在孔外帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，通過變幅機(jī)構(gòu)變幅定位并向礦巖鉆進(jìn)的設(shè)備。主要用于露天礦山開采，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于建筑基礎(chǔ)開挖、水電、交通、冶金、建材、港灣及國(guó)防建設(shè)等施工作業(yè)中[1]。它是目前鉆爆法作業(yè)中廣泛使用的鑿巖機(jī)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(yōu)點(diǎn)，也是當(dāng)前通用的大型鑿巖鉆孔設(shè)備。潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)是從鑿巖機(jī)器人鉆臂中發(fā)展而來的，鑿巖機(jī)器人鉆臂的研究與鑿巖機(jī)器人的發(fā)展緊密相關(guān)[2]。其變幅機(jī)構(gòu)由支柱、動(dòng)臂、翻轉(zhuǎn)頭、滑架、鉆架、動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)液壓缸、動(dòng)臂舉升液壓缸、鉆架偏轉(zhuǎn)液壓缸、鉆架舉升液壓缸、推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸、銷軸等組成。隨著鑿巖機(jī)器人的發(fā)展，為適應(yīng)不同的工作要求，變幅機(jī)構(gòu)的功能特點(diǎn)逐漸多樣化，可實(shí)現(xiàn)擺臂、轉(zhuǎn)臂、伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰、擺角、補(bǔ)償、平動(dòng)等多種動(dòng)作。變幅機(jī)構(gòu)的配置數(shù)量有單臂、雙臂、三臂甚至四臂。變幅機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有直角坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式、復(fù)合坐標(biāo)式和直接定位式。目前其變幅機(jī)構(gòu)的變幅全部由液壓驅(qū)動(dòng)，因此，變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)是潛孔鉆機(jī)的核心部件中的重要組成部分，很大程度上決定著鉆機(jī)的工作平穩(wěn)性和工作效率，對(duì)其進(jìn)行研究和優(yōu)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

變幅機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)舉升及偏轉(zhuǎn)還有推進(jìn)等功能，因此其組成機(jī)構(gòu)也較復(fù)雜。在研究分析運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)變幅機(jī)構(gòu)動(dòng)力源即液壓系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究，有利于鉆機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化與升級(jí)，同時(shí)對(duì)實(shí)際施工有著一定的指導(dǎo)意義。

1潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)及其典型變幅運(yùn)動(dòng)

以最經(jīng)典的直角坐標(biāo)式變幅機(jī)構(gòu)型的潛孔鉆機(jī)為例進(jìn)行分析和研究?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆臂由鉆臂焊接件、搖桿、連桿、翻轉(zhuǎn)頭、立柱、鉸座1、鉸座2、鉆臂舉升液壓缸、鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸、鉆架舉升液壓缸和鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸等零部件組成。鉆架相對(duì)于滑架的運(yùn)動(dòng)由推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸完成，所以滑架與推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸同屬于變幅機(jī)構(gòu)基本組成部分。鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸缸筒與機(jī)架之間、鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿與鉆臂焊接件之間采用十字鉸聯(lián)接，滑架與鉆架通過導(dǎo)軌聯(lián)接，其余各部件之間通過銷軸聯(lián)接[4]。

變幅機(jī)構(gòu)變幅過程中一般不存在聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，即單個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)到位后另一液壓缸再緊接著完成下一步就位動(dòng)作。該過程中5個(gè)典型的變幅動(dòng)作如圖2所示。

1—機(jī)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(zhuǎn)液壓缸；7—滑架；8—推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸；9—鉆架；10—翻轉(zhuǎn)頭；11—鉸座2；12—鉆臂舉升液壓缸；13—鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸；14—鉸座1；15—立柱圖1　臂架式液壓潛孔鉆機(jī)鉆臂結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　變幅機(jī)構(gòu)典型動(dòng)作示意圖

1) 推進(jìn)補(bǔ)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(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸伸長(zhǎng)至鉆架與地面垂直，推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，實(shí)現(xiàn)鉆架的上下運(yùn)動(dòng)。

2) 鉆架翻轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全伸出，推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸全伸出，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，實(shí)現(xiàn)鉆架的左右運(yùn)動(dòng)。

3) 鉆臂舉升。如圖2(c)所示，鉆臂焊接件處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架舉升液壓缸全縮回，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸全伸出，推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸全伸出，鉆臂舉升液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，實(shí)現(xiàn)鉆臂的上下運(yùn)動(dòng)。

4) 鉆臂偏轉(zhuǎn)。如圖2(d)所示，鉆架處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，鉆頭與地面距離約0.05m，推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸全伸出，鉆臂偏轉(zhuǎn)液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，實(shí)現(xiàn)鉆臂的左右運(yùn)動(dòng)。

5) 鉆架舉升。如圖2(e)所示，鉆臂焊接件水平并處于偏轉(zhuǎn)中心位置，鉆架翻轉(zhuǎn)液壓缸全伸出，推進(jìn)補(bǔ)償液壓缸全伸出，鉆架舉升液壓缸縮短或伸長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)鉆架的上下運(yùn)動(dòng)。

2變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)所需壓力油，變量泵2提供鉆架舉升和鉆架翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)液壓原理圖如圖3所示。鉆臂舉升回路和鉆臂偏轉(zhuǎn)回路是相似的，以鉆臂舉升為例，系統(tǒng)工作時(shí)，打開調(diào)整開關(guān)，插裝閥3工作在左位，先導(dǎo)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(jīng)平衡閥7進(jìn)入臂舉液壓缸8大腔或小腔，推動(dòng)液壓缸活塞桿伸出或縮回，以驅(qū)動(dòng)鉆臂上升或下降。系統(tǒng)不工作時(shí)，平衡閥7關(guān)閉，液壓缸鎖死。

1-變量泵1；2-可調(diào)節(jié)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(zhuǎn)液壓原理圖

3變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真分析

傳統(tǒng)的變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真研究方法包括解析法、狀態(tài)空間法和功率鍵合圖法等。法國(guó)IMAGINE公司推出AMESim軟件，用于液壓和機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真分析，與傳統(tǒng)方法相比，擁有界面友好、操作方便、可驗(yàn)證性和可視化較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用液壓仿真軟件AMESim對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真建模,依據(jù)實(shí)際參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)各部件進(jìn)行模型搭建，然后進(jìn)行組裝。組裝總圖如圖4所示。

圖4　變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型圖

4變幅過程中壓力沖擊現(xiàn)象及其研究分析

用上述液壓仿真模型對(duì)鉆機(jī)變幅工作過程進(jìn)行仿真模擬，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)變幅液壓缸在變幅啟動(dòng)和停止的瞬間均存在壓力沖擊現(xiàn)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(fā)現(xiàn)變幅機(jī)構(gòu)中鉆臂舉升和鉆臂偏轉(zhuǎn)過程中當(dāng)鉆機(jī)變幅液壓缸開始伸出、暫停運(yùn)動(dòng)、伸出轉(zhuǎn)為收縮運(yùn)動(dòng)等過程時(shí)，液壓缸中均存在顯著的壓力沖擊現(xiàn)象。沖擊值甚至超過了平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)壓力值的100%。這種沖擊對(duì)液壓系統(tǒng)存在很大危害，如果單獨(dú)為此而將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值提高，會(huì)大大提高生產(chǎn)成本。如果能夠有效的將此種現(xiàn)象或者壓力沖擊值大大減小，對(duì)鉆機(jī)運(yùn)行及實(shí)際生產(chǎn)都會(huì)帶來較大的收益，此項(xiàng)研究意義重大。

圖6　鉆臂偏轉(zhuǎn)壓力曲線圖

通過對(duì)系統(tǒng)的分析以及壓力引起的原因進(jìn)一步剖析，不難發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)起始時(shí)及運(yùn)動(dòng)停止時(shí)均會(huì)產(chǎn)生慣性，而慣性又分為機(jī)構(gòu)本身的慣性及液壓油流動(dòng)慣性兩種。以鉆臂舉升液壓缸伸出為例，當(dāng)液壓缸突然伸出時(shí)，由于慣性，此時(shí)需要較大的加速度才能推動(dòng)活塞桿伸出，而此時(shí)液壓缸內(nèi)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(yùn)動(dòng)又未運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此引起蹩壓現(xiàn)象，缸內(nèi)壓力陡然上升，出現(xiàn)壓力沖擊；而停止時(shí)，同樣由于機(jī)構(gòu)已經(jīng)停止，而壓力油仍然在慣性作用下繼續(xù)向缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，致使壓力再次迅速上升，再次出現(xiàn)壓力沖擊。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn)，如果液壓油在閥打開瞬間供油充足，而停止時(shí)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(xiàn)象。由此，進(jìn)一步對(duì)主閥的閥芯過流面積研究發(fā)現(xiàn)，主閥閥芯過渡處開口為L(zhǎng)型節(jié)流槽，如圖7所示。需對(duì)該處結(jié)構(gòu)形狀依據(jù)與運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線進(jìn)行優(yōu)化。

圖7主閥閥芯三維外形圖

經(jīng)優(yōu)化閥芯過流面積，再對(duì)上述過程進(jìn)行仿真分析研究，得到鉆臂舉升與鉆臂偏轉(zhuǎn)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(xiàn)象得到明顯減弱，證明了該優(yōu)化方案的有效性。

圖8　優(yōu)化后動(dòng)臂舉升液壓缸壓力曲線圖

圖9　優(yōu)化后動(dòng)臂偏轉(zhuǎn)液壓缸壓力曲線圖

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)潛孔鉆機(jī)重要工作機(jī)構(gòu)的變幅機(jī)構(gòu)的基本組成以及動(dòng)力源液壓系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，并利用液壓仿真軟件對(duì)變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。通過仿真研究，發(fā)現(xiàn)了變幅過程中存在壓力沖擊現(xiàn)象，通過研究發(fā)現(xiàn)了問題的部分原因，并相應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化；通過再次仿真研究，發(fā)現(xiàn)問題點(diǎn)得到了有效的改善，證明了優(yōu)化的有效性。文中借助計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析，事半功倍，對(duì)潛孔鉆機(jī)的設(shè)計(jì)研究和實(shí)際生產(chǎn)均有較大意義。

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收稿日期：2014-01-28

中圖分類號(hào)：TP271+.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0023-04

作者簡(jiǎn)介：李歆怡(1983-)，女，福建福州人，助講，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造自動(dòng)化。