董昊翔 李家寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

高原用鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與鉆臂輕量化研究

董昊翔 李家寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的鑿巖臺(tái)車(chē)產(chǎn)品對(duì)高原環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了高原用鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路液壓系統(tǒng)，使用AMESim軟件對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行了仿真分析，利用ANSYS軟件對(duì)鉆臂模型進(jìn)行了靜力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明，鉆臂的剛度及強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，優(yōu)化后的鉆臂重量降低了13%，實(shí)現(xiàn)了鉆臂輕量化的目標(biāo)。

高原環(huán)境 鑿巖臺(tái)車(chē) 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng) 仿真分析 鉆臂輕量化

目前市場(chǎng)上存在的部分鑿巖臺(tái)車(chē)產(chǎn)品采用變量泵+雙定量泵系統(tǒng)，利用定量泵來(lái)實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)和推進(jìn)動(dòng)作，但產(chǎn)品在高原環(huán)境下工作，由于鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)載變化不規(guī)律，長(zhǎng)時(shí)間利用定量泵控制將不可避免地產(chǎn)生較大的功率損失，而定量泵液壓系統(tǒng)的鑿巖臺(tái)車(chē)實(shí)際工作過(guò)程中存在著系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性差、性能不穩(wěn)定、功率損耗大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了鉆機(jī)的整體性能。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鑿巖臺(tái)車(chē)大部分用于礦井巷道、公路等隧道的開(kāi)挖，臺(tái)車(chē)體積較大，鉆臂重量過(guò)大，不便拆卸，在高原環(huán)境地區(qū)運(yùn)輸困難，不能很好地適應(yīng)高原環(huán)境。因此，本文設(shè)計(jì)了一套鑿巖回轉(zhuǎn)回路液壓系統(tǒng)，使鑿巖臺(tái)車(chē)更好地適應(yīng)負(fù)載變化，減小功率損失，改善系統(tǒng)性能，同時(shí)使鉆臂輕量化，更好的適應(yīng)高原高海拔環(huán)境。

1 鑿巖回轉(zhuǎn)回路液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的液壓系統(tǒng)中利用負(fù)載敏感變量泵對(duì)鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)部分進(jìn)行供油，同時(shí)利用負(fù)載敏感多路換向閥作為調(diào)節(jié)元件，設(shè)置各個(gè)回路的不同壓力和流量，并取系統(tǒng)最高工作壓力作為反饋壓力反饋至負(fù)載敏感變量泵。鑿巖回路液壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1-電機(jī)；2-負(fù)載敏感變量泵；3-負(fù)載敏感多路換向閥；4-鑿巖機(jī)；5-推進(jìn)油缸；6-回轉(zhuǎn)馬達(dá)

圖1中，P和T 分別為負(fù)載敏感多路換向閥進(jìn)回油口，LS 為負(fù)載傳感反饋油口，Y和Y′為先導(dǎo)控制油泄油口。由于鑿巖機(jī) T 口不可通有壓力油，故鑿巖機(jī)回油直接接回油箱。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量和壓力對(duì)負(fù)載敏感多路閥進(jìn)行各個(gè)回路壓力和流量設(shè)定。

2 仿真模型

利用負(fù)載敏感變量泵及定量馬達(dá)組成鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)回路容積調(diào)速回路，能夠擴(kuò)大鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)器輸出的轉(zhuǎn)速范圍，從而適應(yīng)不同的工況。

為了驗(yàn)證負(fù)載敏感系統(tǒng)用于鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)回路的性能，需建立仿真模型。在建立仿真模型的過(guò)程中，需要對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在不影響系統(tǒng)控制特性的基礎(chǔ)上，忽略一些次要因素及無(wú)關(guān)因素對(duì)系統(tǒng)的作用。在本文的系統(tǒng)中可以忽略管路泄漏、沿程壓力損失、局部壓力損失以及靜摩擦等因素影響，回油管路的壓力設(shè)定為0 MPa。簡(jiǎn)化后的鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路的AMESim液壓系統(tǒng)模型圖如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路的AMESim液壓系統(tǒng)模型圖

對(duì)簡(jiǎn)化后的鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路的AMESim液壓系統(tǒng)模型各個(gè)元件進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 回轉(zhuǎn)回路仿真模型元件參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果

對(duì)簡(jiǎn)化后的鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路的AMESim液壓系統(tǒng)模型按照?qǐng)D3所示的參數(shù)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩的設(shè)置，仿真結(jié)果定為50 s，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。得到的馬達(dá)壓力流量特性曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 馬達(dá)負(fù)載變化曲線(xiàn)

圖4 馬達(dá)壓力流量特性曲線(xiàn)

由圖4可知，當(dāng)負(fù)載敏感換向閥開(kāi)口保持不變時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)成正相關(guān)關(guān)系，并且泵的出口壓力始終高出負(fù)載壓力一個(gè)定值30 bar，該值即為負(fù)載敏感閥的彈簧設(shè)定壓力值。從而驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)回路系統(tǒng)的壓力自適應(yīng)性的正確性。

為了驗(yàn)證鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的流量自適應(yīng)性能，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化仍按照?qǐng)D3進(jìn)行設(shè)置。針對(duì)負(fù)載敏感多路換向閥的閥口開(kāi)度進(jìn)行設(shè)置，采用比例系數(shù)K對(duì)閥口開(kāi)度進(jìn)行控制，分別取K=0.85、0.90、1.00進(jìn)行仿真，開(kāi)度變化如圖5所示，仿真時(shí)間為40 s時(shí)，得到的馬達(dá)流量曲線(xiàn)如圖6所示。

圖5 負(fù)載敏感多路換向閥閥口開(kāi)度

圖6 不同閥口開(kāi)度下馬達(dá)流量曲線(xiàn)

由圖5以及圖6可知，馬達(dá)流量隨著負(fù)載敏感多路閥開(kāi)度的變化而變化，且呈正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明了在泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬達(dá)的流量與控制閥口開(kāi)度有關(guān)，與負(fù)載大小并無(wú)關(guān)系，從而驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)回路系統(tǒng)的調(diào)速性能。

由此可見(jiàn)，將負(fù)載敏感控制技術(shù)應(yīng)用到鑿巖臺(tái)車(chē)的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中，能夠減少液壓系統(tǒng)的功率損失，達(dá)到節(jié)能的目的，能夠適應(yīng)高原環(huán)境；同時(shí)恒定輸出的流量使馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，降低了負(fù)載劇變對(duì)馬達(dá)和鉆頭的沖擊，提高了鑿巖臺(tái)車(chē)的可靠性，完全滿(mǎn)足鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路的性能要求。

4 鉆臂輕量化

4.1 網(wǎng)格劃分及單元選擇

ANSYS Workbench中網(wǎng)格的形式有多種，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)除了采用默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方法外，還在Mesh Control中添加了四面體劃分方法和網(wǎng)格細(xì)化，在 Mesh網(wǎng)格參數(shù)欄的Patch Conforming Method內(nèi)定義四面體劃分方法， Refinement中細(xì)化度設(shè)為2。完成設(shè)定后，右擊Mesh選擇Generate Mesh，生成的網(wǎng)格分布如圖7所示，鉆臂模型共生成192079個(gè)節(jié)點(diǎn)和 95582個(gè)單元。

圖7 鉆臂網(wǎng)格劃分

4.2 約束及載荷的添加定義

根據(jù)鉆臂的具體連接情況，對(duì)鉆臂的前后兩端處設(shè)置約束為圓柱面約束，使這兩處形成鉸接副，然后在俯仰油缸耳環(huán)處添加載荷力，即俯仰油缸提供的支撐力，大小為9542 N，力的方向在yz平面內(nèi)，與z軸夾角為10°；然后在鉆臂油缸耳環(huán)處添加力載荷，即支臂油缸提供的支撐力，大小為25103 N，力的方向在yz平面內(nèi)，加載的力與z軸夾角為35°，該位置鉆臂處于極限工作位置，此時(shí)工作情況最為惡劣，最后加上鉆臂的自身重力，施加載荷和約束后的鉆臂模型如圖8所示。

4.3 有限元分析結(jié)果

鉆臂形變分布云圖如圖9所示。

由圖9可知，鉆臂形變產(chǎn)生的最大處為鉆臂油缸耳環(huán)鉸接處，這與鑿巖臺(tái)車(chē)在實(shí)際使用中產(chǎn)生的變形情況相符合，鉆臂的最大變形量為0.81549 mm，極小于鉆臂整體尺寸，故其剛度滿(mǎn)足使用要求。

圖8 鉆臂約束及載荷設(shè)置

圖9 鉆臂形變分布云圖

鉆臂等效應(yīng)力分布云圖如圖10所示。

圖10 鉆臂等效應(yīng)力分布云圖

由圖10可知，最大應(yīng)力值為85.307 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度，故鉆臂的強(qiáng)度也滿(mǎn)足使用要求。

鉆臂安全系數(shù)分布云圖如圖11所示。

圖11 鉆臂安全系數(shù)分布云圖

由圖11可知，在大臂最危險(xiǎn)處，其安全系數(shù)達(dá)到了4.0442，也達(dá)到了使用要求。

4.4 鉆臂的拓?fù)鋬?yōu)化分析

為實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)，需要利用ANSYS Workbench對(duì)鉆臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，優(yōu)化后的結(jié)果如圖12所示。

圖12 鉆臂拓?fù)浞治鼋Y(jié)果

由圖12可知，灰色部分為需要保留的材料，深色部分為需要去除材料的區(qū)域，去除該部分材料不會(huì)減小鉆臂整體的強(qiáng)度及剛度，根據(jù)圖中需要去除材料的部位，返回Pro/ENGINEER對(duì)鉆臂模型進(jìn)行相應(yīng)的修改。

4.5 鉆臂優(yōu)化模型靜力學(xué)分析驗(yàn)證

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析所得的結(jié)果，確定鉆臂所需要修改的部分為：一是去除鉆臂前端鉸接處筋板；二是去除俯仰油缸耳環(huán)鉸接處下方及兩側(cè)部分材料；三是去除鉆臂后端鉸接處耳環(huán)內(nèi)側(cè)部分材料。去除材料后優(yōu)化的鉆臂三維模型如圖13所示，優(yōu)化前后鉆臂對(duì)比見(jiàn)表2。

圖13 優(yōu)化后鉆臂三維模型

表2 鉆臂優(yōu)化前后對(duì)比

對(duì)比鉆臂在優(yōu)化前的靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，鉆臂在經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析后，在保持變形量、安全系數(shù)基本不變的情況下，等效應(yīng)力減小了近9 MPa，自身重量減少了20 kg，減重比為13%。這表明鉆臂的優(yōu)化結(jié)果是可取的、正確的，實(shí)現(xiàn)了鉆臂輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用負(fù)載敏感變量泵對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)的鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行供油，利用AMESim仿真軟件驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)回路的調(diào)速性能，驗(yàn)證了將負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用于回轉(zhuǎn)回路的正確性及優(yōu)越性，避免了定量泵對(duì)回轉(zhuǎn)回路供油產(chǎn)生的功率損失情況，對(duì)高原環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，利用ANSYS軟件對(duì)鉆臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的鉆臂不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)，同時(shí)保持了較好的剛度及強(qiáng)度。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of rotational circuit's hydraulic system and lightweight research of drill boom of drill jumbo used in plateau

Dong Haoxiang, Li Jianing

(School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

Aiming at weak plateau environmental adaptability of the drill jumbo product in the domestic market, the hydraulic system of drill jumbo's rotational circuit used in plateau was designed, AMESim software was used for simulating and analyzing the rotational circuit of drill jumbo's jackdrill, and statics analysis of drill boom model was proceeded by using ANSYS software. The simulation results showed that the rigidity and strength of drill boom was qualified, and weight of the optimized drill boom decreased 13% and realized lightweight design goal.

plateau environment, drill jumbo, rotational hydraulic system, simulated analysis, lightweight design of drill boom

董昊翔，李家寧. 高原用鑿巖臺(tái)車(chē)回轉(zhuǎn)回路液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與鉆臂輕量化研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(2)：81-85. Dong Haoxiang, Li Jianing.Design of rotational circuit's hydraulic system and lightweight research of drill boom of drill jumbo used in plateau[J].China Coal, 2017，43(2)：81-85.

TD421.24

A

董昊翔(1992-)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制。