舒慧建，李勇濤，李雪龍，祝燕清

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州324000；2.浙江開山重工股份有限公司，浙江 衢州324000；3.浙江開山釬具有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

目前露天礦山大量使用的雙泵驅(qū)動潛孔鉆車存在液壓系統(tǒng)效率低下、液壓油發(fā)熱量大的問題，違背了節(jié)能環(huán)保的要求，阻礙了產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步及市場推廣。本文在雙齒輪泵驅(qū)動潛孔鉆車的基礎(chǔ)上提出一種能夠讓鉆車根據(jù)推進(jìn)和回轉(zhuǎn)負(fù)載的實際情況自動將推進(jìn)回路的多余油液供給回轉(zhuǎn)回路，來提高鉆車的回轉(zhuǎn)切削速度及液壓系統(tǒng)效率的新型系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)方案的提出為潛孔鉆車液壓系統(tǒng)設(shè)計提供新思路和參考，具有積極的工程實踐意義。

1 市場現(xiàn)狀

開式定量系統(tǒng)、非比例控制仍然是目前分體式潛孔鉆車液壓系統(tǒng)的設(shè)計主流， 市場保有量大。由于潛孔鉆車液壓系統(tǒng)設(shè)計需要兼顧鉆車行走、鑿巖、鉆臂定位以及接卸鉆桿快速動作，布設(shè)較多的齒輪泵數(shù)量雖然有利于系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)能，但會給液壓泵取力、鉆車設(shè)計布局、維護(hù)保養(yǎng)以及產(chǎn)品成本等方面都帶來困難及挑戰(zhàn)[1]。 目前比較普遍的做法是采用兩個相同排量的齒輪泵給鉆車液壓系統(tǒng)供油， 以實現(xiàn)鉆車的直線行走，同時液壓油過橋后實現(xiàn)鑿巖及其他功能。但該方案有明顯的不足，由于鉆車在鉆孔作業(yè)中需要的推進(jìn)流量較少，過多的推進(jìn)供油流量通過溢流閥高壓溢流，造成系統(tǒng)能效低下[2]。同時這部分溢流流量會以熱能的形式回到液壓系統(tǒng)，勢必加重系統(tǒng)的散熱負(fù)擔(dān)，帶來液壓系統(tǒng)高溫、油液粘度下降、系統(tǒng)容積效率下降、縮短密封件使用壽命及縮短液壓油的使用壽命等問題。目前市場上雙泵供油的分體式潛孔鉆車系統(tǒng)設(shè)計方案主要有以下幾種：

方案（一）:推進(jìn)、回轉(zhuǎn)回路獨(dú)立供油。

雙液壓泵出來的液壓油先供給行走系統(tǒng)，而后分別過橋給推進(jìn)、回轉(zhuǎn)回路。 該系統(tǒng)方案的優(yōu)點是推進(jìn)、回轉(zhuǎn)相互獨(dú)立，鑿巖時各回路相互干擾小，壓力及流量穩(wěn)定性好。 但由于鑿巖時需要的回轉(zhuǎn)流量大，需要的推進(jìn)流量少，多余的推進(jìn)流量會通過推進(jìn)溢流閥溢流回油箱，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量大，能量利用效率低下，且回轉(zhuǎn)最大切削速度一般也較低。 實際產(chǎn)品很少采用該系統(tǒng)方案。

方案（二）:通過分流閥給推進(jìn)、回轉(zhuǎn)回路供油。

雙液壓泵出來的液壓油經(jīng)過行走閥后，一路專門過橋給回轉(zhuǎn)回路，另一路液壓油通過同分流閥將原本供給推進(jìn)回路的流量一分為二，將單泵分流后的一半流量補(bǔ)充供給回轉(zhuǎn)回路，另一半供給推進(jìn)回路。因此該系統(tǒng)方案中推進(jìn)溢流的流量大幅減少，能效利用率比方案一雖有提升，但推進(jìn)溢流流量仍然較大，仍有改進(jìn)空間。

方案（三）:推進(jìn)回路多余流量通過節(jié)流閥串連單向閥給回轉(zhuǎn)回路供油。

雙液壓泵出來的液壓油先供給行走系統(tǒng)，而后分別過橋給推進(jìn)、回轉(zhuǎn)回路。同時，在正向推進(jìn)與正向回轉(zhuǎn)回路之間設(shè)置單向閥、節(jié)流閥的串連回路。 通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，將推進(jìn)多余流量供給回轉(zhuǎn)回路， 可提高動力頭最大回轉(zhuǎn)切削速度。該方案在提升液壓系統(tǒng)效率的同時解決了原有系統(tǒng)回轉(zhuǎn)速度不可調(diào)節(jié)的問題，系統(tǒng)設(shè)計也更加簡潔。但是該方案分配的流量易受外界壓力變化的干擾，造成供給回轉(zhuǎn)的流量波動大，動力頭轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。同時易造成推進(jìn)壓力不穩(wěn)定或推進(jìn)流量不足，影響成孔質(zhì)量。

2 高效型雙泵供油液壓系統(tǒng)方案

在綜合考慮現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本文提出了一種高效型雙齒輪泵供油的液壓系統(tǒng)設(shè)計方案， 其液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示。本方案采用兩個排量完全相同的齒輪泵給液壓系統(tǒng)供油。系統(tǒng)左泵通過左行走閥給左行走馬達(dá)供油，閥中位時流量自動過橋給推進(jìn)閥，通過推進(jìn)液壓閥給推進(jìn)馬達(dá)供油（油缸推進(jìn)類同）。系統(tǒng)右泵流量通過右行走閥給右行走馬達(dá)供油，閥中位時流量過橋給功能閥，通過功能閥塊的兩位四通電磁閥實現(xiàn)推進(jìn)回路中流量的變化，可實現(xiàn)鉆車接卸桿過程的快速推進(jìn)和提升功能，縮短接卸鉆桿的輔助時間。 當(dāng)該兩位四通電磁閥失電時，右泵流量經(jīng)過功能閥供給回轉(zhuǎn)回路，左泵流量供給推進(jìn)回路。 在正常鑿巖過程中，推進(jìn)馬達(dá)的壓力由推進(jìn)閥的溢流閥設(shè)定，回轉(zhuǎn)馬達(dá)的壓力由實際鑿巖過程中的巖石狀況、推進(jìn)力、回轉(zhuǎn)速度等因素綜合決定，回轉(zhuǎn)閥主溢流閥設(shè)定的壓力通常只設(shè)定回轉(zhuǎn)馬達(dá)的最大回轉(zhuǎn)壓力，正常工作過程中一般不會達(dá)到該壓力的設(shè)定值。本系統(tǒng)在功能閥中設(shè)置先導(dǎo)式減壓閥、可調(diào)式節(jié)流閥、單向閥串聯(lián)的通路，先導(dǎo)減壓閥閥芯彈簧側(cè)壓力信號取自節(jié)流閥出口端，閥芯彈簧對側(cè)壓力信號取自節(jié)流閥進(jìn)口端，通過先導(dǎo)減壓閥的自動平衡作用來進(jìn)行壓力補(bǔ)償， 使節(jié)流閥前后壓力差保持不變，從而實現(xiàn)從推進(jìn)回路流向回轉(zhuǎn)回路的供油流量保持相對穩(wěn)定的目的，其中通過節(jié)流閥的流量可通過流量壓差公式計算得到，具體如公式（1）所示。 該系統(tǒng)方案在回轉(zhuǎn)壓力小于推進(jìn)壓力時，推進(jìn)的多余流量通過功能閥塊向回轉(zhuǎn)油路穩(wěn)定供油，在提高動力頭的最大回轉(zhuǎn)速度的同時實現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度的可調(diào)節(jié)，系統(tǒng)適應(yīng)不同巖石工況的能力更廣且更節(jié)能。 當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力上升，超過推進(jìn)壓力時，在單向閥的作用下，推進(jìn)多余流量停止向回轉(zhuǎn)供油，此時回轉(zhuǎn)速度降低，避免回轉(zhuǎn)壓力的繼續(xù)升高，對鉆機(jī)防止卡鉆有利。 當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力降低后，推進(jìn)流量可自動恢復(fù)供應(yīng)回轉(zhuǎn)。

圖1 高效型液壓系統(tǒng)設(shè)計原理圖

式中 q——通過節(jié)流閥的流量

Cd——流量系數(shù)

A——節(jié)流閥的通流面積

ΔP——節(jié)流閥前后的壓力差

ρ——液壓油密度

3 新舊方案的系統(tǒng)建模及參數(shù)設(shè)置

3.1 新舊方案基本參數(shù)及鑿巖工況的設(shè)置

通過Amesim 軟件對市場常見的系統(tǒng)方案及新方案進(jìn)行系統(tǒng)建模及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，本文后續(xù)所有方案的系統(tǒng)元件參數(shù)及模擬工況條件設(shè)定均完全一致，以保證計算結(jié)果的可比性。 系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)定

鑿巖工況是通過設(shè)定不同的推進(jìn)速度及回轉(zhuǎn)輸入扭矩來模擬巖石工況的變化，本系統(tǒng)案例中速度設(shè)置為5-20 mm/s 的速度隨機(jī)數(shù)，平均速度為12.57 mm/s，推進(jìn)速度標(biāo)準(zhǔn)差4.22（隨機(jī)種子數(shù)值為1）； 回轉(zhuǎn)扭矩設(shè)置為3000-4000 N·m的隨機(jī)數(shù)，回轉(zhuǎn)扭矩均值為3495.0 N·m，回轉(zhuǎn)扭矩標(biāo)準(zhǔn)差為281.6（隨機(jī)種子數(shù)值為2）。 推進(jìn)及回轉(zhuǎn)的輸入信號隨時間的變化如圖2 所示。

圖2 鑿巖工況條件設(shè)定隨時間變化圖

3.2 傳統(tǒng)方案1 的建模

該方案為兩個液壓泵分別給推進(jìn)回路和回轉(zhuǎn)回路獨(dú)立供油， 推進(jìn)回路設(shè)置3 處溢流閥，其中靠近液壓泵的溢流閥為系統(tǒng)最大壓力溢流閥，設(shè)定值為200 bar，起安全保護(hù)作用。 推進(jìn)閥出口分別設(shè)置推進(jìn)溢流閥130 bar 及提升溢流閥195 bar。 回轉(zhuǎn)回路設(shè)置3 處溢流閥，其中靠近液壓泵出口的溢流閥為系統(tǒng)回轉(zhuǎn)最大壓力溢流閥，設(shè)定值為200 bar，起安全保護(hù)作用。 回轉(zhuǎn)閥出口分別設(shè)置正轉(zhuǎn)溢流閥150 bar 及反轉(zhuǎn)溢流閥195 bar（卸桿壓力）。 系統(tǒng)建模方案如圖3 所示。

圖3 傳統(tǒng)方案1 建模

3.3 傳統(tǒng)方案2 的建模

該系統(tǒng)方案在傳統(tǒng)方案1 的基礎(chǔ)上，在推進(jìn)泵出口和回轉(zhuǎn)泵出口架設(shè)液壓管路，管路中串聯(lián)可調(diào)式節(jié)流閥及單向閥，單向閥方向為推進(jìn)到回轉(zhuǎn)。 節(jié)流閥的最大開度直徑為8.6 mm，設(shè)定開度為最大開度的60%。系統(tǒng)各溢流閥的壓力與傳統(tǒng)方案1 的壓力設(shè)定相同。 系統(tǒng)建模方案見圖4。

圖4 傳統(tǒng)方案2 建模

3.4 新方案的建模（方案3）

該系統(tǒng)方案在傳統(tǒng)方案1 的基礎(chǔ)上，在推進(jìn)泵出口和回轉(zhuǎn)泵出口增設(shè)液壓管路，管路中串聯(lián)先導(dǎo)式減壓閥， 該減壓閥彈簧設(shè)定壓力10 bar，減壓閥閥芯彈簧側(cè)從節(jié)流閥出口取壓力信號，減壓閥閥芯彈簧對側(cè)從節(jié)流閥入口取壓力信號，通過減壓閥的自動平衡作用來進(jìn)行壓力補(bǔ)償，使節(jié)流閥前后壓力差保持不變，從而使得從推進(jìn)回路流向回轉(zhuǎn)回路的流量保持相對穩(wěn)定。可調(diào)式節(jié)流閥，節(jié)流閥的最大開度直徑為8.6 mm，開度為最大開度的62%.單向閥方向為推進(jìn)到回轉(zhuǎn)。 流量系數(shù)取0.7;液壓油密度850 kg/m3。 系統(tǒng)建模方案見圖5。

圖5 新方案系統(tǒng)建模

4 計算結(jié)果對比及分析

本文在系統(tǒng)方案建模的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)方案1、傳統(tǒng)方案2 及新方案（方案3）的推進(jìn)壓力、推進(jìn)流量、回轉(zhuǎn)壓力、回轉(zhuǎn)流量做了對比分析，各方案仿真運(yùn)行時間均設(shè)置為10 s，計算單步時間間隔設(shè)置為0.01 s，共計算了1000 組節(jié)點數(shù)據(jù)。 其對比結(jié)果見圖6。

圖6 計算結(jié)果隨時間變化對比圖

將計算結(jié)果中的1000 組節(jié)點數(shù)據(jù)導(dǎo)出，統(tǒng)計分析推進(jìn)壓力、推進(jìn)流量、回轉(zhuǎn)壓力、回轉(zhuǎn)流量的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，得到相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表2。

表2 統(tǒng)計結(jié)果對比

通過分析以上統(tǒng)計結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）新方案（方案3）中推進(jìn)回路壓力可靠且穩(wěn)定。從統(tǒng)計結(jié)果可看出新方案及傳統(tǒng)方案1 推進(jìn)壓力均值都接近推進(jìn)溢流閥的壓力設(shè)定值130 bar， 新方案壓力均值比傳統(tǒng)方案2 改善了24.4%，壓力穩(wěn)定性比傳統(tǒng)方案2 改善了16%，流量穩(wěn)定性比傳統(tǒng)方案2 改善了45.2%。 傳統(tǒng)方案2 在實際工作時可能導(dǎo)致推進(jìn)壓力不足，進(jìn)而減少鉆具的使用壽命，降低鑿巖效率。

（2） 新方案的回轉(zhuǎn)回路壓力可靠且穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高。 與傳統(tǒng)方案1 相比，新方案回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均值提升89.9%。 與傳統(tǒng)方案2 相比，新方案在回轉(zhuǎn)壓力均值、回轉(zhuǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)差、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均值及標(biāo)準(zhǔn)差方面均無明顯差異。

（3）新方案系統(tǒng)綜合能效利用率比傳統(tǒng)方案1 提升85.7%，節(jié)能效果明顯。

沖擊鑿巖的原理是沖擊器活塞高頻沖擊潛孔鉆頭，并通過動力頭回轉(zhuǎn)帶動潛孔鉆頭切削巖石來達(dá)到鉆鑿爆破孔的目的。因此在沖擊鑿巖過程中，沖擊器的高頻沖擊會通過巖層對回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)形成一個交變的扭矩變化。 目前，潛孔鉆車防卡鉆功能是鑿巖鉆孔時的一個重要功能，可有效預(yù)防卡鉆事故的發(fā)生。其主流技術(shù)方案是通過監(jiān)測回轉(zhuǎn)壓力信號反映卡鉆趨勢，當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力超過設(shè)定閾值時，動力頭提升，以避免回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高將鉆頭卡死。當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)到閾值以內(nèi)時，動力頭恢復(fù)推進(jìn)鑿巖。 如果所設(shè)計的液壓系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性不好，勢必影響防卡鉆功能的效果。 市面常用的氣動沖擊器的沖擊頻率通常在20-30 Hz 之間，本文新方案在回轉(zhuǎn)輸入端加載一個40 Hz 正弦波動、 均值為2500 N·m， 幅值為500 N·m 的扭矩信號，并計算得到了時域的回轉(zhuǎn)壓力的系統(tǒng)響應(yīng)與輸入的對比函數(shù)，進(jìn)而通過快速傅里葉變換得到頻域的頻率響應(yīng)對比函數(shù)，其計算結(jié)果見圖7。 通過觀察時域?qū)Ρ葓D，系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)壓力輸出在高頻扭矩輸入約0.05 秒后輸入輸出同頻變化。 通過觀察頻域的對比圖，回轉(zhuǎn)壓力輸出波峰與回轉(zhuǎn)扭矩輸入波峰值均出現(xiàn)在頻率為40 Hz 時，且回轉(zhuǎn)壓力輸出沒有明顯的第二波峰。 所以，新方案在40 Hz 以內(nèi)的高頻沖擊鑿巖過程中回轉(zhuǎn)壓力值能夠有效地反映輸入扭矩的變化，即該系統(tǒng)回轉(zhuǎn)壓力隨輸入扭矩變化的動態(tài)響應(yīng)特性較好，能滿足潛孔鉆車防卡鉆功能的設(shè)計需要。

圖7 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)輸入輸出對比圖

5 結(jié)語

本文所述的新型液壓系統(tǒng)方案能夠滿足雙齒輪泵驅(qū)動的潛孔鉆車的基本功能及防卡鉆功能的設(shè)計需要，系統(tǒng)高效節(jié)能，其綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計方案。該方案的提出可為潛孔鉆車液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供新的思路和參考。