婁磊，秦偉業(yè)，陳孟舉，吳萬榮,芮紅艷,劉智

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2.貴州中煙工業(yè)有限公司畢節(jié)卷煙廠，貴州畢節(jié) 551700；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 前言

潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)(包括動臂和鉆架機(jī)構(gòu))運動屬于大慣性負(fù)載運動，具有高壓、大流量等特點。其變幅工作過程如下：動臂主控閥在先導(dǎo)油壓的作用下開啟，主泵泵出的液壓油進(jìn)入動臂液壓缸，由于潛孔鉆機(jī)動臂及鉆架質(zhì)量大，動臂液壓缸在大慣性的作用下不能立即轉(zhuǎn)動，動臂液壓缸進(jìn)油腔油壓持續(xù)升高，產(chǎn)生液壓沖擊。當(dāng)液壓力克服動臂及鉆架的各種阻力時，動臂轉(zhuǎn)動，動臂液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)的油壓急劇減小。潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)在啟動或換向瞬間壓力波動較大，鉆機(jī)臂架振動嚴(yán)重，容易造成泵、閥等液壓元器件的損壞。因此，研究潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動換向瞬間的液壓沖擊，并采取相應(yīng)控制措施，具有重要意義。

針對工程機(jī)械中變幅機(jī)構(gòu)的振動問題，梁演釗設(shè)計了蓄能器的減震方案，并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明該方案減震效果較明顯。曹博等人針對樁架在工作中承受復(fù)雜多變的力，容易引起樁架工作振動及不穩(wěn)定的問題，對不同變幅機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。針對汽車起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)工作特性，顧燕采用負(fù)載口獨立控制的方法減振和節(jié)能。吳萬榮、王成賓等分析了大質(zhì)量負(fù)載下，由于慣性導(dǎo)致的系統(tǒng)沖擊，通過增加變阻尼裝置，并聯(lián)回轉(zhuǎn)緩沖閥或設(shè)定溢流閥的開啟規(guī)律來減緩液壓系統(tǒng)的啟動沖擊。張振等人對電動靜液作動器的沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了抑制電動靜液作動器沖擊的方法。范久臣、汪小芳等基于AMESim軟件分別對裝載機(jī)液壓系統(tǒng)換擋沖擊和負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的換向沖擊特性進(jìn)行了仿真分析，并提出了優(yōu)化改進(jìn)方案。在旋轉(zhuǎn)類控制閥的研究方面，王鶴、左希慶等為了分析旋轉(zhuǎn)激閥的激振波形及2D電液伺服閥的動態(tài)特性，分別研究了不同旋轉(zhuǎn)節(jié)流槽口的節(jié)流形狀、節(jié)流面積及電磁鐵性能對波形及流量特性的影響。液壓系統(tǒng)的沖擊主要與控制閥口的開啟特性有關(guān)，LOU、冀宏等人對換向閥芯上不同形狀節(jié)流槽的節(jié)流特性進(jìn)行了研究，并加工了不同類型換向閥芯，將它們應(yīng)用在螺旋鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，有效降低了螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的換向沖擊。

上述研究人員針對旋轉(zhuǎn)閥及某些工程裝備中的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究?；诖耍疚淖髡卟捎眯D(zhuǎn)比例閥抑制潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動換向瞬間的液壓沖擊。主要原理是利用伺服電機(jī)對旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯的轉(zhuǎn)角進(jìn)行合理控制，以降低或消除變幅系統(tǒng)的壓力沖擊。

1 潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)工作原理及沖擊特性

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理如圖1所示，主要由泵組、溢流閥組、主控閥組、先導(dǎo)電磁閥及動臂油缸組成。

圖1 潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理

泵組由主泵和先導(dǎo)泵組成，工作時主泵向主控比例閥供油，先導(dǎo)泵向先導(dǎo)電磁閥組供油，先導(dǎo)比例電磁閥控制主控閥組換向，主控閥組控制動臂油缸組運動，平衡閥組主要給動臂油缸組提供背壓，起到一定的緩沖作用。另外,當(dāng)動臂帶動鉆架在某一姿態(tài)固定時，平衡閥可以確保動臂在此姿態(tài)位置不變。圖2所示為潛孔鉆機(jī)實物，主要由鉆桿架、鉆機(jī)動臂、舉升液壓缸、鉆機(jī)平臺等組成。鉆機(jī)動臂和鉆桿架在作業(yè)時需不斷調(diào)整姿態(tài)，則把動臂和鉆桿架合稱為變幅機(jī)構(gòu)。

圖2 潛孔鉆機(jī)實物

潛孔鉆機(jī)作業(yè)時需不斷調(diào)整變幅機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，因鉆架質(zhì)量較大，在主控比例閥換向的瞬間往往造成動臂部位油缸兩腔油壓劇烈振蕩。由圖1可知，當(dāng)主控比例閥換向時，高壓油通過主控比例閥口經(jīng)平衡閥中的單向閥流入動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)的左腔。由于鉆桿架和動臂的質(zhì)量大、慣性大，動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)在油壓的作用下不能立即動作，如果主控比例閥換向時突然流入動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔的流量較大，則動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔的壓力會急劇增大并發(fā)生振蕩。如減小主控比例閥換向瞬間流入動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)左腔(或右腔)的油液流量，可減弱動臂舉升油缸(動臂偏轉(zhuǎn)油缸)左右腔油液的壓力振蕩。為此，對普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥的流量特性進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用于潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗。

2 沖擊控制模型建立

2.1 比例閥口流量特性

潛孔鉆機(jī)液壓系統(tǒng)一般采用普通滑閥式比例閥進(jìn)行控制，本文作者對普通滑閥式比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥進(jìn)行對比研究。

普通滑閥式比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥的流量計算公式：

(1)

式中：為比例閥閥口流量系數(shù)；為比例閥閥口的節(jié)流面積；為液壓油的密度；Δ為比例閥閥口的壓差。由于潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)啟動或換向瞬間的沖擊主要是由于通過節(jié)流閥口的流量不穩(wěn)定引起的，故可通過調(diào)節(jié)液控比例閥口的壓差和比例閥口的面積來控制啟動或換向瞬間的壓力沖擊。

2.2 比例閥口節(jié)流控制分析

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)沖擊現(xiàn)象僅發(fā)生在系統(tǒng)的換向階段，閥芯剛剛打開時，系統(tǒng)的沖擊現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，故需詳細(xì)分析不同結(jié)構(gòu)比例閥芯開啟瞬間對變幅系統(tǒng)沖擊的影響。圖3、圖4所示分別為單節(jié)及雙節(jié)U形滑閥的結(jié)構(gòu)，圖5所示為滑閥在閥體內(nèi)的裝配圖?；y靠電動力或液動力在閥體內(nèi)作直線運動來改變其開口量，調(diào)節(jié)閥口的節(jié)流面積，從而控制油液流量。結(jié)合圖1可知，先導(dǎo)電磁閥組右側(cè)電磁線圈通電后，先導(dǎo)泵的高壓油從B1口流出，推動主控閥組左側(cè)主控閥的閥芯向上運動，主泵的高壓油從主控閥組的b1口流出，動臂舉升油缸動作。

圖3 單節(jié)U形滑閥

圖4 雙節(jié)U形滑閥

圖5 滑閥在閥體內(nèi)裝配

主控閥組內(nèi)的滑閥兩端為油腔，油腔內(nèi)有對中彈簧。當(dāng)油腔內(nèi)無油壓時，主控滑閥芯在對中彈簧的作用下處于中位。當(dāng)油腔一端通先導(dǎo)油時，主閥便向另一端移動，當(dāng)先導(dǎo)油壓、主閥彈簧、液動力相平衡時，滑閥處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)，通過閥口的流量穩(wěn)定。但當(dāng)滑閥開啟或換向的瞬間，主控閥內(nèi)的滑閥失去平衡，閥口流量急劇變化，造成壓力沖擊。通過改變滑閥上節(jié)流口的形狀和不同節(jié)流口的組合可以減弱滑閥開啟或換向時的沖擊，但不能完全消除液壓沖擊。本文作者同時采用普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥對潛孔鉆機(jī)的變幅系統(tǒng)進(jìn)行控制，對比普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥的控制特性。

圖6所示為旋轉(zhuǎn)比例閥結(jié)構(gòu)，主要由伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)比例閥芯、旋轉(zhuǎn)比例閥套及角度傳感器構(gòu)成。其工作原理：伺服電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)比例閥芯轉(zhuǎn)動，角度傳感器檢測閥芯的旋轉(zhuǎn)角度，并反饋給控制器;當(dāng)閥芯上三角槽孔和閥套上的孔槽即將接觸時，控制器降低伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速或以停頓—轉(zhuǎn)動的間隔方式進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動，直到旋轉(zhuǎn)比例閥芯和閥套上的油路全部溝通。通過旋轉(zhuǎn)比例閥控制速度，并通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)比例閥芯節(jié)流口形狀，可控制或消除液壓沖擊。

圖6 旋轉(zhuǎn)比例閥結(jié)構(gòu)

圖7所示為旋轉(zhuǎn)比例閥芯的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)比例閥芯節(jié)流口形狀采用三角槽形狀。圖8為旋轉(zhuǎn)比例閥芯、閥套組合裝配圖及閥口節(jié)流面積示意。旋轉(zhuǎn)比例閥芯通過伺服電機(jī)帶動，當(dāng)閥芯的三角槽即將靠近閥套上的空槽邊緣時，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使旋轉(zhuǎn)比例閥芯上的三角槽以適當(dāng)?shù)乃俣葴贤ㄩy套上的空槽，降低液壓沖擊。

圖7 旋轉(zhuǎn)比例閥芯

圖8 旋轉(zhuǎn)比例閥芯閥套組合及閥口節(jié)流面積

如圖8所示，旋轉(zhuǎn)比例閥芯旋轉(zhuǎn)角速度為，旋轉(zhuǎn)方向為方向，旋轉(zhuǎn)比例閥在時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度為，則旋轉(zhuǎn)比例閥三角節(jié)流槽節(jié)流面積公式為

(2)

=

(3)

(4)

其中：為旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯上三角槽的中心角；為旋轉(zhuǎn)比例閥閥芯的半徑。

3 變幅機(jī)構(gòu)沖擊控制試驗研究

潛孔鉆機(jī)變幅系統(tǒng)液壓原理如圖1和圖9所示，圖1所示為普通比例閥控制原理，圖9所示為旋轉(zhuǎn)比例閥控制動臂舉升系統(tǒng)液壓原理。試驗系統(tǒng)主要參數(shù)：試驗系統(tǒng)油源壓力為25 MPa，流量為100 L/min。動臂加質(zhì)量塊系統(tǒng)總質(zhì)量約為1 600 kg。試驗時先導(dǎo)電磁閥組控制主控閥組的換向，通過裝在舉升油缸進(jìn)、回油腔的壓力傳感器檢測比例閥換向時舉升油缸進(jìn)、回油腔的壓力。試驗時采用S7-1200PLC編程,控制舉升油缸的舉升下降，舉升油缸到達(dá)行程終點時，由直線位移傳感器檢測，并將到位信息反饋給PLC，從而控制主控比例閥換向，實現(xiàn)舉升油缸反向運動。

圖9 旋轉(zhuǎn)比例閥控制動臂舉升系統(tǒng)液壓原理

圖10所示為普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥裝配圖，圖11所示為潛孔鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)換向沖擊測試系統(tǒng)。

圖10 普通比例閥及旋轉(zhuǎn)比例閥裝配

圖11 變幅機(jī)構(gòu)試驗測試系統(tǒng)

如圖9所示：試驗時伺服電機(jī)帶動閥芯轉(zhuǎn)動一定角度，角度傳感器檢測閥芯旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)閥芯的三角節(jié)流槽旋轉(zhuǎn)至閥套槽口邊緣時，伺服控制器降低伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度或以停頓—轉(zhuǎn)動的間隔方式進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動，使三角節(jié)流槽和閥套槽口以合理的速度溝通。

圖12所示為普通比例閥采用單節(jié)U形滑閥控制時，動臂舉升油缸大、小腔壓力曲線。可知：在0～50 s內(nèi)，主控比例閥換向時，舉升油缸小腔(有桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，油壓升高至10 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸小腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力為12 MPa，壓力波動范圍約為3 MPa；在50～120 s內(nèi)，主控比例閥換向時，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，壓力約由回油壓力2 MPa劇烈升高至13 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸大腔有約7 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力高達(dá)18 MPa,壓力波動范圍約為7 MPa。

圖12 單節(jié)U形滑閥控制時動臂舉升試驗壓力曲線

圖13所示為普通比例閥采用雙節(jié)U形節(jié)流閥控制時，動臂舉升油缸大、小腔壓力曲線?？芍涸?～50 s內(nèi)，主控比例閥換向時，舉升油缸小腔(有桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，油壓升高至10 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸小腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力為11 MPa。壓力波動范圍約為2 MPa；在50～120 s內(nèi)，主控比例閥換向時，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)瞬間接通壓力油，壓力由回油壓力2 MPa劇烈升高至13 MPa，在換向的瞬間，舉升油缸大腔有約5 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力約為15 MPa，壓力波動范圍約為3 MPa。對比圖11和圖12，可以看出：在相同的控制條件下，雙節(jié)U形節(jié)流閥能顯著減小潛孔鉆機(jī)動臂舉升系統(tǒng)的換向沖擊，但雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不能完全消除主控比例閥的換向沖擊。

圖13 雙節(jié)U形節(jié)流閥控制時動臂舉升試驗壓力曲線

圖14所示為旋轉(zhuǎn)比例閥控制時，動臂舉升油缸大、小腔壓力曲線?？芍涸?～40 s內(nèi)，旋轉(zhuǎn)比例閥換向時，原本處于回油狀態(tài)的油缸小腔，在伺服電機(jī)的控制下緩慢接通高壓油，油壓逐漸升高至10 MPa，無壓力沖擊現(xiàn)象；在40～80 s內(nèi)，旋轉(zhuǎn)比例閥換向時，舉升油缸大腔(無桿腔)由回油狀態(tài)接通壓力油，壓力由回油壓力2 MPa升高至13 MPa，油槽溝通時間大約為10 s，無壓力沖擊產(chǎn)生。對比圖12—圖13，可以看出：在相同的控制條件下，雙節(jié)U形節(jié)流閥能顯著減小潛孔鉆機(jī)動臂舉升系統(tǒng)的換向沖擊，但雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不能完全消除主控比例閥的換向沖擊；采用旋轉(zhuǎn)比例閥控制時，適當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)比例閥的換向時間，可完全消除換向沖擊。

圖14 旋轉(zhuǎn)比例閥控制時動臂舉升試驗壓力曲線

4 結(jié)論

(1)分析了普通比例閥和旋轉(zhuǎn)比例閥的區(qū)別，推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)比例閥三角節(jié)流槽口過流面積公式。

(2)搭建了潛孔鉆機(jī)動臂舉升試驗系統(tǒng)，對比分析了不同比例閥對舉升系統(tǒng)液壓沖擊的影響，結(jié)果表明：與采用單節(jié)U形閥芯的比例閥相比，采用雙節(jié)U形閥芯的普通比例閥更能降低液壓系統(tǒng)啟動和換向瞬間的沖擊，但不能完全消除液壓沖擊。當(dāng)合理控制旋轉(zhuǎn)比例閥的換向時間時，采用旋轉(zhuǎn)比例閥的液壓系統(tǒng)可完全消除壓力沖擊。