波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制技术.pdf
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1、曲俊霖等3 获取了旋挖钻机作业过程中的关键参液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.016波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制技术王浩震(山东省煤田地质局第五勘探队,山东济南2 50 10 4)摘要:在施工过程中,旋挖钻机的主要作用是成孔,传统旋挖钻机动力头液压系统,在波动载荷下控制的稳定性和控制效果较差,为了提高旋挖钻机动力头在波动载荷下的工作性能,设计一种针对波动载荷环境的旋挖钻机动力头液压系统控制方法。通过对旋挖钻机动力头液压系统的结构展开分析,根据分析结果建立数学模型,研究系统刚体在波动载荷下的受力情况;基于受力
2、情况分析结果建立控制模型,分别控制系统的发电机、液压泵和负载,实现旋挖钻机动力头液压系统的发动机-液压泵-负载联合控制。实验结果表明:设计的方法控制稳定性高,且控制性能好。关键词:动力头液压系统;受力分析;波动载荷;旋挖钻机;联合控制中图分类号:TH137(The Fifth Exploration Team of Shandong Coalfield Geology Bureau,Jinan 250104,China)Abstract:In the construction process,the main function of the rotary drill is to form ho
3、les.The traditional hydraulic system of the rotary drillpower head has poor control stability and control effect under the fluctuating load.In order to improve the working performance of the rotarydrill power head under the fluctuating load,a control method of the hydraulic system of the rotary dril
4、l power head is designed for thefluctuating load environment.Based on the analysis of the structure of the hydraulic system of the rotary drill power head,a mathematical modelis established according to the analysis results to study the stress of the system rigid body under the wave load;Based on th
5、e results of forceanalysis,a control model is established to control the generator,hydraulic pump and load of the system respectively,and realize the engine-hydraulic pump-load joint control of the hydraulic system of the rotary drill power head.The experimental results show that the designed method
6、has high control stability and good control performance.Key words:power head hydraulic system;force analysis;fluctuating load;rotary driling rig;joint control0引言旋挖钻机由短螺旋钻头、回转斗、预制桩桩锤、长螺旋钻具等装置构成,具有功能多,对环境伤害小和工作效率高等特点。由于上述特点,使得旋挖钻机在我国各大基础工程建设中得到了广泛的应用,其中包括大规模的水电站和青藏铁路等施工现场。旋挖钻机在施工过程中由于受到不同类型和大小的阻力,使其液压
7、系统处于波动载荷工况下2 ,难以控制旋挖钻机的精度,因此,针对相关问题,相关领域的学者展开了多方面、多角度的研究。收稿日期:2 0 2 3-0 3-16作者简介:王浩震(19 8 9-),男,山东菏泽人,工程师,本科,研究方向:地质类有关的机械设备仪器、软件控制、钻进工艺等的优化升级改造。86文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 8 6-0 6Hydraulic System Control Technology of Rotary Drill Power HeadUnder Fluctuating LoadWANG Hao-zhen数,在压力拱理
8、论的基础上确定判定标准,通过正交试验法设计旋挖钻机动力头液压系统控制方案,在有限元差分软件中利用上述方案展开数值模拟,选取最优控制方案,该方法在控制过程中,动力头的输出扭矩和转速受到波动载荷的影响,存在较大波动,控制稳定性较差。顾海荣等4 分析了系统工作过程中受到的压力冲击,以及冲击压力峰值的变化情况,根据分析结果建立流量控制阀和负载敏感泵在旋挖钻机动力头液压系统中的压力方程和流量方程,在此基础上设置防冲击回路,避免流量控制阀与负载敏感泵受到压力冲击,实现控制,该方法在波动载荷下,液压泵/马达转速与电机转速之间存在较大差距,控制效果较差。为了解决上述方法中存在的问题,设计一种波动载荷下旋挖钻机
9、动力头液压系统控制方法。(3)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.20241旋挖钻机动力头液压系统波动载荷下的受力分析旋挖钻机动力头液压系统主要由控制器、伺服电机、滚筒、液压泵/马达、减速器和蓄能器等构成,旋挖钻机动力头液压系统如图1所示。控制器驱动器减滚筒机构图1旋挖钻机动力头液压系统该系统的辅助动力源和动力源分别为液压系统和电动机,钻杆的高度和速度通过电机控制滚筒转角和转速完成调整。旋挖钻机动力头液压系统在波动载荷下的工作原理为:钻杆在提升过程中,液压泵/马达机构和电动机在系统中转动,此时的方向为顺时针,当旋转方向发生变化时,由于液压泵/马达的四象限特点5-6
10、 ,液压泵/马达机构此时的工况发生改变,转变为马达工况;电动机在蓄能器控制阀处于右位状态时完成提升,液压泵/马达在工作过程中通过单向阀避免吸孔现象的发生。当控制阀处于波动载荷状态时,蓄能器在系统中运行时对应的压力值最小,将出油口无缝连接到液压泵/马达机构,以此对旋挖钻机的动力头展开相关控制。设V代表的是连杆质心,(vz,y v,)为左手直角坐标系中连杆质心对应的坐标,可通过下述公式计算得到:Xvz=tv,cos X,Yvz=ty,sin X式中,tv铰点S与质心V,之间存在的距离X一动臂与水平面构成的夹角系统连杆与动臂受力分析如图2 所示。用svax,Sv 2 y 代表的是质心V,在运动过程中
11、产生的加速度分量,其表达式如下:Jshx=-oity,sinX-titr,cosxLsvay=-pity,cos X-Sity,sin xYNXN4V2HYs能量回收系统X制动系统减速器-一(1)(2)XyVGYQ&41Gi0Vt2HAYFF-Tg4xXBXXsRTg2y(a)连杆受力分析图2 系统连杆与动臂受力分析式中,$1一一动臂对应的角加速度51一一动臂对应的角速度N点对应的加速度SNe,SM y 可通过下述公式计算得到:JsSNe=-PitsinX-Sit.cosXlsny=Pitzcos X-sit,sin X式中,t2为图2 a中点S与N之间存在的距离,根据计算结果可知,N点的加速
12、度与钻杆、动力头、三脚架和钻枪质心相同。根据图2 a建立旋挖钻机动力头液压系统连杆波动载荷下的平衡方程7 :Xs+X-Tg2x=0Ys+Y-H,-T2y=0lYntacos X-XntasinX-Hzty cos X-Qg=0式中,Tga,Tc2yH一连杆重力Q一描述的是连杆力耦,以上参数和调速器转速相关根据图2 b建立旋挖钻机动力头液压系统波动载荷下的动臂平衡方程:X,-X-Tg4x+Gmcos(xX+9)=0Y,-Yy-Tsay+Gm sin(x+0)-H4=0Xyt4sinX-YytacosX+Gmz4sing-Hat4cos X-Qg4=0Tg4y(b)动臂受力分析表示点S在方向和y方
13、向的惯性力(5)87(4)n3液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期式中,X,Yp,X,Yv分别表示铰点F,V对应的约束反力a,T 表示动臂在F点转动沿方T向和方向产生的惯性力GM一一描述的是动臂变幅液压缸为系统运动提供的主动力9-一主动力GM的变换角度H4一动臂重力t4一点F与点G之间存在的距离Qa4动臂对应的力耦,以上参数和变量泵转速相关钻杆、三脚架、动力头和钻在系统中的受力情况如图3 所示。根据图3 建立平衡方程:Xv-Xx-T,sinm2-(Tex+Tg+Tas+Tgo)=0Yv-Y-T,cosm2-(H,+H,+Hg+Hio)-(Tey+Tay+Tesy+Tgro)=0Tgaxng
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