波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制技术.pdf

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 holes.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 drill 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 the 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 methodhas 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 ,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+(Tray+H,)(cos-ss)+Tgx ngsing-$2cost+z,sin(+)+（T g y +H,)n g c o s t -S sing+zgcos(+)+Taxngsing+s4cost+z3sin(+s)+(Tgsy+Hg)ngcos-S4cost+z,sin(+)+Tglox n,sing+S4cosj+z,sin(+s)+（T g l o y +H i o)n,c o s -S4 s i n g +zgsin(+)+T,ngsin-Sicos+z,sin(+)+T,ngcos+Sisin+z3 sin(+8)-X,sin-Ycos=0式(6)中,n2=arctans+tacos X-z,cos(+s)-n,cos-S,sindt sinx+z,sin(+)+ngsin-S,cosit-n4T一三脚架在x，方向的惯性力T钻枪在x,方向的惯性力T动力头在，方向的惯性力T钻杆在，方向的惯性力H三脚架重力H一钻枪重力H动力头对应的重力Ho描述的是钻杆重力ng垂直方向中点V,N之间的距离Z3V,N的直线距离一动臂转角8一一属于广义位移88ng，s 2 分别表示钻枪方向和钻枪垂直方向中铰点H与钻枪质心V,之间存在的距离no一一分别代表的是钻方向和钻枪垂直方向中铰点H与动力头质心V：之间的距离n,n分别代表的是钻方向中铰点H与钻质心Vio和主卷扬压轮O之间的距离S1一描述的是钻垂直方向中H与O的距离S6水平方向中三脚架质心V3与铰点V之间的距离；以上参数和极限负荷相关SAS2SiT12HTg7yT/7(6)Kn4图3 钻杆、三脚架、动力头和钻受力分析2旋挖钻机动力头液压系统控制技术通过分析旋挖钻机动力头液压系统的连杆与动臂、钻杆、三脚架、动力头及钻的受力分析情况，以此为依据，构建调速器转速感应控制模、变量泵转速感应控制模型和极限负荷控制模型，分析旋挖钻机动力头在不同载荷下的受力情况，设计出发动机-液压泵-负载的联合控制方法，实现对旋挖钻机动力头液压系统的控制。2.1调速器转速感应控制模型构建波动载荷会导致钻机系统的发动机实际转速在工/n7Ig10:/n6HioHTeY1VS6XVV3Z3XB3yYNLXSTHNX间的匹配关系14-15,避免发动机出现超载现象，设计Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024作状态下产生波动8-9 ，为了避免转速波动，设计调速现变量泵的吸收功率M，与发动机的输出功率M。处于器转速感应控制模型如图4所示。相同变化水平。目标转速2.3极限负荷控制模型构建扭矩旋挖钻机的工作条件较为复杂，当系统处于超载XXkXXJx)油门开度XX()fx,y)转速最大差值XXy减少开度增加开度转速差值的极限负荷控制模型如图6 所示。输出转矩转速差值XXyF(x)变量泵流量控制输入图6 极限负荷控制模型3实验与分析为了验证波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制方法的整体有效性，需要对其展开测试，测试环境如下：将旋挖钻机动力头液压系统分为以下两种工况：人岩模式和软土模式。转速差值阅值变量泵流量控制输入图7 实验测试现场图5变量泵转速感应控制模型用n表示液压系统运行时发动机的实际转速值，可通过转速传感器获取10-11，比较n和目标转速，获得两者之间的差值n,将n输人控制器中,在此基础上利用电信号对变量泵的调节机构展开控制，调节变量泵在旋挖钻机动力头液压系统中的排量wb，以此实现采用波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制方法（简称“所提方法”）文献3 基于压力拱理论的螺旋钻机开采单层钻孔参数优化方法（简称“文献3 方法”)和文献4 负载敏感液压系统压力冲击原因与抑制（简称“文献4 方法”）方法展开测试，入岩模式下不同方法的动力头输出扭矩与转速如图8 所示，软89液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期土模式下不同方法的动力头输出扭矩与转速如图9所示。151041296302520-uu.1/u151050图8入岩模式下的动力头输出扭矩与转速15,104所提方法一文献3 方法12一-文献4 方法u.N/L96302520r-uruu.d/u15105扭矩和转速低于软土模式下的输出扭矩和转速，且输出扭矩和转速的波动较大，出现这种现象的主要原因是，人岩模式下旋挖钻机受到的挖进阻力较大，容易出所提方法现大幅度的振动现象。对上述方法的测试结果展开分-文献3 方法一文献4 方法1020(a)动力头输出扭矩一文献3 方法-文献4 方法1020(b)动力头转速1020(a）动力头输出扭矩-文献3 方法.-文献4 方法析,在两种模式下,所提方法的输出扭矩曲线达到稳定状态所需的时间均低于其他两种方法,且转速曲线和输出扭矩曲线的振幅较小，表明采用所提方法控制旋挖钻机动力头展开钻进工作时，受到的载荷波动较小，稳定性高，因为所提方法在控制过程中建立了调速器转速感应控制模型，以此避免动力头转速在波动载荷3040t/s所提方法3040t/s30t/s505060J4050所提方法6060工况下产生较大波动，提高了控制稳定性。不同方法的电机转速和液压泵/马达转速的控制性能如图10 所示。15001000500r.uu.J/u0-500-1000015001000500r-uu./u0-500-10000150010005001-uru.u/u0-500电机转速一液压泵/马达转速111020(a)所提方法电机转速液压泵/马达转速1020(b)文献3 方法电机转速一液压泵/马达转速1130t/s30t/s40405050160600图9软土模式下的动力头输出扭矩与转速分析图8 和图9 可知，人岩模式下动力头的输出901020(b)动力头转速30t/s405060-10000图10不同方法的控制性能通过图10 可知，采用所提方法控制时，系统液压1020(c)文献4 方法30t/s405060Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024泵/马达转速可以跟随电机转速的变化情况，表明在实原因与抑制方法J.中国公路学报,2 0 2 1,3 4（5）：2 3 7际控制过程中液压泵/马达可以辅助电机完成钻孔工-246.作。而在文献3 方法和文献4 方法的控制下,液压5 刘桓龙，李顺，谢迟新.基于液压泵/马达逆向驱动的电机启动电流控制方法J.西南交通大学学报，2 0 2 1,56（4）：泵/马达转速曲线与电机转速变化不符，表明以上两种720-729.方法的控制性能较差。通过对比可知，所提方法具有6罗瑶，黎起富，湛良传，等.负载敏感系统旋挖钻机动力头补良好的控制效果，这是因为所提方法在控制过程中设油优化设计J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(1):6 4-6 7.计了极限负荷控制模型，使变量泵与发动机之间的保7黄会荣，贺明辉，张希.旋挖钻机杆瞬态动力学与疲劳持良好的匹配关系。研究J.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2 0 2 1,534结论(3):445-451.8 陈松，王剑.基于载荷识别的汽车转向机电制动稳定性控为了提高旋挖钻机动力头在波动载荷下的稳定性制J.计算机仿真,2 0 2 2,3 9(9）：13 6-13 9,42 4.和控制效果，提出波动载荷下旋挖钻机电动头液压系9魏建辉，彭育辉.喷油正时对双燃料发动机低负荷性能影响的数值模拟J.福州大学学报（自然科学版），2 0 2 1,49统控制方法。该方法根据旋挖钻机电动头液压系统的(4):516-521.结构,建立相关数学模型,提出一种发动机-液压泵-负10何昌艳,李国银，谷翠军，等.一种滤波参数自适应的扩展载的联合控制方法，实现旋挖钻机动力头液压系统的卡尔曼滤波感应电机转速观测器J.微特电机,2 0 2 1,49控制。实验结果表明，该方法在人岩模式下和软土模(11):38-42,52.式下的旋挖钻机动力头控制性能良好，且稳定性高。11韦宣,王志浩,李思瑶，等.基于LabVIEW的多通道转速传感器校准装置研制J.中国测试,2 0 2 1,47(7)：12 5-12 9.参考文献12祁斌,刘涛,冷林涛,等.环境小偏差条件下涡轴发动机轴1贺红星，邓运生，董义，等.全套管全回转钻机与旋挖钻机组合在薄覆盖层硬质河床引孔中的应用.施工技术，2022,51(12):46-49.2 闻岩，徐俊，高伟，等基于全连接神经网络的旋挖钻机缓冲平衡阀故障诊断J.液压与气动,2 0 2 2,46（12）：152-159.3曲俊霖,王继仁,韩新平，等.基于压力拱理论的螺旋钻机开采单层钻孔参数优化J.煤炭科学技术，2 0 2 1,49(10):71-77.4顾海荣，张小环，徐信芯，等.负载敏感液压系统压力冲击功率及其不确定度计算方法J.航空动力学报,2 0 2 1,3 6(11):2271-2277.13杨攀涛,崔涛,赵彦凯，等.电动增压器对柴油发动机低速稳态性能的影响J.兵工学报,2 0 2 1,42(9）：18 2 9 18 3 7.14陈建华,陈有锦，阳勇.K5V变量泵控制原理分析及在泵车上的应用J.中国工程机械学报,2 0 2 2,2 0（3）：2 7 9-2 8 2.15罗炎热,郭堃,李林岩，等.起重机卷扬闭式液压系统负扭矩控制策略研究J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（2）：42-46.引用本文：王浩震.波动载荷下旋挖钻机动力头液压系统控制技术J.液压气动与密封，2 0 2 4,44（2）：8 6-9 1.WANG Haozhen,Hydraulic System Control Technology of Rotary Drll Power Head Under Fluctuating Load J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(2):86-91.+液压气动与密封杂志官方网站“在线投稿系统”上线为进一步提升杂志社信息化服务水平，方便广大读者、作者以及社会各界人士获取相关服务，经试用、优化、调整，液压气动与密封杂志官方网站已正式上线运行，即日起便可实现在线投稿。其主要功能：作者登录、专家审稿、编辑登录、在线期刊等。液压气动与密封杂志官方网站可通过百度搜索，也可直接输人网址（）访问。大家在使用过程中，如果遇到问题可通过电话或邮件联系我们及时反馈。联系电话:[phone]邮箱：chpsa-。91