喻 威，陳周偉，陳珍穎，羅春雷

基于Amesim的新型防卡釬液壓系統(tǒng)的性能分析

*喻 威，陳周偉，陳珍穎，羅春雷

（中南大學機電工程學院，湖南，長沙 410083）

針對現有鑿巖設備在應對溶洞和裂縫卡釬工況時系統(tǒng)響應過慢而無法有效防卡釬的問題，在對現有液壓防卡釬控制方案分析的基礎上，提出了一種具有快速響應特征的自動防溶洞及裂縫卡釬、以及推進到位自動回退功能的新型鑿巖液壓控制方案。借助AMEsim仿真，對節(jié)流口、防卡閥等關鍵元器件參數進行了優(yōu)化，使系統(tǒng)從理論上獲得了最快的響應速度?，F場試驗結果表明，釬頭打入裂縫中后，推進油缸換向響應時間約為0.6 s；釬頭打入溶洞時，推進油缸換向響應時間約為0.5 s，該新控制方案能快速有效預防卡釬事故、穩(wěn)定可靠。該設計思路和方法對其他同類設備的液壓系統(tǒng)設計有一定的參考價值。

防卡釬；響應時間；鑿巖設備；裂縫；溶洞

目前，國內外生產的鑿巖設備均已具有不同程度的自動化機能，其中電腦鑿巖臺車能實現自動布孔—定位—鉆孔的循環(huán)，而一般的開環(huán)式控制系統(tǒng)也要求實現單孔循環(huán)自動化[1]。單孔循環(huán)自動化是指鑿巖機開孔輕沖擊、鑿巖重沖擊、防卡釬輕沖擊與回退及推進到位返回等動作的自動化。氣動鑿巖機依靠操作者的反應速度防止或處理卡釬故障，對于沖擊功率大、頻率高、鉆進速度快的液壓鑿巖機，仍靠操作者的反應速度難以防止卡釬故障，因此液壓鑿巖機自動防卡釬功能顯得尤為重要[2]。

目前國內外的研制的鉆車都是以轉釬壓力為信號，形成了各式各樣的防卡回路。法國Secoma公司生產的RPH35型液壓鑿巖機采用的是容積調速防卡，轉釬壓力超過設定值時減小泵的排量，從而降低推進速度，同時該油壓使得沖擊泵降低排量，減小沖擊功，達到輕沖擊輕推進的效果，從而實現防卡。瑞典Alimak公司生產的AD101型鑿巖機采用的是壓力繼電器配合電磁換向閥防卡裝置，屬于二級防卡，響應速度緩慢。芬蘭Tamrock生產的HLR438LS型鑿巖機使用的是推進油路與轉釬油路串聯(lián)，并設置防卡閥的防卡機理，該回路結構簡單，響應速度快，但是只適用于馬達—鏈輪推進形式，同時實現卡釬輕沖擊時需另設回路，使系統(tǒng)復雜化。瑞典Atlas公司生產的COP系列鑿巖臺車在推進回路上設置液動換向閥，以轉釬壓力作為反饋，當轉釬壓力超過設定值時，推動換向閥閥芯換向，實現鑿巖機快退，該方法簡單可靠，但是由于防卡閥芯為柱閥，必須有一段密封長度，使得防卡閥響應速度提高受到限制[2-3]。

以上的各種液壓控制系統(tǒng)的防卡方法，雖然其結構各據特點，均在不同程度上取得了一定的效果，但在實際生產中還存在著下列較為突出的問題：

(1)膠管與閥數量多，設備結構復雜，維修不便，可靠性降低；

(2)自動防卡能力不強，關鍵在于防卡反應速度跟不上，卡釬信號是由轉釬壓力信號傳遞至推進油路，再使鑿巖機回退，傳遞距離遠，時間長，加上數個控制閥的換向時間，使得防卡反應速度降低。

(3)對于溶洞卡釬反應緩慢，不能預防溶洞卡釬故障。

卡釬故障一旦發(fā)生，在陰暗燥熱的隧道中消除故障具有極大勞動強度，同時阻礙整體施工進度。因此結合現場施工案例，深入探討卡釬機理，尋求更好的防卡途徑，一直是國內外從事液壓鑿巖工程技術研究人員關注的重點。

對此，楊襄璧[4]提出了一種以預防卡釬為主，處理卡釬為輔的二路反饋三級防卡釬的自動防卡釬方法。胡均平[5]通過對推進壓力反饋自動防卡釬控制條件的研究分析，自動防溶洞卡釬的計算機控制模型，并進行了防溶洞卡釬性能仿真計算和試驗測試。趙宏強，李美香[6-7]對潛孔鉆機設計一套利用回轉壓力和推進壓力同時作為反饋信號的能應對多種工況的綜合自動防卡鉆控制方案，并對控制規(guī)則進行了理論研究。筆者曾設計一種推進壓力自動無級調節(jié)、鑿巖機自動輕沖及自動回退的防卡釬系統(tǒng)，并著重對其中的防卡閥理論探索和試驗研究[8]。

本文在這些研究的基礎上提出一種新的液壓防卡釬方案，該方案以推進油壓力作為反饋信號，力求縮短壓力反饋路徑和反饋壓力建壓時間，并以反應速度快的插裝閥作為防卡閥使用，力求獲得最快的防卡反應速度。利用AMEsim軟件對該液壓系統(tǒng)進行建模分析并對液壓系統(tǒng)參數進行優(yōu)化，最后進行試驗分析，對該系統(tǒng)的可行性和性能參數進行驗證。

1 新型快速防卡釬液壓系統(tǒng)的工作原理和特點

1.1 防卡釬機理的探討

根據卡釬具體的情況可以分為以下兩種：

(1)裂縫卡釬：卡釬瞬間，釬桿受力極大。釬桿瞬間打入巖石的裂隙中，轉釬阻力矩超過鑿巖系統(tǒng)能供給的最大轉矩，釬桿卡死，推進運動同時停止，轉釬壓力和推進壓力同時升高到最大值。應使推進方向閥換向，推進油缸帶動鑿巖機回退。

(2)溶洞卡釬：釬桿打入巖石溶洞中，阻力消失，使得鑿巖機快速向前，直至再次撞擊到巖面，碎石卡在釬頭與釬桿的連接處，釬頭拔出困難。此類卡釬在液壓系統(tǒng)中首先表現在轉釬壓力和轉釬壓力突然下降，出現卡釬后表面為兩者同時升高到最大值。出現此類卡釬時應力求在釬頭快速前進而未再次撞擊巖面前完成推進方向閥換向，使鑿巖機回退。然后人工操作鑿巖機進行試探性輕推，越過溶洞后再啟動自動鑿巖循環(huán)，避免卡釬。

1.2 新型防卡釬液壓系統(tǒng)設計思路

在生產實踐中，溶洞卡釬的造成的危害較大，一般也將其作為主要研究部分。對于裂縫卡釬，因為瞬時壓力上升，鑿巖機幾乎不前進，釬桿行進位移小，故大多能退回。而溶洞卡釬時釬桿行進位移大，碎石卡在釬頭與釬桿之間，再使鑿巖機退回已非常困難。

快速響應防卡系統(tǒng)設計應遵循以下幾條原則：

(1)以實用為原則，圍繞推進壓力設計防卡閥組，簡化油路，縮短壓力反饋路徑；

(2)制方法上來說，采用純液壓控制鑿巖系統(tǒng)，這樣可以減去電液之間的轉換時間，同時能更好地適應惡劣工況；

(3)用響應速度快的插裝閥元件搭建系統(tǒng)，最大程度地縮短響應時間，同時更好地滿足互換性原則。

根據以上原則設計出防卡釬液壓系統(tǒng)如圖1。

1減壓閥，2換向閥，3推進油缸，4單向節(jié)流閥，5防卡閥，6順序閥主閥，7順序閥先導閥

1.3 快速防卡釬液壓系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)工作過程包括：輕推輕沖擊開眼、重沖擊開眼、卡釬返回及運動到位自動返回。圖1中，P1為推進換向閥出口壓力；P2為推進油缸大腔壓力；P3為推進油缸小腔壓力；P4為防卡閥與節(jié)流口D5上方壓力；Di為各處節(jié)流口。

系統(tǒng)工作過程如下：

(1)輕推輕沖擊開眼：推進換向閥至于下位，此時壓力油經減壓閥、節(jié)流口D2、進入推進換向閥以后，分成兩部分，一部分通過節(jié)流口D11、過推進換向閥流回油箱；另一部分通過單向節(jié)流閥，進入推進油缸大腔，鑿巖機自動實現輕推輕沖擊，此時防卡閥關閉。

(2)重推鑿巖狀態(tài)：推進換向閥置中位，從減壓閥出來的壓力油通過單向節(jié)流閥進入推進油缸大腔，推進壓力隨推進阻力的增大而增大，實現重沖擊。

(3)防卡釬狀態(tài)（分兩種情況）：

裂縫卡釬：釬頭沖入硬巖裂縫中被卡住，推進壓力升到最大值，推進大腔壓力P2增大至順序閥先導閥調定壓力時，先導閥打開，從P2處流來的壓力油，分流一部分經節(jié)流口D7、節(jié)流口D9回泄漏油箱；順序閥主閥芯在壓差作用下被打開，推進換向閥換向，鑿巖機退回。

溶洞卡釬：釬頭打入溶洞中，推進阻力突然消失，推進大腔處壓力P2迅速降低，防卡閥打開，推進換向閥換向，鑿巖機退回。

(4)鑿巖機推進到位自動返回：系統(tǒng)的動作反應及控制過程與裂縫卡釬一致。

1.4 新型快速防卡釬液壓系統(tǒng)的特點

(1)該系統(tǒng)的核心在于，其卡釬信號來源于推進油壓的壓力變化，通過節(jié)流口口的大小，調節(jié)控制輕推壓力和重推進壓力，從而達到鑿巖機各種工況的推進要求，減小了系統(tǒng)所需的膠管和閥的數量，簡化了系統(tǒng)的結構。

(2)該系統(tǒng)的防卡裝置由二通插裝閥錐閥組成，由于卡釬信號由推進油壓的變化而來，其反饋途徑短，相對轉釬壓力反饋來說反饋時間短，加快了系統(tǒng)防卡釬的反應速度，增強了系統(tǒng)防卡釬能力。

(3)系統(tǒng)設計中采用二通插裝錐閥作為防卡閥，因而反應靈敏，閥芯運動無密閉長度使得防卡反應的速度得到提高，防卡快速性得到保證。

2 卡工況動態(tài)仿真

經靜態(tài)計算液壓系統(tǒng)中仿真需要的參數如下得到：

表1 各節(jié)流口靜態(tài)計算結果

2.1 系統(tǒng)AMEsim模型

依據圖1所示的原理及其結構在Amesim軟件中建立系統(tǒng)模型，如圖2所示。換向閥和插裝閥運用Amesim軟件中的Hydraulic Coponent Design庫中元件搭建，其中換向閥是手動復位形式，因此用質量塊的靜摩擦力模擬換向阻力。用力信號模擬推進負載，參考最優(yōu)軸推力相關計算設定，元器件其他參數根據樣本或測試獲得。

圖2 壓系統(tǒng)AMEsim模型

2.2 結果分析

首先通過批處理手段對靜態(tài)計算得到的系統(tǒng)中個節(jié)流口尺寸大小進行優(yōu)化，如圖3所示。阻尼孔D3直徑對溶洞防卡釬性能有很大影響，減小D3直徑可以縮響應時間，但以增大正常工況下的能量損失為代價，所以應在滿足推進速度的前提下，盡量選擇小的節(jié)流口，使之既滿足最佳工況的匹配，又可使卡釬性能得到保證。

按照同樣方法對其他阻尼孔優(yōu)化后得到各阻尼孔的尺寸見表2。

圖3 不同阻尼孔D3直徑對應的P2壓力曲線

表2 各節(jié)流口優(yōu)化后的尺寸

圖4是優(yōu)化后的仿真模型的壓力曲線。用推進負載力隨時間的函數模擬卡釬工況：在0.25s時從重推工況轉入裂縫卡釬工況，推進負載由6500N階躍至20000 N。從圖4可以看出，鑿巖機從重推狀態(tài)轉換到裂縫卡釬狀態(tài)，P2點壓力劇增，溢流閥開啟，之后下降到減壓閥設定的壓力，同時推開順序閥。P4點壓力從順序閥開啟后開始建立壓力，直到足以推動換向閥換向。換向閥換向后，推進油缸回退，P2點和P4點接通油箱，壓力降為零，整個換向過程需要0.4S的響應時間。

圖4 裂縫卡釬時壓力曲線

圖5是溶洞卡釬工況下的壓力曲線。用推進負載力隨時間的函數模擬卡釬工況：在0.04 s時從重推工況轉入溶洞卡釬工況，推進負載由6500 N階躍至0 N。從圖5可以看出，P2點壓力從0.4 s開始下降，防卡閥5在D3兩端壓差作用下開啟。P4點壓力從防卡閥5開啟后建立，換向閥動作前達到最大值，然后壓力下降，換向過程需要0.18 s響應時間。

圖5 溶洞卡釬壓力曲線

3 試驗

通過對中南大學機電工程學院與某企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的應用了新型快速鑿巖機防卡釬液壓系統(tǒng)的GLCS16-2型鑿巖臺車進行測試，檢驗該系統(tǒng)的效果，試驗現場圖片如圖6所示。傳感器選用動態(tài)性能良好的壓電式壓力傳感器，測試儀器為海德泰尼克公司生產的Multisystem 5060手持式液壓測試儀,同時連接PC進行數據實時打印。獲得相應的試驗數據，與系統(tǒng)仿真模型進行對比分析，驗證模型的正確性，同時進一步優(yōu)化系統(tǒng)參數。在裂縫卡釬和溶洞卡釬兩種工況下記錄推進壓力P2和換向閥控制油口壓力P4的隨時間變化的曲線。

圖6 試驗現場

圖7 裂縫卡釬實驗壓力曲線

圖8 溶洞卡釬實驗壓力曲線

由圖7和圖8反應的測試數據和試驗現象可知，釬頭打入裂縫時需0.6 s反應時間，打到溶洞需要0.5 s反應時間。對比仿真結果可知，壓力時間曲線是基本吻合的，證明液壓系統(tǒng)設計思想正確。因為仿真過程中忽略了油缸和管路上的壓力損失，以及仿真時的推進阻力加載是對真實情況的簡化，所以結果也有所差異。

4 結語

本文以液壓鑿巖臺車液壓系統(tǒng)為研究對象，提出了一種新型液壓防卡釬方案，通過AMEsim加以仿真，得到了其面對不同卡釬工況下的動態(tài)特性，并進行了試驗驗證，得到結論如下：

(1）推進壓力能反映出釬頭遭遇的不同的巖石狀況，可作為反饋壓力來設計防卡釬系統(tǒng)；

(2）阻尼孔的尺寸對防卡釬液壓系統(tǒng)的響應速度影響較大，應作為優(yōu)化的重點，其中D3對防溶洞卡釬響應速度影響最大，優(yōu)化結果為1.15mm；

(3)插裝閥閥芯結構簡單，動作靈敏適用于要求響應速度快的場合。

[1] 李軍.液壓鑿巖機的發(fā)展與應用[J].有色金屬(礦山部分),2008(3):36-38.

[2] 徐紹軍,周宏兵,湯曉燕.液壓鑿巖鉆車防卡釬系統(tǒng)研究概況[J].鑿巖機械與氣動工具,2004(2):13-17.

[3] Anon. Atlas copco's roc 712HC-01 hydraulic crawler drill[J]. International construction, 1986(4):66-68.

[4] 羅春雷,胡均平,朱桂華,等.液壓鑿巖鉆車新型防卡釬系統(tǒng)研究[J]. 液壓鑿巖機械與氣動工具,2002(3): 29-32.

[5] 胡均平,楊襄璧,吳萬榮.鑿巖過程推進壓力反饋防卡釬計算機控制[J].中國有色技術學報,1998(2):364-367.

[6] 趙宏強,李美香,高斌,等. 潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡理論與方案研究[J].機械科學與技術,2008(6):739-741.

[7] 楊襄璧,胡均平,王琴,等.液壓鑿巖卡釬機理及自動防卡新方案[J].中南工業(yè)大學學報,1995(6): 789-792.

[8] 李美香.潛孔鉆機鑿巖過程自動防卡液壓控制方案研究[D].長沙:中南大學,2008.

PERFORMANCE ANALYSIS OF NEW ANTI-JAMMING HYDRAULIC SYSTEM BASED ON AMESIM

*YU Wei, CHEN Zhou-wei, CHEN Zheng-ying, LUO Chun-lei

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan, 410083，China)

In order to avoid the jamming problem of drill-rod because of slow response of existing drilling equipment when facing gaps and karst caves during drilling process, we proposed the principle scheme of a quick-response hydraulic control system which aimed at making the jackdrill return as soon as possible once detected gaps and karst caves. The model of the hydraulic system was established and then solved by AMEsim. The parameters of critical parts such as restrictors and anti-jamming group valve were optimized by simulating to achieving the shortest theoretical response time. The system has been applied to field experiment and the result shows its ascendant ability of preventing jamming failure，the response time is shorter than traditional system in half. This research has great engineering application value to improve the drilling efficiency.

anti-jamming；response time；drilling equipment; gapp；karst cave

TU63

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.03.016

1674-8085(2014)03-0069-06

2014-03-21；

2014-04-18

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(SS2012AA041809）；

*喻 威(1988-)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士生，主要從事機電液系統(tǒng)集成與控制技術研究(E-mail: 364569000@qq.com);

陳周偉(1989-)，男，湖南人郴州人，碩士生，主要從事機電液系統(tǒng)集成與控制技術研究(E-mail: 389324556@qq.com);

陳珍穎(1990-)，女，湖南懷化人，碩士生，主要從事機械設計理論及計算機輔助設計研究(E-mail: 1036754992@qq.com);

羅春雷(1968-)，男，江西高安人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事機械設計理論和工程機械技術研究(E-mail: luoclok@163.com).