婁 磊， 吳萬(wàn)榮, 倪壽勇， 欒云廣， 許 東

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇南京 210023； 2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410083； 3.鄭州宛東智能科技有限公司， 河南鄭州 450000)

引言

螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)屬于大慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)，具有高壓、大流量等特點(diǎn)，其回轉(zhuǎn)工作過(guò)程如下：

回轉(zhuǎn)換向閥開(kāi)啟，液壓油進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)，由于螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)量大、慣性大，回轉(zhuǎn)平臺(tái)不能立即轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油腔油壓持續(xù)升高，當(dāng)油壓克服回轉(zhuǎn)平臺(tái)的各種阻力時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油腔油壓急劇減小。螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的油壓波動(dòng)峰值通常比正常工作時(shí)的壓力高很多，并伴隨有較大的振動(dòng)和噪聲，造成密封裝置、管道及液壓元件的使用壽命下降和性能降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成翻機(jī)事故。因此，研究螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)沖擊的成因，并采取相應(yīng)措施控制液壓沖擊，是十分必要的。

針對(duì)大慣性負(fù)載啟制動(dòng)平穩(wěn)性問(wèn)題，顧臨怡等[1]在大慣性負(fù)載系統(tǒng)中采用了壓力特性負(fù)載敏感調(diào)制閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)節(jié)流閥，該閥的特點(diǎn)是：在閥芯位移較小時(shí)降低其出口處的壓力，將原來(lái)的壓力階躍信號(hào)變成一個(gè)壓力斜坡信號(hào)，從而改善負(fù)載的啟制動(dòng)特性，但該閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本高。吳萬(wàn)榮等[2]和肖清[3]分析了大慣性負(fù)載液壓系統(tǒng)啟動(dòng)沖擊的成因，通過(guò)在液壓馬達(dá)兩腔并聯(lián)回轉(zhuǎn)緩沖閥或設(shè)定溢流閥的開(kāi)啟規(guī)律來(lái)減緩液壓系統(tǒng)的啟動(dòng)沖擊。王成賓等[4-5]通過(guò)主動(dòng)變阻尼及在系統(tǒng)中加蓄能器的方法來(lái)抑制大慣性負(fù)載的換向沖擊[6-7]。張齊生等[8]、李艷利等[9]及牟東等[10]分別對(duì)絞吸式挖泥船、旋挖鉆機(jī)及硬巖掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析并采取了相應(yīng)的控制方法。王建利等[11]、張振等[12]分別研究了液壓沖擊對(duì)五星式徑向柱塞馬達(dá)及EHA系統(tǒng)中液壓元器件的影響，結(jié)果表明液壓沖擊對(duì)液壓元器件的損壞起主要作用。由于液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲與液壓控制閥的啟閉特性有關(guān)，胡均平等[13]根據(jù)液壓打樁錘主控閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了主控閥的換向沖擊特性。冀宏等[14-15]對(duì)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。

上述學(xué)者對(duì)某些工程機(jī)械中的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究，但液壓系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，不同系統(tǒng)有不同特點(diǎn)。針對(duì)螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)換向沖擊的問(wèn)題，本研究采用控制比例閥瞬時(shí)流入液壓馬達(dá)工作腔流量的方法來(lái)減緩比例閥換向時(shí)液壓馬達(dá)工作腔的壓力沖擊，加工了相應(yīng)單節(jié)及雙節(jié)U形節(jié)流閥芯，對(duì)比研究不同節(jié)流面積閥芯換向時(shí)，螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的換向沖擊。

1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理及沖擊特性

螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖如圖1所示，主要由電機(jī)1、定量泵2、先導(dǎo)泵3、先導(dǎo)溢流閥4、主溢流閥5、先導(dǎo)電磁閥8、蓄能器9、比例閥6、平衡閥12、液壓馬達(dá)13、減壓閥10和制動(dòng)液壓缸14組成。

工作時(shí)定量泵向比例閥供油，先導(dǎo)泵向先導(dǎo)電磁閥供油，先導(dǎo)電磁閥控制比例閥的換向，比例閥控制回轉(zhuǎn)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，平衡閥12主要給液壓馬達(dá)提供背壓，起到一定的緩沖作用。圖2為螺旋鉆機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖，主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)和行走履帶裝置組成。

螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于其質(zhì)量較大，在比例閥換向的瞬間往往造成液壓馬達(dá)左右腔油壓劇烈振蕩。由圖1可知，當(dāng)比例閥向左換向時(shí)，高壓油通過(guò)比例閥A口經(jīng)平衡閥中的單向閥流入液壓馬達(dá)左腔，此時(shí)由于負(fù)載的大慣性作用，液壓馬達(dá)不能立即反轉(zhuǎn)，如果比例閥換向時(shí)突然流入液壓馬達(dá)左腔的流量較大，則液壓馬達(dá)左腔的壓力會(huì)急劇增大并發(fā)生振蕩。如減小比例閥換向瞬間流入液壓馬達(dá)左腔(或右腔)的油液流量，可減弱液壓馬達(dá)左右腔油壓的沖擊振蕩。為此對(duì)不同節(jié)流閥芯換向瞬間的流量特性進(jìn)行研究并將其應(yīng)用于螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.電機(jī) 2.定量泵 3.先導(dǎo)泵 4.先導(dǎo)溢流閥 5.主溢流閥 6.比例閥 7.單向閥 8.先導(dǎo)電磁閥 9.蓄能器 10.減壓閥 11.梭閥 12.平衡閥 13.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 14.制動(dòng)液壓缸圖1 螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖

1.回轉(zhuǎn)馬達(dá) 2.回轉(zhuǎn)平臺(tái) 3.行走履帶圖2 螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)物圖

2 回轉(zhuǎn)沖擊控制模型建立

2.1 比例閥口流量特性

螺旋鉆機(jī)采用液控比例閥對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行換向控制。比例閥的流量特性為：

q=CAΔpφ

(1)

式中，C—— 由節(jié)流口形狀、流體流態(tài)等因素決定的系數(shù)

A—— 節(jié)流口的通流截面積

φ—— 節(jié)流閥指數(shù)，其值在0.5～1.0之間

Δp—— 閥口兩端的壓差

由于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)瞬間的沖擊主要是由于通過(guò)節(jié)流閥口的流量控制的，故可通過(guò)控制節(jié)流閥口兩端的壓差和節(jié)流閥口的面積來(lái)控制啟動(dòng)瞬間的系統(tǒng)沖擊。本研究采用控制節(jié)流閥口的面積的方法來(lái)研究液壓馬達(dá)的換向沖擊。

2.2 比例閥口節(jié)流控制模型

螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)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(kāi)時(shí)，回轉(zhuǎn)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)節(jié)流閥芯開(kāi)啟瞬間對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)沖擊的影響。圖3、圖4分別為單節(jié)及雙節(jié)U形節(jié)流閥芯的結(jié)構(gòu)[14-15]。由圖3可得單節(jié)U形節(jié)流閥芯不同位移時(shí)的節(jié)流閥口面積公式(單節(jié)U形槽的尺寸參數(shù)和雙節(jié)U形槽的第二節(jié)U形槽的尺寸參數(shù)相等)：

圖3 不同開(kāi)口度下單節(jié)U形節(jié)流閥槽口面積簡(jiǎn)圖

當(dāng)閥口開(kāi)度x

(2)

(3)

(4)

由圖4可得雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不同位移時(shí)的節(jié)流閥口面積公式：

當(dāng)閥口開(kāi)度x

(5)

(6)

A2=0

(7)

B2=0

(8)

圖4 不同開(kāi)口度下雙節(jié)U形節(jié)流閥槽口面積簡(jiǎn)圖

當(dāng)閥口開(kāi)度L1/2

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中,x—— 閥口開(kāi)度

R—— 閥芯半徑

r1—— 雙節(jié)U形節(jié)流槽的第一節(jié)節(jié)流槽前端半圓槽的半徑

r2—— 第二節(jié)節(jié)流槽的前端半圓槽的半徑

L1—— 節(jié)流槽長(zhǎng)度，第一節(jié)和第二節(jié)U形節(jié)流槽的長(zhǎng)度相等

A2—— 第二節(jié)矩形槽截面積

B2—— 第二節(jié)矩形槽表面積

A1—— 第一節(jié)矩形槽的截面積

B1—— 第一節(jié)矩形槽表面積

W1—— 第一節(jié)U形節(jié)流槽寬

W2—— 第二節(jié)U形節(jié)流槽寬

D1—— 第一節(jié)U形槽深度

D2—— 第二節(jié)U形槽深度

AU1——A1和B1串聯(lián)后的等效面積

AUU——AU1與B2并聯(lián)后再與A2串聯(lián)后的等效面積

根據(jù)式(4)、式(13)、式(18)可計(jì)算出閥芯開(kāi)口面積隨閥芯位移x的變化曲線。

3 回轉(zhuǎn)沖擊控制實(shí)驗(yàn)研究

螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)為：主溢流閥設(shè)定壓力為28 MPa，先導(dǎo)溢流閥設(shè)定壓力為4 MPa，油源最大輸出流量100 L/min，馬達(dá)排量120 mL/r，馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速900 r/min，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量12000 kg·m2，試驗(yàn)時(shí)先導(dǎo)電磁閥控制比例閥6的換向，通過(guò)裝在馬達(dá)進(jìn)回油腔的壓力傳感器檢測(cè)比例閥換向時(shí)馬達(dá)進(jìn)回油腔的壓力。圖5為單節(jié)及雙節(jié)U形節(jié)流閥芯的電液比例多路閥裝配圖，圖6為螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)換向沖擊測(cè)試系統(tǒng)。

圖5 單節(jié)及雙節(jié)U形節(jié)流閥芯裝配

圖7為根據(jù)本研究模型計(jì)算得到的不同節(jié)流閥芯的開(kāi)啟面積曲線,節(jié)流閥槽的總長(zhǎng)度為10 mm，曲線1為單節(jié)U形節(jié)流閥芯在不同位移時(shí)的開(kāi)啟面積曲線，曲線2為雙節(jié)U形節(jié)流閥芯在不同位移時(shí)的開(kāi)啟面積曲線。當(dāng)閥芯位移小于5 mm時(shí)，雙節(jié)U形節(jié)流閥芯的面積曲線明顯小于單節(jié)U形節(jié)流閥芯。故在相同閥芯位移時(shí)，雙節(jié)U形節(jié)流閥口的過(guò)流面積明顯較小，更有利于控制通過(guò)閥口的油液流量。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖7 不同U形節(jié)流閥芯開(kāi)啟面積對(duì)比

圖8為單節(jié)U形節(jié)流閥芯控制時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出油口壓力曲線圖。從圖8中可知，比例閥換向時(shí)，馬達(dá)回油腔A變?yōu)檫M(jìn)油腔，A口接通壓力油，由回油壓力4 MPa劇烈升高至21 MPa，在換向的瞬間,A口的壓力有約0.6 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力高達(dá)27 MPa。壓力波動(dòng)范圍約為10 MPa。馬達(dá)的進(jìn)油腔B變?yōu)榛赜颓唬珺腔接通回油箱，B腔壓力由工作壓力21 MPa，經(jīng)過(guò)0.7 s后變?yōu)榛赜蛪毫? MPa。

圖8 單節(jié)U形節(jié)流閥控制時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出油腔壓力曲線

圖9為雙節(jié)U形節(jié)流閥芯控制時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出油口壓力曲線圖。從圖9中可知，比例閥換向時(shí)，馬達(dá)回油腔A變?yōu)檫M(jìn)油腔，A口接通壓力油，由回油壓力4 MPa劇烈升高至21 MPa，在換向的瞬間,A口的壓力有約0.4 s的壓力沖擊，最大沖擊壓力高達(dá)23 MPa。壓力波動(dòng)范圍約為4 MPa。馬達(dá)的進(jìn)油腔B變?yōu)榛赜颓?，B腔接通回油箱，B腔壓力由工作壓力21 MPa經(jīng)過(guò)0.3 s 后變?yōu)榛赜蛪毫? MPa。

圖9 雙節(jié)U形節(jié)流閥控制時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出油腔壓力曲線

對(duì)比圖8和圖9，可以看出在相同的控制條件下，雙節(jié)U形節(jié)流閥芯能顯著減小螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的換向沖擊范圍及沖擊時(shí)間。

4 結(jié)論

(1) 建立了螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的沖擊控制模型，推導(dǎo)了單節(jié)、雙節(jié)U形節(jié)流閥芯不同位移時(shí)閥口的通流面積公式，并繪制了閥芯不同位移時(shí)閥口的通流面積曲線，結(jié)果表明：閥芯相同位移時(shí)，單節(jié)U形節(jié)流閥口的通流面積較雙節(jié)U形節(jié)流閥口通流面積?。?/p>

(2) 根據(jù)螺旋鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)工況，加工了單節(jié)、雙節(jié)U形節(jié)流閥芯，并對(duì)其進(jìn)行了回轉(zhuǎn)節(jié)流試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用雙節(jié)U形節(jié)流閥芯的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在換向瞬間，回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)油腔的最高沖擊壓力和壓力波動(dòng)幅值均較單節(jié)U形節(jié)流閥芯低，雙節(jié)U形節(jié)流閥芯能有效的控制螺旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)換向瞬間的沖擊波動(dòng)。