基于AMESim的GDY-2000L工程钻机负载敏感液压系统仿真分析 -.pdf

2 0 1 2年第 1 期 煤炭工程 基于 A ME S i m 的 G D Y一 2 0 0 0 L工程钻机 负载敏感液压系统仿真分析 刘庆修，田宏亮，凡 东，张 锐 中煤科工集团 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要文章在 介绍 G D Y一2 0 0 0 L工程钻机 负载敏 感液压 系统 工作 原理的基础 上，结合 A M E S i m仿真软件对负载敏感控制 阀和限压阀及整个液压系统进行 了建模与仿真 ，对 系统压力 自 适应特点进行 了系统分析和总结，提 高了G D Y一2 0 0 0 L工程钻机 负载敏感液压 系统的系统认识 ， 对液压 系统设计和 A ME S i m仿真 实践具有借鉴意义。 关键词 工程钻机 ；负载敏感液压 系统 ；压力 自适应 ；A M E S i m 中图分类号 T D 4 2 1 ． 3 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 1 - 0 1 2 5 - 0 3 Si mu l a t i o n An a l y s i s o n Lo a d S e n s i t i v e Hy dr a u l i c S y s t e m o f GDY ． 2 0 0 0L Eng i n e e r i ng Dr i l l i ng Ri g Ba s e o n AM ES i m L I U Q i n g x i u ，T I A N H o n g l i a n g ，F A N D o n g ，Z H A N G R u i X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p ，X i a n 7 1 0 0 7 7 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e o n t h e i n t r o d u c t i o n o n t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e l o a d s e n s i t i v e h y d r a u l i c s y s t e m i n t h e GDY 一2 0 0 0 1 e n g i n e e rin g d ril l i n g r i g ， i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e AMES i m s i mu l a t i o n s o f t w a r e ， a mo d e l e s t a b l i s h me n t a n d s i mu l a t i o n we r e c o n d u c t e d o n t h e l o a d s e n s i t i v e c o n t r o l v a l v e a n d p r e s s u r e l i mi t v a l v e a s w e l l a s t h e c o mp l e t e d h y d r a u l i c s y s t e m． A s y s t e ma t i c a n a l y s i s a n d c o n c l u s i o n w e r e ma d e o n t h e s e l f a d a p t a t i o n f e a t u r e s o f t h e s y s t e m p r e s s u r e ． A s y s t e ma t i c u n d e r s t a n d i n g o f t h e l o a d s e n s i t i v e h y d r a u l i c s y s t e m i n t h e GD Y 一2 0 0 0 L e n g i n e e rin g d ri l l i n g r i g w a s i mp r o v e d，w h i c h c o u l d p r o v i d e t h e r e f e r e n c e s i g n i fi e a n e e s t o t h e d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e s i mu l a t i o n p r a c t i c e s o f t h e AMES i m． Ke y w o r d s e n gi n e e ri n g d ri l l i n g ri g ；l o a d s e n s i t i v e h y d r a u l i c s y s t e m；p r e s s u r e s e l f a d a p t a t i o n ；A ME S i m 1 G D Y一 2 O o 0 L工程钻机负载敏感液压 系统工作 特性 1 ． 1 系统组成 G D Y一 2 0 0 0 I 工程钻机是为了满足西安院工程需要开发 的新产品，该钻机负载敏感液压系统是一种 根据系统压 力一流量需求动态调整提供所需求的流量和压力的液压回 路。该系统工作原理图如图 1所示⋯。 工程钻机 G D Y一2 0 0 0 L负载 敏感液 压系 统采 用 P a r k e r 公司生产的 P 1 0 6 0负载敏感泵，工作原理如图 1所示，系 统 由系统动力 源 、变量 泵、小变 量油 缸 、大变 量油 缸 、限 压阀、负载敏感控制阀组成。 1 ． 2 负载控制阀数学基础 假设负载敏感控制阀6的阀芯油液作用面积为 A ． ，弹 簧设定压力为 ，泵口压力为 P ，负载压力为 P 节流阀 l 一 系统源动力 ；2 一变量泵 ；3 一小变嚣油缸 ；4 一 大变量油缸 5 一限压阀；6 一负载敏感控制阀；7 一节流阀；8 一负载；9 一油箱 图 1 GD Y一 2 0 0 0 L负载敏感液压 系统工作原理图 7流量系数为 K，节流阀开口面积为 A，负载流量为 Q，节 流E l 相关指数为 n ，可得节流阀7的流量方程为 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 1 0 作者简介刘庆修 1 9 8 2一 ，男 ，湖水宜昌人，硕士，现在中煤科工集团西安研究院从事钻探技术与装备研发与液压 系统设计与仿真工作。 l 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工 程 2 0 1 2年第 1 期 Q K A P 一P 1 南阀6的平衡条件可得 P Al P』 Al Fl 变形得 A P t 2 2 其中 AP P 一P 1 ． 3 工作 特性 结合系统组成和负载敏感控制阀数学基础，介绍该负 载敏感 系统 T作 特性 如下 1 流量自适应假设当负载转速需要提高时，需增大 系统负载流量 ，调大阀 7的开 口度 』4 ，而此 时泵的斜盘没有 立即发生变化 ，流量 Q保持不变 ，f } 1 公 式 1 可 以看 小 △ P 减小 ，从而破坏 了阀 6的平衡条件 ，由公式 2 可 以看 出阀 6换 向到右位 ，斜盘在油缸 3弹簧腔液压油的作用 下将油缸 4的无杆 腔的油液排 H J ，斜盘顺时针转动 ，排量增大 ，流量 Q增大，△ P增大，直到满足公式 2 的平衡条件，负载转 速提高了，实现了按实际流量需要供油。 2 压力 自适应假设当系统负载压力 P ， 减小时，由 公式 2 可以看出△ P增大，阀6换向到左位 ，泵口液压油 经过阀 5进入油缸 4的无杆腔，致使斜盘逆时针转动，排 量减小，系统流量 Q降低，在阀7开 口不变的情况下，由 公式 1 可知 △ P减小，P 减小 ，直到满足公式 2 的平衡 条件，通过阀7的流量也保持恒定 ，同时实现了按实际负 载压力需求供油 。 3 系统压力保护假设当系统负载压力超过阀5弹簧 设定 的最大压力 时 ，阀 5换 向至左位 ，泵 口油液 同时进 入 阀 4的无杆 腔和 阀 3的弹簧 腔 ，由于作 用面 积不 同 ，泵 斜盘逆时针转动，排量减小到最低 ，负载转速降到最低， 有效保护 了负载 的安全 。 2 A ME S i m软件的建模及仿真特点 A ME S i m软件采用图形方式来描述系统中各元件的相互 关 系 ，能够反映元件问的负载效应及系统 中功率流动情况 ， A ME S i m能直观地反映系统的T作原理 ，对元件之问传递的 数据个数没有限制 ，可以对更多参数进行研究。A ME S i m仿 真过程中监视方程特性的改变并 自动变换积分算法以获得 最佳结果。A ME S i m自动变换积分算法 ，极大地提高了微分 方程的求解效率 。 考虑 A ME S i m软件直观、可对参数研究和不用考虑积 分算法的优越性 ，本文应用 A ME S i m软件对 G D Y一2 0 0 0 L 工程钻机负载敏感系统特性进行仿真分析。 3负载敏感控制阀和 限压阀建模 应用 A ME S i m对图 1 所示的负载敏感控制阀6建模时， 需要了解所用模块的外部接 口类型 ，如图 2所示。图 2 中 5口和 3口虚线代表控制 口，4口、1口和 2口代表 液压 l 2 6 油口，l i m i n 代表流量信 号，b a r 代表压力信 号，箭头代表 正方向。 图 2 负载敏感 阀外部接 口类型 该模块可 以搭建很 多种 液压换 向阀，通 过 5【 ] 干 3口 不 同的连接方式可 以搭建 不 同的阀类模 型 阀 的位 置 【 } { 式 3 决定 ． ． 世 3 r 式 中 mc 表示弹簧设定压力 ； P ⋯ 一一 表示阀完全开肩时的压力降； 一一 5口油液 阀芯作用面积 ； n 3 3口油液 阀芯作用 面积 ； 5 5口油液压力 ； 3 3口油液压力 。 删 0情况下 阀口开启情况示意 图如 图 3所 示 ，可 以根 据 取值的不同，滑阀位置不 同，根据仿真需 要设定 参数 。 图 3 x v 0时阀口开启示意图 结合陶 l ，构建 A ME S i m仿真模型，负载敏感控制阀 A 和限压阀 B的结构模型及 A ME S i m仿真模型如图 4所示， 图中结构模型 与 A ME S i m模 型中编 号一 ， 对应 4 负载敏感系统仿真 T程钻机 G D Y一2 0 0 0 1 负载 敏感 液压 系统 中 ，同转 系 统由负载敏感泵来控制，钻机钻进过程中使用钻杆回转钻 进 ，对工程钻机的回转钻进过程进行仿真．． 选用满足 钻机 回转 钻 进模 块 子模 型 ，没置 关键 参 数 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 期 煤炭工程 4 1 一泵 口压 力；2 一调角油缸弹簧腔 ；3 一调角 油缸无杆腔 ；4 一油箱 ；5 一 负载压力 图 4负载敏 感控 制阀和 限压 阀结构及仿真模型 5 其中负载敏感控制阀弹簧设定压力 2 0 b a r ，限压阀弹簧设定 压 力 2 8 0 b a r ，调 角 油 缸 行 程 0 ． 0 2 m，斜 盘 转 动 惯 量 1 k g m ，电机转速 1 4 8 0 r e v ／ m i n ，变量泵最大排量 6 0 c c ／ r e v 。马达排量 1 6 0 c c ／ r e v ，钻杆转动惯量 1 ． 2 5 k g m 。 在 A M E S i m中运行 1 0 s ，输出仿真相应结果。负载摩擦 阻力矩典型_T况 的变 化 曲线 如 图 5所示 ，泵 口压 力和 马达 人 口压力的变化曲线如图 6所示 ，泵 口流量变化 曲线如 图 7 所示。 H 于 l 圳 图 5负载摩擦 阻力矩典型工况变化 曲线 钻机钻进过程中，其负载的大小与地层岩石的特性、 钻孔的深度 、回转的速度有关 。因此随着钻 进深度 的增加 ， 系统阻力越来越大，因此设置图 5所示的摩擦扭矩典型T 况变化 曲线 ，尽量与钻进 的实际过程相符 。 H ；j IH J l s 图 6泵口压 力和 马达入 口压 力变化 曲线 从图6看出系统负载压力随着负载摩擦阻力矩的增大 而增大的，并且泵口的压力始终比马达入 口的压力高出一 个恒定压值 2 0 b a r ，使泵口压力和系统负载压力处于一同步 稳定状态。由图 7可知系统启动阶段，当钻杆负载阻力 矩增大时 ，系统 负载压力增 大 ，压力 油通 过限压 阀进入 小 f ．量 g Ⅲ 酬 媛 图 7 泵 口流量变化 曲线 调角油缸 弹簧腔 ，推动活 塞前进 ，斜 盘顺时 针转 动 ，泵 口 流量增 大 ，泵 口压 力 P 增大 ，直 到压差 △ P稳 定在 2 0 b a r ， 一 段时间后，系统负载压力继续升高，但负载敏感控制阀 压差保持不变，泵口流量也保持恒定。该仿真很好的解释 了G D Y一 2 0 0 0 I 负载敏感系统压力 自适应的特点，还得出 了当系统感知负载压力升高的初期是靠增大泵口流量来提 高泵口压力的，当泵口压力升高并和负载压力保持定值压 力差时 ，泵 口流量停 止变化 ，靠维 持负 载敏感 控制 阀两侧 压差来响应负载变化，有效地保证系统负载波动阶段 回转 系统运行的平稳性。 5结语 本文在对 G D Y一 2 0 0 0 L 程钻机负载敏感系统原理细 节剖析的基础 上，解 释 了该 系统具 备 的流量 自适 应 、压力 自适应、系统安全保护等工作特性。结合 A M E S i m软件建 模和仿真特点，对工程钻机负载敏感控制阀和限压阀进行 了建模 ，在此基 础 t z 对 整 个负 载敏 感 系统进 行 f A ME S i m 建模，通过负载摩擦阻力矩典型工况设定并对系统进行仿 真分析 ，很好的解 释了该负载敏感 系统压 力 自适应 的特点 ， 并得 如下结论 系统负载压力增大时，初期系统负载压力升高时是通 过增大泵口流量来提高泵 E l 压力的，当泵口压力升高并和 负载压力保持定值压力差时，泵 口流量停 止变化，靠维持 恒定的负载敏感控制阀两侧压差来响应负载变化，有效地 保证系统负载波动阶段回转系统运行的平稳性。 参考文献 [ 1 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