全液压钻机顶驱回转机构同步系统分析与仿真.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI CS F e b ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 3 1 全液压钻机顶驱回转机构同步系统分析与仿真 刘 丽娜 内蒙古民族大学机械工程学院，内蒙古通辽 0 2 8 0 0 0 摘要为保证深部大陆科学钻探钻用钻机具有较高的转速，需采用高转速的液压顶驱系统。此系统采用多个马达作为 执行元件，虽然多个马达在机械上能同步，但这种强制同步既耗能，同时也加剧元件的磨损，缩短了使用寿命。为了保证 各马达长时间的同步精度，采用负载独立流量分配 L U D V 控制系统。分析 L U D V控制系统的原理，采用阀后压力补偿 ， 利用 A M E S i m软件建立控制系统模型，对马达同步系统进行仿真。仿真结果表明采用阀后压力补偿，在负载不相同的情 况下，实现了马达同步。 关键词液压顶驱 ；回转机构；马达同步 ； L U D V控制系统 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 3 1 1 0 3 An a l y s i s a n d S i mula t i O I l S o f Gy r a t i o n De v i c e S y n c h r o n i z a t i o n S y s t e m i n F ul1 ． h y d r a u l i c Dr i l l i n g Ri g To p Dr i v e S y s t e m LI U L i n a C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y f o r t h e N a t i o n al i t i e s ， T o n g l i a o I n n e r Mo n g o l i a 0 2 8 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t I t i s n e e d e d t o a d o p t h y d r a u l i c t o p d r i v e s y s t e m i n o r d e r t o o b t a i n h i g h r o t a t i o n a l s p e e d f o r t h e d r i l l i n g r i g o f d e e p c o n t i n e n t a l s c i e n t i f i c d ril l i n g ． I n t h i s s y s t e m， s e v e r al mo t o r s a r e t a k e n a s e x e c u t i v e c o mp o n e n t ． Ma y b e t h e s e mo t o r s a r e s y n c h r o n o u s i n ma c h i n e r y ， b u t t h i s s y n c h r o n i s m i s e n e r g y i n t e n s i v e ． At t h e s a me t i me，f ri c t i o n o f u n i t s i s i n c r e a s e d a n d t h e s e r v i c e l i f e i s s h o e n e d ． T o e n s u r e l o n g t e r m h i g h s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y，L UDV s y s t e m w a s a d o p t e d ． T h e p ri n c i p l e o f L UDV s y s t e m wa s a n aly z e d， a n d t h e mo d e l w a s b u i h b y u s i n g AMES i m． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t a d o p t i n g p r e s s u r e c o mp e n s a t i o n a f t e r v a l v e，t h e mo t o r s are s y n c h r o n o u s u n d e r d i f f e r e n t l o a d s ． Ke y wo r d s F u l l - h y d r a u l i c d ri l l i n g r i g t o p d ri v e s y s t e m ；G y r a t i o n d e v i c e ； Mo t o r s s y n c h r o n i z a t i o n ； L UD V s y s t e m 目前各国的液压钻机大部分都采用顶部驱动钻井 装置 ，简称顶驱。该系统不但可以节省 2 0 ％ ～2 5 ％ 的钻井时间，而且也可有效防止卡钻事故，特别适用 于斜井、高难度的定向井的钻探。顶驱装置将由液压 马达驱动，这就需要高压大排量的液压马达。顶驱回 转机构采用结构形式 、尺寸 、精度 尤其是 排量 相 同、 容积效率较高且相等的4个轴向柱塞液压马达作为执 行元件 ，马达以并联工况为主。当钻机长时间工作 后 ，会发现齿轮的磨损严重 ，减速箱因受力不均易产 生振动从而影响钻进性能。出现这种情况 的原因在 于系统由4台液压马达提供驱动力，然后再经减速 器的 1 对减速齿轮将动力传给主轴，在传递过程中， 扭矩难免会有差异 ；另外 ， 4个马达在尺寸、制造精 度等各方面也不可能完全相同，这就造成了钻进过程 中4个马达的同步精度降低⋯。 1 L U D V控制系统简介 如图 1 所示 ， 4个马达为并联连接 ，多路换向阀 是手动控制换向阀门的组合 ，以进行多个工作机构的 集中控制，采用的型号为力士乐 M 4 、M7等集成阀 组。工作时，4个马达驱动减速器，减速器再带动主 轴旋转口 ] 。为了保证 4个马达的同步转动，采用了负 载独立流量 分配系统 L U D V 。 l 一油箱 2 一液压 泵 3 一溢流 阀 4 一单 向阀 5 一快速 接头 6 _ _ M4 多路阀 7 、8 、9 、1 o - - 液压马达 l 1 一 冷却器 1 2 一 过滤器 图 1 顶驱回转机构液压原理图 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 3 1 作者简介刘丽娜 1 9 8 2 一 ，女，讲师，研究方向为机械流体传动。Em a i l l i u l i n a 0 8 0 5 1 6 3 ． c o m。 第 3期 刘丽娜 全液压钻机顶驱回转机构同步系统分析与仿真 1 1 1 L U D V系统是力士乐等公司在改进负荷传感技术 的基础上发展起来 的，是与负载无关 的流量分配系 统，通常由压力补偿阀、梭阀、L s控制阀等元件组 成 。当有多个执行元件同时工作时，系统通过梭阀 来将其中最高的压力负载信号反馈到压力补偿阀以改 变泵的缸体摆脚来实现变量。由于系统能自动检测出 负载的最高压力 ，所以泵始终 以大于最高压力一个微 小值 ，为系统供油 。这样一来，泵能够提供与负载 相匹配的流量 ，减小 了系统 的能量损失，提高了效 率。当泵所提供的流量不能保证各马达正常工作所需 时 ，并不是优先供给负载较小 的执行元 件 ，而是系统 按照节流 口的开 口面积大小，按比例地把流量分配给 各执行元件 ，从而保证同时工作的执行元件动作同 步，避免造成元件的磨损。 通过改变各节流阀阀口面积 ，不仅实现流量的按 比例分配，而且泵输出功率也与负载功率相匹配，提 高了系统效率 ，节约了能源 。根据以上叙述 ，泵的 供油量不足时，任何一个马达也不会停止工作 ，而是 同时按比例地减小转动速度 ，并不影响传动精度 ，大 大提高了系统的工作性能。 综上所述 ，流量不受负载的影响是这个控制系统 的主要特点。而其他控制系统就不能满足这一点，目 前控制性能良好的独立流量分配系统已经广泛应用于 各种 液压 系统 。 2 L U D V控制系统的工作原理及仿真建模 2 ． 1 L U D V控制 系统的工作原理 如图2所示为 L U D V控制系统的原理简图。 l 一液 压 泵 2 一L s 控 制 阀 3 、 节流 阀 4 、8 _ 一 压力补偿阀 5 _ - 梭阀 6 、7 一 液压 马达 图 2 L U D V控制系统原理图 控制阀组以整体式多路阀为主，包括操纵阀和压 力补偿阀，操纵阀又由节流阀和换向阀组成 ，因为换 向阀对于控制原理没有什么影响，所以图中并没有画 出。图中只列出了两液压马达并联 ，如果能实现两马 达同步，那么4个马达也就能实现同步。图中利用梭 阀将两马达中工作压力较高的信号P 分别传给 L s控 制阀和压力补偿阀，换向节流环节设置在压力补偿阀 之前 ，其进 口压力为泵的出口压力P 。压力补偿阀控 制换向节流阀的压差 ，它的一端压力为高负载压力 P ，则有 PA l P m pk 1 P m pm pk 2 如果调解其开启压力 P 使得 P P ，则有 P p ，因为换 向节流 阀的前后压差 卸 P 。 - p ， 由此可得出 却 卸 a p，其流量公式为 。 式 中Q 、Q 为两换 向节流 阀的流量 ； c 、c 为流量系数； 、A 为阀口截面积； 却 为阀口前后压差； P为液压油密度。 由以上公式可 以得 出 流经两个马达 的流量之 比 只与两节流换向阀的开 口面积成正比，即 k “ l z l 1 ， 因此只要调节好两 阀的开 口面积使 A A ，就可以 使进入两马达的液压油的流量相等。当系统负载发生 变化、泵的供油量不足时 ，△ p相应减小，但是仍然 有 a p a p △ p，所 以流量仍然与阀的开口面积 成正比，流量还是成比例地分配。 2 ． 2仿真建模 在计算机技术突飞猛进发展的今天，以及一些相 关学科如流体力学、近代控制理论、可靠性理论等 的发展，为液压仿 真技术 的发展 打下了坚实 的基 础 ] 。应用仿真技术，可 以对研究对象进行仿真实 验 ，研究设计方案的可行性，分析结构参数对系统或 元件性能的影响 ] ，从而为设计者提供设计、调试和 使用的可靠依据，将进一步推动液压技术不断向前发 展 。 作者采用法 国 I MA G I N E公司开发的 A ME S i m软 件对液压马达同步系统进行仿真计算和深入分析。 建立同步系统仿真模型需要用到液压库、机械 库、信号库等。系统中所用到的控制阀如果在软件 中 没有模型，就需要用软件所带的液压元件库 自行设 计。对于系统中的动力机构、控制信号以及变量马达 和泵等各种元件 ，分别在各库中选取 ，最终，根据图 2建立如图 3 所示的仿真模型。 进行液压马达同步系统仿真时，选择各种元件的 模型以及确定各种参数是很重要的。但是精确地设置 参数是很困难的，只能在反复的仿真过程中不断地调 整各参数。此次仿真主要是说明阀后压力补偿，使得 在负载不相同的情况下 ，确保阀口前后压差致使流量 分配不受负载影响。故给出压力补偿阀的主要参数如 表 1 所示 。 1 1 2 机床与液压 第 4 1 卷 ④◎ 图 3 L U D V控制系统仿真模型 表 1 压 力补偿 阀主要参数 活塞直径／ mm 1 5 阀芯质量／ k g 0 ． O 1 阀杆直径／ m m 1 1 阀芯位移／ mm 7 弹簧刚度／ N m m 5 阀口初始开度／ mm 0 弹簧预压力／ N 5 0 假定两马达，分别受负载力矩 T 4 0 0 N i n 、 5 0 0 N m，液压泵的排量为 2 2 0 m L ／ m i n ，额定转 速为 1 0 0 0 r ／ m i n ，两节流口直径相同。为了从液压的 角度来解决不同步的问题，采用了在阀后进行压力补 偿的方式 ，虽然两马达所受负载力矩不一致，用压力 补偿的方式使节流口前后压差一致 ，使流量的分配不 受负 载影 响。图 3是 采用 阀后压 力 补偿 模 型 的 A M E S i m模型 。 3 L U D V系统仿真 图4是两马达所受负载力矩，两负载的差异很 大 ，马达入口压力差异也大，如图5所示。 一 亨 囊 獬 0 ． 0 1 ．0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 5．0 时 间， s 时 间， s 图4 两马达所受 图5 两马达入 负载力矩 口压力 压力补偿的作用就是将压力小的增大，使两节流 口出口压力达到一致。如图6所示，通过补偿作用， 两节流口出口压力基本一致，且都逼近压力大的值。 这是由于通过梭阀的作用，将压力大的一方引入压力 补偿阀，用来与节流口压力进行比较并达到平衡。图 7 是节 流 口入 口压力 ，两节流 口入 口压力一 样 ，是泵 的出口压力 ，知道了阀口前后压力，就知道了阀口前 后压差 。如图 8所示两节流 口前 后压差基本一致 。 35 肖 3O 皇 2 5 杂2 0 出 1 5 Ⅱ l0 羽5 图 图 8 两节流 口前后压差 阀口前后压差达到一致，使通过节流口的流量不 再受负载的影响，流量的分配由节流口开度决定，做 到了流量的独立分配。因此要两马达同步，只需要控 制两节流口的开度一致便可达到目的，如图9 、1 0所 示两马达的流量、转速基本达到一致。 图9 两马达流量 图 1 0 两马达转速 根据以上分析 ，仿真结果可以总结如下 通过仿真分析，可以看出阀后压力补偿能很好地 实现流量的分配不受负载的影响，通过控制阀口开度 来控制通过 阀口的流量 ，同时阀后 压力通 过补偿 达到 一 致 ，不会 出现流量 只流 向阻力小 的地方的情况 ，实 现了按阀口开度比例来分配流量。 4 结束语 对顶驱回转机构的液压马达同步系统进行 了分 析，采用负载独立流量分配 L U D V控制系统来保 证各马达长时间的同步精度。介绍了 L U D V控制系统 组成并分析其工作原理，用 A ME S i m软件建立控制系 统模型；最后进行仿真，主要是说 明了阀后压力补 偿 ，使得在负载不相同的情况下 ，确保阀口前后压差 一 致 ，使流量的分配不受负载影响，从而使各马达的 流量保持一致 ，最终马达同步。 下转第 8 5页 第 3期 吕瑞 等基于双线性插值的高斯曲面拟合定位算法研究 8 5 [ ] 表示其值不超过 、 的最大整数值 ， ，O t ， 可 以表示为 ． 则上式中i ，4结论 i l u ]， l ]， O ／ 一【 “ J， V J。 经过插值之后 ，利用 已知像素点及获取的插值点 根据高斯曲面拟合定位算法确定光学特征点的成像中 心位置 。 3 实验及数据分析 为了对定位方法进行评估 ，对特征光点红 外发光二极 管 S E 3 4 7 0的定位重复性进行测试。实 验过程 中，将特征光点进行固定 ，采集 1 0 0幅特征 图像 ，确定特征光点 的成像 中心位置坐标 ，并计算 定位偏差和重复性误差。图 2为成像 中心的误差分 布 。 0． 01 5 O ． 0l 艟 蛙 0 ．0 0 5 强 0 ．0 ． 0 0 5 图2 高斯曲面拟合算法的特征点成像中心的误差分布 双线性插值高斯曲面拟合定位算法的定位误差的 分散性非常小，并且双线性插值高斯曲面多次拟合定 位算法的定位重复性为 f 2 o “ 0 ． 0 1 3像素 L 2 o - 0 ． 0 1 0像素 从实验结果可以看出，文中所提出的定位算法具 有较高的定位精度 ，能够实现特征点的 1 ／ 7 6倍像素 细分，能够满足视觉坐标测量系统对特征光点成像中 心精确定位的要求。 提出了双线性插值高斯曲面拟合定位算法，该方 法通过高斯曲面函数拟合特征像点灰度分布，极值点 作为光学特征点的成像中心位置；利用双线性插值细 分算法提高特征点的定位精度。试验结果表明该方法 的定位重复性小于0 ． 0 1 3 像素，能够满足基于光学特 征点成像的视觉测量系统对特征光点的定位精度要 求 。 参考文献 【 1 】 L I U C h a n g y i n g ， H U A N G Q i n g c h e n g ， C H E R e n s h e n g ． A l g o r i t h m o f S i n g l e C a me r a Vi s i o n C o o r d i n a t e s Me a s u rin g b a s e d o n F e a t u r e s I m a g i n g o f O p t i c a l P r o b e [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f S e c o n d I n t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o n I n s t r u me n t a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I S I S T’ 2 0 0 4 ， X i a n ， H a r b i n I n s t i t u t e o f I T e c h n o l o gy P r e s s ． 2 0 0 4 9 09 6． 【 2 】Z H A N G Z h i j i a n g ， C H E R e n s h e n g ， H U A N G Q i n g c h e n g ， e t a 1 ． C e n t r o i d o f C h a r a c t e ri s t i c P o i n t I ma g e O b t a i n i n P r o b e I m a g i n g V i s i o n C o o r d i n a t e M e a s u ri n g S y s t e m[ J ] ． O p t i c s a n d P r e c i s i o n E n g e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 6 5 1 2 1 8 ． 【 3 】郭玉波， 姚郁 ， 遣晓光． 基于空间矩的圆标记中心亚像素 定位算法 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版， 2 0 0 9， 3 9 1 1 6 01 6 3 ． 【 4 】王卿杰， 卢艳平． 一种用于三维测量的边缘拟合插值算 法[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 8 ， 2 9 2 2 7 9 2 8 3 ． 【 5 】卢成静， 黄桂平， 李广云， 等． 视觉检测中圆形标志的定 位方法研究[ J ] ． 宇航计测技术， 2 0 0 8 ， 2 8 2 5 7 ． 【 6 】 Y U Z h ij i n g ， C H E N G a n g ， C H E R e n s h e n g ， e t a 1 ． B i l i n e a r I n t e r p o l a t i o n C e n t r o i d Al g o ri t h m Us i n g f o r C i r c u l a r Op t i c al T ar g e t L o c a t i o n [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f S e c o n d I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n I m a g e a n d G r a p h i c s I C I G’ 2 0 0 2 ， H e f e i ， P r o c e e d i n g s S H E， 2 0 0 2， 4 8 7 5 3 3 33 3 9 ． 【 7 】C L A R K E T A ， WA N G X ． A n A n al y s i s o f S u b p i x e l T ar g e t L o c a t i o n A c c u r a c y Us i n g F o u rie r T r a n s f o r m b a s e d mo d e l s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s S HE ， 1 9 9 5 ， 2 5 9 8 7 7 8 8 ． 【 8 】 L I W e i m i n ， Y U Q i a o y u n ， H U H o n g z h o u ， e t a 1 ． I t e r a t i o n A 1 一 g o r i t h m o f S u r f a c e F i t t i n g i n t h e D e t e c t i o n o f L i g h t - 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