排管机负载敏感液压系统的管道效应分析.pdf

液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 排管机负载敏感液压系统的管道效应分析 占自涛 ， 沙永柏， 刘晓利， 朴冲 吉林大学机械科学与工程学院 * 摘要 I 针对排管机液压执行机构与液压泵源之间需要长管道远距离布置的特点 ， 对此类型排管机负载敏感液压系统的数 学模型和试验进行分析， 确定管道效应对系统稳定性和响应快速性等动态特性的影响及影响因素 ， 并结合深部探测实际工况 对排管机液压系统的具体要求 ， 运用 AME Si m软件模拟管道效应对负载敏感液压系统的影响。仿真结果揭示管道长度与管 道内径对负载敏感液压系统动态特性的影响规律 。运用上述规律， 合理地选择和布置排管机液压系统的管路， 可在一定程度 上规避管道效应带来的不利影响。 关键词 管道效应； 排管机； 负载敏感； 动态特性 流体传输管道本质上是个多自由度分布参数系绷一， 其准确模型是与频率相关的耗散摩擦模型。该模型中含 有复杂的贝塞尔函数和双 曲函数脚 ， 给模型的解析和应用 带来了极大的不便 ， 因此在分析液压系统动态特性时 ， 一 般都忽略管道效应 。 但随着技术的不断进步 ， 特别是随着 负载敏感技术的不断应用，对液压系统动态特性的要求 不断提高。 负载敏感系统内部往往存在反馈控制回路 ， 使 得管道对系统稳定性、快速性等动态特性的影响作用日 益凸显，尤其是负载敏感泵与负载以及管路之间的耦合 作用很容易引起输出压力和流量的脉动 ，轻则影响执行 器的控制性能 ， 重则导致管道破裂或变量泵提前损坏嗍 。 排管机是实现钻杆 自动传送技术的关键设备，主要 完成起下钻操作中的夹紧、 提放、 搬运等工作[5 1 。 排管机悬 挂在钻机 2 层台上 ，如图 1 所示 ，而液压泵源在钻台面 上，泵源与液压执行机构之间的最大管路长度约为3 0 m 左右 ，大大超过常规负载敏感液压系统中两者之 间的距 基金项目 国家深部探测技术与实验研究专项资助项目 S i n o P r o b e 一 0 9 0 5 作者简介 占自 涛 1 9 8 9 _ - 一 ， 男， 在读硕士， 研究方向 岩土工程机械、 液压传动。 5 O I 工霏缸拭 1 2 。 ’2 图 1 钻机上正在作业的排管机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和 械 第4 5 卷I 第2 期 总第 4 8 4期 离。 因此， 管道效应成为排管机液压系统中不可忽略的组 成部分， 对系统特性特别是动态特性有很大的影响， 对此 进行分析具有现实意义。 国内针对工程机械带多路执行器的负载敏感系统分 析较多，但对类似排管机这种带长管道的石油机械液压 系统鲜见分析。 基于此， 本文在精确管道模型的理论和实 践分析基础上， 建立排管机负载敏感液压系统的 A ME S - i m仿真模型， 分析长管道对系统性能的影响， 为排管机液 压管道的选择 与布置提供参考依据。 4 1 排管机负载敏感液压系统 图2给出了排管机负载敏感液压系统的原理图。根 据文献[ 6 】 ， 当管道长度超过一定值时需要考虑管道效应 ， 这种关系由式 1 确定， 表示为 1／／ n V y 式中 o 为压力波传递速度， m ／ s ； ／ 为管道长度， m ； t 为不考 虑管道效应时阶跃上升时间， s ； w 为不考虑管道效应的 1 ． 油箱2 ． 负载敏感液压泵3 ． 压力表4 ． 负载敏感比例换向阀组5 ， 6 ， 1 1 ， 1 2 ， 2 1 ， 2 2 ． 压力继电器7 ． 平移马达8 ， 9 ． 泄漏 油口 1 O ． 回转马达1 3 ， 1 6 ． 伸展液压缸1 4 ， l 5 ， l 7 ， 2 6 ， 2 7 ． 双向平衡阀1 8 ． 升降液压缸1 9 ， 2 4 ． 夹持液压缸2 O ， 2 3 ． 液压 锁2 5 ， 2 8 ． 调垂液压缸2 9 ， 3 1 ． 截止阀3 O ， 3 2 ． 过滤器 图 2 排管机负载敏感液压系统的原理图 阀控缸系统固有频率， H z ； k为由阀1 3 开度决定的系数； 为油液弹性模量， MP a ； A 为液压缸有效作用面积， m 2 ； m t 为负载质量， k g ； 为液压缸等效容积， m 3 。 根据排管机现场作业情况及其液压原理图 ， 由式 1 分析可知 长管道主要集中于梭阀网络与泵源 负载敏感 泵 之间的反馈管道 P 0 ， 泵源与主阀 负载敏感比例换向 阀组 之间的驱动管路 P 1 ， 主阀与马达之间的管路 P 2 ， 主 阀与液压缸之间的管路 P 3 参见图 3 。故分别对上述 4 处液压管道进行分析。 2 们 4 j 工 缸 拭 J 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 梭 PO 图3 考虑管道效应的排管机负载敏感液压系统 A M蟹 m仿真模型 结合理论模型P - 蜘 和大量试验分析可知 影响排管机 负载敏感液压系统动态特性的参数包括 管道长度 L与 内径 d ； 比例 阀压力流量系数 K c ； 执行器总泄漏 c ； 负载惯 性质量 ； 黏性阻尼 曰； 油液密度 p和弹性常量 等。 当比例阀、 执行器、 负载特性确定后， 较大的影响因素就 是管道的 ￡与 d ， 需要指出的是 ， 不同执行器对管道效应 的敏感程度可能不同， 需要进一步仿真分析。 2 仿真与结果分析 针对上述分析结果，根据排管机负载敏感液压系统 原理图， 借助P d V E S i m软件搭建如图 3 的仿真图， 为简单 起见， 执行器选择单液压缸 夹持液压缸 与单马达 平移 马达 分析， 仿真结果以执行器速度 转速 曲线来表示。 为便于说明，规定 P 0 、 P 1 、 P 2 、 P 3 处管道长度与内径分别 为 1 ， d 0 ； 1 ， d 1 ； L 2 ， d 2 ； L 3 ， d 3 o 2 ． 1 管道长度影响 为尽可能地模拟出实际工况，根据所用负载敏感比 例换向阀组的资料， 设定比例阀开 ／ 闭时间为 0 ． 1 5 s 。参 考文献[ 9 】 ， 根据流量和流过压力的大小 ， 设定 d n 5 1 1 1 1 1 “1 ， 】 J 一．2 d 1 3 r n n l ， 9 ． 5 n 1 ．1 n ， 以 8 m m。 图 图 7 为马达和液压 缸速度仿真曲线。 500 400 ．g 3O0 函 0 o l oo O l OO 0 1 2 3 4 时间， s 图4 P o与 P 1处管道长度 L 。 对马达转速的影响曲线 结合仿真曲线分析可知， 随着管道长度 、 、 的增 加， 液压系统的静态与动态特性都发生了变化 1 由于管 道效应带来的压力与流量损失，马达转速与液压缸稳态 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 l 第2 期 总第4 8 4 期 0．0 7 O ． O 6 0 ． O 5 目0 ．0 4 越 瑙0 ． 0 3 厦 嵩 0 ．0 2 O．0l O ． 0 0 5 6 7 8 9 1 0 时问， s 图5 P o与P 1处管道长度 厶 对液压缸速度的影响曲线 { 一 霜 辩 图6 P 2处管道长度 对马达转速影响的曲线 一 越 制 疑 速度均值均变小； 2 液压缸响应迟滞现象较为明显， 马达 的失稳现象较为明显。 在其他因素不变的情况下，分别考察不同管道的长 度对马达和液压缸速度动态特性的影响。 对比图 4 与图 6 的仿真结果发现， 相对于 P 1 处管道的长度 厶， P 2 处管道 长度￡ 引起的管道效应对马达失稳现象 的影响更明显。 类似地， 对比图 5 与图 7 的仿真结果发现， 相对于 P 1 处 管道的长度厶， P 3 处管道长度￡ ， 引起的管道效应对液压 缸迟滞现象的影响更明显。综上分析 ， P 2 、 P 3 处管道长度 引起的管道效应对执行器速度 转速 动态特性的影响要 超过 P 1 处的管道 。 在其他因素一致的情况下， 分别考察 P 1 、 P 2 、 P 3 处管 道长度厶、 、 ， 对不同执行器 液压缸与马达 动态特性 的影响。 对比图4与图 5 的仿真结果发现， 相对于液压缸 而言， 马达的失稳现象更显著， 迟滞现象基本相同。综合 图 6 与图7 ， 相同长度的管道对马达与液压缸速度特性影 响的对比 ， 也能说 明上述结论 。综上分析 ， 可认为马达对 管道长度引起管道效应的敏感度要超过液压缸。 此外 ， 管道长度增加到一定值后， 稳定的系统将成为 不稳定的系统，工程上将这一长度定义为稳定极限长度 L 。 。经过多次的仿真运算， 确定本模型中马达的稳定极 限长度 厶在 1 5 m左右。需要指出的是 ， P 2与 p 3 处管道 长度引起的管道效应可以增强稳态速度 转速 的刚度， 进而提高液压系统对负载的顺应性。 2 ． 2 管道内径的影响 图 8 ～图 1 2 为管道内径对执行器速度 转速 的影响 曲线。根据实际工况 ， 设定厶 2 0 m， L 8 m， L 3 8 m。 面 煺 口 2 0 0 4 6 时问， s 图7 P 3处管道长度 厶对液压缸速度影响的曲线 图8 P O处管道内径 对泵口流■影响的曲线 2 口 f 工 霏 缸 拭 I 5 3 加 ∞ 舳 ∞ 柏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 5 0 o 4 { 3 0 0 2 0 0 蜱 乖l 0 o 0 一 l O I 2 3 4 5 时间／ s P l 处管道内径 对马达转速影响的曲线 7 8 时间， s 图 1 0 P 1 处管道内径d 。 对液压缸速度影响的曲线 5 o o 4 】 ． 3 0 0 霜 2 0 0 样 l iX O l I 0 l 2 3 4 5 时问／ s 图 l 1 P 2处管道内径 对马达速度影响的曲线 j j ．2 赵 幽 蝠 图 1 2 P 3处管道内径 如对液压缸速度影响的曲线 由于 d n 是反馈管道内径， 其取值与 长度关联。 由文 献【 6 】 可知 ， 最优反馈管道 内径公式为 1 上 2 式中 t ， 为油液运动黏度； 为最佳阻尼比， 常取0 ．7 0 7 ； p为 液压 油密度 。取v 4 ． 6 1 0 m m2 ／ s ， E 1 ． 61 0 MP a ， p 8 7 0 k g ／ m3 ， 取反馈管道长度 L 2 0 I l l ， 计算得到 d o 4 ． 5 1 T I I T I 。由于d 。 是反馈管道内径 ， 所 以选择泵口流量来表征 其影响。由图 8 可知， 随 增大 ， 管道效应使泵 口流量的 稳定性变差 甚至不稳定 ， 响应也变慢 ， 即使是最佳管道 内径其超调量也变大。 对比图 9与图 1 1 发现 ，在其他因素不变的情况下 ， 随管道内径的增大，马达速度响应的快速性与稳定性均 显著变化 ， 相对于 P 2 处管道内径d 2 ， P 1 处管道内径d 增大 引起马达转速的迟滞现象明显 ，失稳现象对管道效应 的 敏感度稍弱。类似地 ， 对比图 1 0 与图 1 2 分析可知 ， 在其 他因素不变的情况下 ，相对于 P 1 处管道 内径d 。 ， P 3 处管 道内径d ， 增大引起液压缸迟滞现象更明显，但液压缸速 度对负载的顺应性增强。 上述分析表明， 过大管道内径导 致液压缸和马达响应迟滞和速度不稳，可以认为管道内 径增大导致了稳定极限长度 下降【1 O l 。 对比图 9 与图 1 0 可知，在其他因素一致的情况下， 马达对管道内径引起管道效应增大的敏感度超过液压 缸， 极易发生失稳现象， 设计与布局管道时需予以考虑。 此外 ， 对 比图 9与图 1 1 、 图 1 0与图 1 2 ， 与 P 1 处管道相 9 们 m m m 哪 ㈣ ㈣ 至 一 ／u l 一 ＼ 制 挺 艇 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 拭 第 4 5 卷 I 第2 期 总第4 8 4 期 比， P 2与 P 3 处管道 内径所 引发的管道效应 可在 一定程 度上提高执行器 马达与液压缸 的速度刚性， 增强了液 压系统的顺应性。 综合上述仿真曲线结果与分析， 根据流 量 与压 力大小确定 的管道 内径可基本满足动态特性 的 要求。 2 ． 3 仿真结论与建议 针对上述仿真结果 ， 1 在选择液压管道时 ，满足流 量、 压力以及动态特性要求的条件下， 泵与主阀 负载敏 感比例换向阀组 之 间尽量选择 内径较小的管道 ， 主阀到 执行器之间的管道 内径可适当选大以提高负载的速度 刚 性。2 在布局泵 、 主 阀以及液压执行器时 ， 首要保证主阀 与执行器的管线距离不至过大 ，特别是与液压马达的距 离不能超过 。 。具体地 ， 针对用于深部探测的排管机的作 业环境 ， 给出以下建议 4 ． 5 m m， L ≤2 5 m， d 1 3 m m ． ， 2 ≤ 5 m ， d 2 9 ． 5 mm ， L3 ≤ 8 1T I ， d 3 6 ． 5 ram．。 根据上述仿真与建议 ，在完成对排管机管道的选择 后 ， 进行合理 的管道布局 ， 如图 1 3 所示。 图 1 3 试验台上正在调试的排管机 3 结论 1 通过对带长管道的排管机负载敏感液压系统进 行理论和实践分析， 得到了影响系统动态特性的因素， 为 仿真分析提供了理论支撑 。 2 根据系统液压原理图 ， 借助 A ME S i m软件 ， 建 立 了排管机负载敏感液压系统的仿真模型，揭示了管道长 度和内径对系统动态特性的影响规律 。长度或内径过大 均能导致系统动态特性变差，但通过适当的选择与布局 管道可以在一定程度上减轻管道效应的不利影响。 ． 3 根据理论分析与仿真结论， 结合实际工况给出了 排管机液压管道选择与布局的建议，在实际调试中得到 了应用， 并取得了较佳的效果 。 参考文献 [ 1 1 S a n j a yG， Du a n eLM， Bu l l a r dRE I n t e g r a t e dfl i g h t p r o p u l s i o n c o n tr o l s y s t e m d e s i g n b a s e dO l l a c e n t r a li z e d a p p r o a c h ] ． J o u ma ／ o f Gm d c e ， C o n t r o l a n dDy n a mi c s ， 1 9 9 1 ， 1 4 1 2 3 - 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