潜孔钻机变幅机构液压系统研究.pdf

． 机械制造 李歆怡， 等 潜孔钻机变幅机构液压系统研究 潜孔钻机变幅机构 液压 系统研 究 李歆怡． 林正英 福州大学 机械工程及 自动化学院 ， 福建 福州 3 5 0 0 0 2 摘要 在总结潜孔钻机国内外发展现状的基础上， 介绍了潜孔钻机重要的工作部件之一变幅 机构． 进一步分析了其结构组成及动力源液压系统。对其变幅机构在运动过程中的压力冲击 现象进行仿真分析， 利用液压仿真软件 A M E S i m建立了仿真模型， 经分析研究找到了引起压力 冲击的原因， 并根据仿真研究的结果提 出了主阀阀芯过流面积的改进方案， 为钻机进一步优化 改善提供理论参考。 对现实施工也有一定实际指导意义。 关键词 潜孔钻机 ； 变幅机构 ； 压力冲击 ； 仿真分析 ； 阀芯 中图分类号 1 P 2 7 1 - 3 1 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 5 0 4 0 0 2 3 ． 04 Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c Sy s t e m o f Luffi n g M e c ha n i s m o f DTH Dr i l l L I Xi n y i ，L I N Z h e n g y i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， F u z h o u U n iv e r s i t y ，F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， Ch i n a Abs t r a c tBa s e d on t h e s u mma r y o f t h e d e v elop men t s it ua t i o n o f DI H dr i l li n g r ig s a t h o me an d a bma d．t his p a p er an a l y z e s t h e Iu 什- ing me c h an i s m，o n e imp o rta n t p ar t o f DTH d r il l in g r i g s， a n d t h e h y dr au l ic s y s t em o f it s p o we r an d dis c u s s e s it s t h e b as ic s t r u c t ur e．It a l s o a n aly z e s a n d s imu la t e s t h e pr e s s ure imp a c t o f it s d n v e s y s t e m e x i s t i n g in i t s op e r a t i n g p r oc e s s an d u s e s t h e on s i mu la t ion s o f t - wa r e AMESi m t o e s f a b l i s h it s mod e 1 ． The r e as o n o f t h e pr e s s u r e i mp a c t i s f ou n d t hr o ug h a n a l y s i s ． An d a c c o r d ing t o t h e r es ult o f t h e s i mu l a t i o n res e a r c h，it pr o po s e s t h a t t h e main v alv e i s c h a n ge d t o i n c r ea s e i t s f i lt er ar e a．Th i s s c h e me g i v e s a r e f er e n c e t o i t s i m- p r o v e men t a nd is of c e rta i n pr a c t i c a l gu iding s ign if ic an c e ． Ke y wo r d s D T H Dr i l l ；l u ff i n g me c h a n is m ； p r e s s u r e i mp a c t in g；s imu l a t io n a n a ly s i s ； v a lv e c o r e 0 引言 潜孔钻机是现代工程机械中广为人知的一种高效钻 孔机械。由凿岩机和破碎锤等凿岩机器逐渐演化而来 ， 是 由冲击器潜入孔内， 直接冲击钻头， 而回转机构在孔外带 动钻杆旋转， 通过变幅机构变幅定位并向矿岩钻进的设 备。主要用于露天矿山开采， 同时也广泛应用于建筑基础 开挖、 水电、 交通、 冶金、 建材、 港湾及国防建设等施工作业 中⋯。它是目前钻爆法作业 中广泛使用的凿岩机械之 一 ，具有钻孔直径大、 钻孔深、 钻孔效率高 、 适用范围广等 优点， 也是当前通用的大型凿岩钻孔设备。潜孔钻机变幅 机构是从凿岩机器人钻臂 中发展 而来 的 ． 凿岩机器人钻臂 的研究与凿岩机器人的发展紧密相关『 2 ] 。其变幅机构由 支柱 、 动臂 、 翻转头 、 滑架 、 钻架 、 动臂 偏转 液压缸 、 动 臂举 升液压缸、 钻架偏转液压缸、 钻架举升液压缸、 推进补偿液 压缸、 销轴等组成。随着凿岩机器人的发展 ， 为适应不同 的工作要求 。 变幅机构的功能特点逐渐多样化 。 可实现摆 臂 、 转臂、 伸缩 、 旋转、 俯仰、 摆角、 补偿 、 平动等多种动作。 变幅机构的配置数量有单臂、 双臂、 三臂甚至四臂。变幅 机构 的结构形式有 直角坐标 式 、 极 坐标式 、 复 合坐标 式和 直接定位式。目前其变幅机构的变幅全部由液压驱动， 因 此， 变幅机构液压系统是潜孔钻机的核心部件中的重要组 成部分 ， 很 大程度 上决 定着 钻机 的工 作平 稳性 和 工作 效 率， 对其进行研究和优化有着重要的现实意义 。 变幅机构能够实现钻机举升及偏转还有推进等功能． 因此其组成机构也较复杂。在研究分析运动机构的基础 上对变幅机构动力源即液压系统进行详细研究 ， 有利于钻 机 的进一步优化与升级 ， 同时对实际施工有着一定的指导 意义 。 1 潜孔钻 机变 幅机构基本 结构 及 其 典 型变 幅运动 以最经典的直角坐标式变幅机构型的潜孔钻机为例 进行分析和研究。基本结构如图 1 所示。钻臂由钻臂焊 接件 、 摇 杆 、 连 杆 、 翻转头 、 立柱 、 铰座 1 、 铰座 2 、 钻 臂举升 液压缸、 钻臂偏转液压缸 、 钻架举升液压缸和钻架翻转 液压缸等零部件组成。钻架相对于滑架的运动由推进补 偿液压缸完成 ， 所以滑架与推进补偿液压缸同属于变幅 机构基本组成部分。钻臂偏转液压缸缸筒与机架之间 、 钻臂 偏转液 压 缸活 塞 杆与 钻 臂焊 接 件之 间 采 用 十字 铰 联接 ， 滑架与钻架通过导轨联接 ， 其余各部件之间通过 销轴 联接 J 变幅机构变幅过程中一般不存在联合运动 ． 即单个液 压缸运动到位后另一液压缸再紧接着完成下一步就位动 作。该过程中5个典型的变幅动作如图2所示。 作者简介 李歆怡 1 9 8 3 - ， 女 ， 福建福州人 ， 助讲 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为机械制造 自动化 。 Ma c h in e B u i ld in g 8 Au t o m a t i o n ， Au g 2 0 1 5 ， 4 4 4 2 3 -2 6 2 3 机械制造 李歆怡， 等 潜孔钻机 变幅机构液压系统研究 1 一 变量泵 1 ； 2 - 可调节流阀 ； 3 一 常闭型二通插装阀 ； 4 一 主安全 阀 5 一 臂举换 向阀； 6 一 臂偏换向阀 ； 7 - 平衡 阀； 8 一 臂举 液压缸 ； 9 一 臂偏液压缸 ； 1 0 - 平衡 阀 图3 钻臂举升和钻臂偏转液压原理图 3 变幅机构液压系统仿真分析 传统的变幅机构液压系统仿真研究方法包括解析 法 、 状态空间法和功率键合 图法等。法国 I MA G I N E公 司推出 A ME S i m软件 ． 用于液压和机械系统建模 、 仿真 分析 ， 与传统方法相比， 拥有界面友好、 操作方便 、 可验 证性 和 可 视 化 较 强 等 优 点。利 用 液 压 仿 真 软 件 A M E S i m对变幅机构进行仿真建模 ． 依据实际参数对液 压 系统 各部 件 进 行 模 型搭 建 ， 然 后 进行 组装 。组 装 总 图如 图 4所 示 。 图 4 变幅机构液压 系统 A ME S i m 仿真模型图 4 变幅过程 中压 力冲击现 象及 其研 究分析 用上述液压仿真模型对钻机变幅工作过程进行仿真 模拟， 通过仿真分析发现变幅液压缸在变幅启动和停止的 瞬间均存在压力冲击现象， 仿真图如图5所示。 由图5和图 6可以轻易发现变幅机构中钻臂举升和 钻臂偏转过程 中当钻机变 幅液压缸开始伸 出、 暂停运 动、 伸出转为收缩运动等过程时， 液压缸中均存在显著 的压力冲击现象。冲击值甚至超过 了平稳运行时压力 值的 1 0 0 ％。这种冲击对液压系统存在很大危害． 如果 Ma c h i n e B u il d in g 8 Au to m a t i o n ，A u g 2 0 1 5 ， 4 4 4 2 3 - 2 6 日 差5 r ■ ．二 ～ ～ 、 、 一一 一一 一 2 f 』 1 4 r 1 2 3⋯ d 一． 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 图 5 钻臂举升压力曲线图 单独为此而将 系统 的设计值提 高， 会大大提高生产成 本。如果能够有效的将此种现象或者压力冲击值大大减 小 ， 对钻机运行及实际生产都会带来较大 的收益， 此项 研究 意义重大 。 ．一 ⋯ 。‘ ⋯ ⋯ ‘-● ‘ ⋯ ．_i r， 一 一一 ； 2 I l f ． 4 ’ L 。 ． -_一 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 1 2 0 t ／ s 图 6 钻臂偏转压力 曲线图 通过对 系统的分析以及压力引起的原因进一步剖析 ， 不难 发现 液压 系统在运 动起始 时及运动停 止时均 会产 生 惯性 ， 而惯性又分为机构本身的惯性及液压油流动惯性两 种。以钻臂举升液压缸伸出为例 ， 当液压缸突然伸出时 ， 由于惯性 ． 此时需要较大的加速度才能推动活塞杆伸出． 而此时液压缸内压力不足， 主阀打开， 压力油似刚开闸的 洪水冲向液压缸， 而液压缸由于惯性又处于刚要运动又未 运动状态， 由此引起蹩压现象， 缸内压力陡然上升， 出现压 力冲击； 而停止时， 同样由于机构已经停止， 而压力油仍然 在惯 性作用下继续 向缸 内运 动 ． 致使 压力再 次迅速 上升 ， 再次 出现压力 冲击 。 经过上述分析发现， 如果液压油在阀打开瞬间供油充 足， 而停止时供油能够快速切断供油量， 从较大程度上可 以减少压力冲击值的峰值现象。由此， 进一步对主阀的阀 芯过流面积研究发现， 主阀阀芯过渡处开口为 L型节流 槽， 如图7所示。需对该处结构形状依据与运动对应的函 数曲线进行优化 。 图 7 主 阀阀芯三维外形图 经优化阀芯过流面积， 再对上述过程进行仿真分析研 究， 得到钻臂举升与钻臂偏转的压力曲线如图 8和图 9所 25 加 2 m 5 O d l∞ 2 机械制造 李歆怡． 等 潜孔钻机变幅机构液压系统研究 示。由图可知 ， 压力冲击依然存在 ， 但是相比之前的冲击 峰 值 有 所大 大 改 善， 该 现象 得到 明 显 减弱， 证明 了 该优 化 5 结语 方案 的有效性 。 ’ i ． ’ ’ 。 。 ‘ - ． ． - ． i 、 、 ．． 毒． j _ ＼＼ ，。 一 4 l ～ I ⋯一 f 一 I l k 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 对潜孑 L 钻机重要工 作机构 的变幅机构 的基 本组成 以 及动力 源液压系统 进行 了较 为详 细 的阐述 ． 并 利用 液 压 仿真软 件对变 幅机 构液压 系统进 行建模分 析 。通过仿 真 研究 ， 发现了变幅过程 中存在压力冲击现象， 通过研究 发现 了问题 的部 分 原 因 ， 并相 应 进行 了优 化 通 过 再 次 仿真研究 ， 发现问题点得到了有效的改善． 证 明了优化 的有效性。文中借助计算机虚拟样机进行优化分析 ． 事 半功倍， 对潜孔钻机的设计 研究和实际生 产均有 较大 意义 图 8 优化后动臂举升液压缸压力 曲线 图 参考文献 l 一 2 3⋯ 4 一 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 1 2 O t ／ s 『 1 ]王荣 祥 ， 任 效 乾． 矿 山机 械装 备制 造业 的调整 和 振兴 规 划 一 [ J ] ． 现代矿业 ， 2 0 1 0 ， 4 8 9 1 1 - 4 ． [ 2 ]杨光照 ， 郭石宇 ， 赵洪岩． 凿岩机 械发展现状与趋势 [ J ] ． 矿业 工程 ， 2 0 0 9． 7 3 4 6 4 7 ． [ 3 ]李美香． 潜孔钻机凿岩过程 自动防卡液压控制方案研究 [ D] ． 长沙 中南大学硕士学位论文 ． 2 0 0 8 ． [ 4 ]周宏兵 ， 胡雄伟 ， 谢嵩岳． 液压挖掘机挖掘力的仿真与试验 研 究 [ J ] ． 现代制造 工程， 2 0 0 9 4 9 2 ． 9 4 ． 图 9 优化后动臂偏转液压缸压力曲线图 收稿日期 2 。 l 4 一 。 卜 8 上 接第 1 6页 表 5 转动副 间隙分析 间隙 0 ．0 8 O． O 9 O． 1／ mn 0． 0 7 5 0 ． 0 8 5 0． 0 9 5 e ／m m o - o 0． 0 1 6 4 0 ． 01 3 9 2 0 ． 01 2 0 1 0． 0 1 6 7 8 0． 0 21 7 4 塞 ， 。 0 ．0 0 5 5 1 。 ． ⋯ 0 ．0 0 5 2 4 0 ．00 6 9 6 通过仿真分析可知 ， 随着转动副间隙的增大． 下死点 标准差先减小一段之后再增大 ． 下死点精度先提高后下 降。 在 0 ． 0 9 mm附近取值时下死点精度较高。 3结论 运用虚拟样机技术， 在 A D A MS中创建精密高速压力 机的刚柔耦合模型， 进行动力学仿真分析， 得出冲裁速度、 冲裁力、 球铰副间隙、 转动副间隙对下死点竖直方向的动 态重复精度的影响规律 。 为提高其下死点动态重复精度提 高依据， 也为物理样机的试制及实验分析提供指导。由于 时间、 精力及条件有限， 未解决多因素对下死点竖直方向 的动态重复精度的优化分析问题， 找到提高下死点竖直方 向的动态重复精度的切实方案。 2 6 参考文献 [ 1 ]张策． 机械动力 学[ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ]何德誉． 曲柄压力机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 1 ． 『 3 ]应征． 飞机部件数 字化 调姿 过程 建模 与仿真 关键 技术研 究 [ D] ． 杭州 浙江大学博士学位论文 ， 2 0 1 3 ． [ 4 ]罗晓明． 多体 系统 中铰 内摩擦接触分析 [ D] ． 大连 大连理工 大学博 士学位论文 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ]白争锋 ． 考虑铰 间间隙的机构动力学特性研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业 大学硕士学位论文 ． 2 0 1 1 ． 『 6 ]张佳 揖． 含间隙机构运动副动力学模型研究 [ D] ．西安 西安 电子科技大学硕士学位论文 ． 2 0 0 6 ． [ 7 ]管培鹏 ． 高速压力机多体动力学研究及仿真[ D] ． 南京 南 京 航空航天大学硕士学位论文 ． 2 0 1 2 ． [ 8 ]王晓东， 鹿新建． 高速压力机下死点测试及数据分析[ J ] ． 锻 压装备 与制造技术 ， 2 0 0 8 ， 2 3 0 3 3 ． [ 9 ] 鹿新建， 周永清． 高速压力机下死点波形图研究[ J ] ． 锻压装 备与制造技术 ， 2 0 0 9， 1 2 8 ． 3 O ． 『 1 0 ]张游． 考虑运动副 间隙的 曲柄 滑块机构 动力学建模 与分 析 『 D1 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学硕士学位论文 ， 2 0 1 2 ． [ 1 1 ]陈树新． 含 间隙高速精密压力机机 构动力学研 究 [ J ] ． 锻 压 技术 ， 2 0 1 1 ， 2 4 5 4 8 ． 收稿 日期 2 0 1 40 31 4 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 M 8 6 4 2 O 日 dl∈ ∞ ∞ H m 8 6 4 2 0 皇 ～ ∞ ∞ 2