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基于AMESim的钻机负载敏感液压系统仿真分析
吴晓光 宋海涛 殷新胜
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摘要：应用AMESim对采用负载敏感传动控制的钻机回转液压回路进行建模仿真, 分析了液压系统的动态特性, 从而得出该系统的性能特点。
关键词：钻机; 负载敏感; AMESim; 仿真
随着液压技术的不断发展和应用领域的不断扩大, 液压传动与控制系统越来越复杂, 传递动力范围更大、控制精度更高, 系统柔性化与系统各种性能要求更高, 这些都对液压系统的设计提出了更高的要求。传统的以完成执行机构预定动作循环和满足系统静态性能要求的设计方法已不能满足要求。因此, 对液压传动与控制系统进行动态特性研究, 了解和掌握系统的动态工作特性和参数变化, 进一步改进和完善系统, 提高系统的工作可靠性及响应特性是非常必要的。
1 背景
传统的全液压钻机一般采用定量泵+溢流阀的控制系统, 由于能量损耗大, 有逐渐被新型的具有节能性能的液压控制系统取代的趋势。很多国外技术先进的钻机生产商都采用了负载敏感控制、泵转速控制等比较先进的控制系统, 但国内只有煤炭科学研究总院西安研究院等少数几家生产厂家研发出了具有负载敏感传动控制的全液压钻机。
全液压钻机液压系统主要由回转和给进两个基本回路组成。其中回转回路主要为钻具提供回转动力,在给进回路提供的给进力的配合作用下, 实现了钻具的钻进。其中回转回路主要用于克服钻具的负载转矩, 因此其压力就与回转负载的变化相适应。
传统的液压系统, 当由于孔内的地层情况比较复杂, 负载变化剧烈频繁时, 回转压力就会有相应的大幅度的快速波动; 同时随着泵压力的变化, 其内泄量也不断变化, 其输出流量大幅频繁波动, 回转速度也不断大幅波动; 在松软地层中, 常常会发生抱钻、卡钻等事故, 会造成系统高压溢流, 能量损失大、发热严重。
当回转回路采用负载敏感控制系统后, 减小了回转速度波动和液压系统的溢流损失。但为了进一步分析采用负载敏感控制系统对钻机回转性能的影响, 对系统进行动态的仿真分析, 进一步地分析其特点, 是十分有意义的。
2 研究方法的选择
研究液压系统动态特性的主要方法有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法。传递函数分析方法是基于经典的控制理论的一种研究方法, 其应用范围一般是线性系统, 遇到非线性系统常常不考虑其非线性或简化成线性系统, 因而具有一定局限性, 也不可避免地出现误差。
模拟仿真法是用模拟计算机或是模拟电路来进行液压系统动态特性的模拟与分析, 该方法具有接近实际情况、系统参数调整和调试简单以及运算速度快等优点, 最大缺点是运算精度低。
试验研究法可以直观地、真实地了解液压系统的动态特性和参数变化, 但这种方法周期长、费用大,且往往不具有通用性。
数字仿真法问世以后, 将液压系统动态特性研究带入了一个新阶段, 形成了传递函数法、状态空间法和功率键合图法等建模方法, 并且出现了许多仿真软件, 如俄克拉荷马州立大学的HYDSIM软件, 德国亚琛工业大学的DSH 软件, 英国巴斯大学的HASP仿真软件包, 法国Imagine公司的AMESim仿真软件等。
AMESim (AdvancedModeling Environment for Performing Simulation of engineering systems) 是法国Imagine公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件。它为用户提供了一个时域仿真建模环境, 可使用已有的模型或建立新的子模型元件, 构建优化设计所需要的实际模型; 采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图;方便用户建立复杂系统及用户所需的特定应用实例;可修改模型和仿真参数, 进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果。界面比较友好、操作比较方便。本文选用AMESim软件对系统进行仿真。
3 负载敏感液压系统工作原理
负载敏感液压系统的工作原理图如图1所示: 其原理是通过节流阀前后的压差控制负载敏感阀来调节泵的流量输出, 而不仅受负载压力变化的影响; 泵的出口压力,仅比负载压力高出一定值(该压差值通常为0.7 ～2.1MPa) , 在最高限压范围内能自动适应负载的变化。液压泵只需提供与执行元件负载相匹配的压力、流量,液压系统中不产生过剩压力和过剩流量, 因而系统具有显著的节能效果。

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图1 负载敏感控制原理图

4 负载敏感液压回路的AMESim建模
钻机回转液压系统的AMESim模型如图2 所示。变量泵1的最大排量为50mL / r; 异步电机2额定转速为1 500r/min; 节流口3特征流量设定为20L /min, 压降为1MPa; 多路换向阀4控制马达正反转, 设定异步电机运行10s后多路换向阀推向左位; 模拟负载5分为不同的工况(高负载转矩和低负载转矩) , 主要按钻头的钻进转矩、钻杆在钻孔中的摩擦力矩等进行计算,其转动惯量为100kg·m2 ; 液压马达6 的排量为110mL / r, 最大转速为1 500r/min; 负载敏感阀7中右位的弹簧预压力为157N, 相当于此阀受压2MPa的作用力; 负载敏感阀8开启压力为30MPa; 其中模拟负载5、负载敏感阀7、变量泵排量调节系统9在AMESim中没有可用模型, 用HCD (液压元件设计模块) 模块构建其HCD模型。仿真时间为400s。仿真环境: 介质密度850kg/m3 , 体积模量1 700MPa, 动力粘度511 ×10-2Pa·s, 参考温度为40℃。

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1—变量泵2—异步电机3—节流阀4—多路换向阀
5—模拟负载6—液压马达7—负载敏感阀18—负载敏
感阀29—变量泵排量调节系统
图2钻机负载敏感液压系统回转回路仿真模型

5 系统仿真分析
图3、4为不同工况时的负载转矩变化曲线, 图5、6分别为对应的不同负载转矩工况下的泵的出口压力变化曲线、负载压力曲线以及泵出口流速曲线,由图可以观察到, 从异步电机开始运转到多路换向阀4推向左位的10 s过程中, 系统的压力基本维持在2.65MPa, 这一压力则足以推动油缸使变量泵的排量变为最小, 而此过程泵出口的流量也基本维持在0.1L /min, 全部内泻。由此可以看出, 当系统空载运行时, 泵的输出为低压小排量, 从而减少了系统的压力和流量损失。

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图5 高负载转矩情况下的压力、流量特性曲线

多路换向阀推到左位以后, 系统中负载的压力随着负载转矩的变化而变化, 而图5、6系统中泵的出口压力始终比负载压力高出一定值, 这样就在变量泵的排量调节系统中达到一个稳定状态, 使变量泵的排量保持不变, 因此, 通过节流阀的流量保持恒定。

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图6低负载转矩情况下压力、流量特性曲线

对比图5和图6, 在不同负载转矩作用下,两种工况下液压泵的出口压力和负载压力各不相同, 都是随着负载转矩的变化而变化, 其相同之处在于: 泵出口压力与负载压力都有一个相同的差值; 液压泵的出口流速相同。这些特性反映了负载敏感液压系统的压力流量的动态特性: 泵出口压力始终与负载压力相适应, 且负载压力高出某一恒定值, 不受负载压力变化的影响, 具有明显的节能效果。
6系统性能分析
综合以上负载敏感系统动态性能分析, 结合钻机的回转工况, 可以得出以下结论:
(1) 钻机进行辅助操作时, 系统空载运行, 泵的输出为低压小排量, 减少了压力和流量损失。
(2) 系统的压力与负载变化相适应, 并始终高于负载压力一个小的固定值, 满足钻进需求。
(3) 负载敏感系统提供恒定流量, 不受负载变化的影响, 有利于延长马达寿命和保护钻头。
(4) 系统提供流量可以进行比例调节, 从而很方便实现钻具转速的调节, 满足不同的钻进; 工艺要求, 提高钻机的工艺适应性及操作方便性。
7 结束语
将负载敏感控制技术应用到钻机的回转液压系统中, 能减少了液压系统的能量损失, 达到节能的目的; 同时稳定的输出流量使马达转速稳定, 降低了负载剧变对马达和钻头的冲击, 提高了钻机的可靠性,完全满足钻机回转回路的性能要求。
参考文献
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