032-基于Amesim的旋挖钻机动力头作业特性研究 - 图文

基于Amesim的旋挖钻机动力头作业特性研究蔡祖戈，朱浩月，吴斌，刘连国摘要：为研究某型旋挖钻机动力头的作业特性，首先建立了动力头作业转速、转矩的数学模型，并基于Amesim仿真软件，搭建了整机液压系统仿真模型。通过整机试验，验证了数学模型及仿真模型的正确性。通过仿真平台，对动力头的作业特性进行详细研究，为以后新产品的设计提供指导。关键词：旋挖钻机；动力头；Amesim仿真；作业特性旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的大型机械设备，被广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基施工工程。动力头作为钻孔作业的执行机构，直接影响成孔作业的效率及油耗，因此对其作业特性的研究，具有重要的意义。焦生杰对动力头电控马达的控制特性进行研究，提出了动力头多档位控制方案[1]。宋雨等研究了动力头系统的设计计算及工作自适应能力[2]。目前对动力头的研究主要局限于动力头部件本身，没有从整个系统的角度研究发动机、主泵、多路阀、动力头马达控制策略等因素对钻孔作业的影响。本文基于Amesim仿真软件，搭建了某型旋挖钻机从发动机→液压系统→执行机构的完整仿真模型，能够完成整机作业效率、作业油耗仿真，实现动力头的动态作业特性分析。1动力头作业特性模型构建1.1动力头转速计算模型动力头钻孔作业时，一般和加压油路配合工作，但加压油路消耗流量较少，因此以下计算过程不予考虑。同理，先导控制油路、主阀泄露流量也较小，可以忽略。旋挖钻机主泵为力士乐A8VO200恒功率变量双泵，当主泵压力低于恒功率控制起点设定压力Pb（设定值为250bar）时，主泵输出流量计算公式为：ì?ne×Vmax×hpv(Q＜Qmax)Q=í??Qmax(Q3Qmax)（1）式中：Q为主泵输出流量（L/min）；ne为发动机转速（r/min）；Vmax为双泵最大排量和（L/r）；ηpv为主泵容积效率；Qmax为主阀动力头联额定流量（L/min）由于主泵采用负载敏感控制，当主阀动力头联进口节流测量槽前后压差超过负载敏感压差Δp时，主泵排量自动减小，此时主泵输出流量不在增加，维持在Qmax附近不变。当主泵压力高于恒功率控制起点设定压力pb时，此时主泵优先进入恒功率控制状态，主泵排量随压力的增大而减小，此时主泵输出流量计算方法如下：根据力士乐产品样本，得到主泵实时排量比为：Vg=-0.005×p+2.25(250＜p＜350)（2）（3）Q=ne×Vg×hpv式中：Vg为双泵实时排量（L/r）；p为主泵出口压力（bar）根据主泵输出流量，得到动力头输出转速为：nd=Q×hmvkm×Vm×ij×id（4）式中：nd为动力头转速（r/min）；ηmv为马达容积效率；km为动力头马达数量；Vm为马达实时排量（L/r）；ij为马达减速机速比；id为动力箱速比1.2动力头输出转矩特性马达输出扭矩计算公式如下：Tm=Vm×(pm-p0)×hmh20p（5）式中：Vm为马达实时排量（ml/r）；pm为马达进口压力（bar）；p0为马达背压（bar）；ηmh为马达机械效率根据产品样本，EP型电控变量马达实时排量计算公式为：Vm=k×pm+b其中：（6）k=Vm-maxp2-p1Vm-max×p1p2-p1b=-式中：p1为起调压力（bar）；p2为终点压力（bar）；Vm-max为马达最大排量（ml/r）将Vm带入式5中，可得马达输出转矩与进口压力关系式为：Tm=Vm-max×hmh(pm-p0)×(pm-p1)×20pp2-p1（7）实际使用过程中，背压p0一般较小，为便于推导，可认为其为0，结合公式6和7，得到马达实时排量Vm与输出转矩Tm的关系式为：2??Vm-max??p1?80pp1÷Vm=×?×Tm-÷+?2p2-p1÷èp2-p1?Vm-max×hmh×(p2-p1)è?（8）动力头的输出转矩为：Td=km×Tm×ij×hj×id×hd（9）式中：ηi为马达减速机机械效率；ηd为动力箱机械效率从式7可以看出，马达输出扭矩与系统压力成正比，且为二次方的增加关系。因此输出扭矩变化较大时，系统压力仅升高一个较小值，从而大大减小系统压力值的波动，使发动机工作在较稳定的工况，增强马达适应负载变化的能力。通过式8分析，马达从最小排量变化至最大排量对应的压差值△p（p2-p1），对系统的性能和效率有较大的影响，它决定着马达的输出特性。△p增大，外界负载变化相同的△T值时，马达的排量变化越小，增大了马达的刚性，避免了频繁的速度变化对液压系统和整机的机械部件造成的伤害。2整机仿真模型搭建旋挖钻机液压油路比较复杂，涉及到发动机全程调速控制、主泵恒功率控制、总功率控制、LS负载敏感控制、主阀独立流量分配系统（LUDV）、EP马达控制等复杂功能建模，因此其仿真建模一直是一个难点。本文基于LMS公司专业的液压仿真软件AMESim，搭建了旋挖钻机动力头液压回路主要部件：包括发动机、主泵、多路阀及马达的仿真模型。由于一些液压部件的内部参数不易获得，在保证仿真精度的前提下，对液压油路及部件进行了适当简化，并通过零部件及整机试验，对模型进行调试，保证了仿真的精度要求。2.1发动机模型旋挖钻机在钻孔作业过程中，由于载荷变化较剧烈，为了保持发动机有一个较稳定的转速，一般采用全程调速控制方式，这就为仿真带来了困难。一般直接采用一个电机模块代替发动机模型[3]。或使用函数模块，利用查表插值的方式，模拟负载变化时引起的发动机转速变化[4]。为了实现全程调速控制功能，本文采用Amesim软件中的驱动库、信号库，搭建了发动机控制模型，能够模拟钻孔作业时发动机的实际工作状态，实现作业油耗仿真。主要控制原理如下图：图1发动机控制流程图搭建的发动机Amesim模型如下图：图2发动机模型2.2主泵模型主泵具有恒功率控制功能，使用两个测量弹簧近似实现泵的双曲线功率特性，调节可变的变量弹簧可以确定恒功率值的大小[4]。该主泵同时具备负载敏感控制功能、总功率控制功能（液压连接）。为了准确模拟旋挖钻机钻孔作业工况，搭建的主泵模型必须同时具备以上三种控制功能。主泵性能参数通过台架试验获得并输入，各弹簧的参数通过产品样本，以及主泵性能曲线推导得到。对于其他不易获得，且对仿真结果没有影响的参数，根据经验值设置。图3 A8VO双泵仿真模型2.3 LUDV主阀模型目前，不受载荷影响的负载敏感压力补偿系统（LUDV）越来越广泛地应用于各类旋挖钻机、挖掘机上。在LUDV液压系统中，多路阀通过阀后置压力补偿阀解决了在系统工作中需求流量大于泵的极限流量时，各工作装置实现复合动作的问题[5]。主阀建模部件包括：主阀芯、压力补偿阀、负载保持阀、溢流/补油阀等。由于主阀芯上同时集成了进油节流槽以及换向节流槽，如果直接用HCD库搭建主阀模型，会比较复杂，且建模精度无法保证。因此，采用简化的方法，将其分解为“可变截面节流阀+阀后压力补偿阀+换向阀”三个部分，分别予以建模。图4多路阀仿真模型2.4 EP马达模型电比例控制马达的排量只与控制电流大小相关，与负载没有直接关系，因此可以根据实际工况需求，利用控制器实时控制动力头马达的排量，在满足钻孔转矩的同时，提高作业效率。在模型中，直接使用控制信号库，模拟排量控制及加载功能。图5 EP马达仿真模型2.5整机模型将以上搭建的各主要部件模型连接在一起，即可得到旋挖钻机钻孔作业液压系统仿真模型，如下图：图6整机仿真模型表1模型主要参数设置表部件参数负载敏感阀弹簧刚度负载敏感阀弹簧预紧力恒功率控制阀弹簧刚度主泵恒功率控制阀弹簧预紧力变量弹簧K1预紧力离合器间隙进油节流阀流量系数压力补偿阀弹簧刚度主阀压力补偿阀弹簧预紧力背压阀溢流补油阀排量动力头模拟转动惯量设置值30N/mm71.2N30N/mm450N250N20mm0.710N/mm76N3.5bar350bar160 ml/r4.8 kg·m2模型参数主要通过零部件台架试验获得，对于效率、主阀开度等以数表形式输入的参数，受限于篇幅，此处不再一一列举。3模型精度验证为了提高整个系统仿真的准确度，首先进行了主泵、主阀、马达的零部件台架试验，并将测试得到的参数输入至仿真模型中。同时为了验证整个模型的正确性，在专业测试场进行了整机钻孔试验，并将测试得到的负载以数表形式输入至模型中，将试验测试得到流量、压力、转速等参数与仿真结果进行对比。整机测试信号如下图所示：图7整机测试系统构建试验测试工况主要包括入岩模式，不同油门开度下动力头空载作业效率测试，以及标准模式，不同油门开度下加载工况作业效率测试，试验测试结果与相应工况下模型仿真结果对比如下所示：图8入岩模式空载作业效率对比