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45t水平定向钻机属于中型钻机,许多该类钻机是自成一体式的结构,配有柴油发动机、液压驱动系统以及泥浆供给系统。在水平定向钻机的整个工作循环中,90% 以上的时间是在进行动力头的回转和推拉动作,所以动力头液压驱动系统是水平定向钻机液压系统中最重要的一个子系统,直接影响钻机的作业性能。
  1、动力头液压驱动系统设计
  动力头液压系统如图1所示,由动力头回转系统和动力头推拉系统两部分组成。由于水平定向钻机的工况复杂,对液压元件的性能要求较高,所以选用了国际上先进成熟的力士乐产品。
1.1动力头液压驱动系统选型
  45t水平定向钻机动力头最大推拉力450kN,动力头最大转矩20kNm,最大推拉力时运动速度7.5m/min,动力头最高回转速度130r/min。根据以上技术参数经过综合计算考虑,发动机选用重庆康明斯NTA-855-C型发动机;回转系统采用单泵+双马达+减速机的驱动形式,其中液压马达选用力士乐公司生产的A6VM80斜轴式柱塞马达,液压泵选择力士乐A4VG125斜盘式轴向柱塞泵;推拉系统采用单泵+双马达+减速机+链传动装置的驱动形式,液压马达选择力士乐公司生产的A6VM55斜轴式柱塞马达,液压泵选择与回转系统选择相同;泥浆系统选择雷克有限公司的YWB-450/320型泥浆泵。
  1.2动力头液压驱动系统调速控制
  动力头作业速度的调节,主要通过调节变量泵或变量马达的排量来实现。在发动机转速恒定的情况下,调节变量泵的排量实际上是改变泵的输出流量。动力头驱动力主要通过调节变量马达的排量和有效工作压力来实现,而常见的动力头调速方法是容积调速回路,即改变泵或马达的排量来实现调速。根据动力头调速原理,变量马达采用HA(高压自动变量)控制,由于EP(电比例)控制便于实现自动化和智能化控制,所以变量泵采用EP控制。对动力头液压驱动系统来说,EP变量泵与HA变量马达结合使用,以改变工作压力作为排量的依据,发动机采用恒功率控制,对动力头进行调速控制是一种简单有效的方法。
  2、动力头液压驱动系统的AMEsim仿真建模
  动力头在实际工作中各参数是动态变化的,系统是否按照设计的结果去运行,可以利用AMESim高级建模和仿真软件对动力头液压驱动系统进行仿真建模,验证调速方案是否可行。
  AMESim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,2004年IMAGINE公司推出了该软件的最新版本AMESim4.2.0,在消除缺陷的同时,进一步扩展了仿真模型库,在航空航天、汽车制造和工程机械等行业中有着广泛的应用。AMESim软件的标准模型库包括机械和控制两个部分。根据实际需要可以选配液压、液压管路、液压元件没计、液压阻力、气动、热、热流体、冷却、动力传动、填注模型库。
  水平定向钻机动力头的液压驱动系统主要由发动机、变量泵(自带补油泵)、变量马达、控制元件和保护装置组成,泵和马达的排量随工作压力的变化而变化。由于该系统的变量伺服机构中没有位置反馈环节,所以是一个不带位置环的闭环压力控制系统

  动力头液压驱动系统的AMEsim仿真模型如图3所示。利用AMEsim仿真的主要目是得到负载变化对液压系统的影响,所以对液压系统进行了简化:去掉厂换向阀,仅研究换向阀开启情况下发动机-液压系统的性能;去掉了变量伺服机构,改为加载信号控制泵和马达的排量;除泵和马达的损失之外,管路损失率取10% ;冷却冲洗阀的流量取为系统总流量的4% ;泥浆泵驱动系统消耗发动机的功率恒定,用一个常量信号模拟;在推拉系统中,去掉了链传动装置,将推进阻力折算为减速机输出轴上的转矩为314Nm。
3、仿真结果分析
  3.1不同地质条件下钻机作业速度
  根据钻机在不同地质条件下作业时的负载状况,对模型加载仿真,可以得到负载变化对液压系统的影响。动力头的负载是变化的,同时由于不断添加钻杆,系统的转动惯量也在变化,这里仅给出最大值时的情况。利用AMESim仿真,可以得到水平定向钻机在不同地质条件下作业时动力头的运动速度,这里给出钻进长度为300m时的作业速度

 当推进力为450kN、转矩为20kNm,达到设计最大值时,动力头的推进速度和回转速度分别为7.13m/min和38r/min。
  3.2负载变化对液压系统的影响
  假定初始值:推进力225kN,转矩为10kN•m;突变后:推进力450kN,转矩20kN•m。AMESim仿真结果如图4―图8所示。
  由图4可看出,在第5s时,负载突然增大1倍,动力头迅速作出响应,由于系统的转动惯量很小,加上变量泵和变量马达的变量伺服机构的响应也比较快,所以回转系统和推拉系统的响应时间很短。由图5看出,工作压力随负载的变化而变化,两者之间的匹配关系与设计值基本吻合,由于泵和马达同时改变排量,压力变化迅速平稳,没有出现上下波动。负载突然增大时,由于系统工作压力的增大,泵和马达的排量也迅速改变。

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