旋挖钻机浮动工况液压冲击的分析与解决措施

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旋挖钻机是用于大型桩基工程建设中的-种钻孔设备，主要用于完成深基础桩的钻孔作业，孔深可达数十米 ，主要应用在高速铁路、地铁、高层建筑等灌注桩基建设中。旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、机动灵活、噪声孝污染小 、钻孑L效率高等优点，是目前世界最先进的灌注桩基钻孔设备。

旋挖钻机钻杆下放的最后 2～3m，不适用主卷正常下放操作。因为最后 2～3m属于塌方沉积区，其测深数据往往不准确，如果贸然高速下放主卷 ，容易造成钢丝绳乱绳的情况。这个时候需要启动钻机浮动工况。浮动工况是给浮动电磁换向阀通电，使主卷扬马达的进出口直接相通 ，主卷扬马达不再 向外输出大的扭矩 ，这样可以实现动力头钻进时钻杆的自动跟进。不至于造成钢丝绳乱绳的情况，所以浮动工况是旋挖钻机-个不收稿 日期 ：2012-10-16作者简介：李艳利(1988-)，女，陕西成阳人，硕士研究生，现从事流体传动与控制方面的科学研究。

可缺少的短时工况。但实际中浮动工况下经常出现接头和阀块脱离、软管压接处裂开以及电磁阀阀芯断裂等问题，这些问题严重时会导致钻头下落.对作业人员的人身安全造成极大威胁 ，施工进度也会因此受到极大影响，所以这些问题的研究解决十分必要。通过现场调查和分析得知这些问题的产生究其根源应该说是因为旋挖钻机在浮动工况下产生的大的液压冲击所造成的。本论文分析了该浮动冲击产生的原因.并通过建立AMESim仿真模型和对仿真结果进行分析.提出了-种解决此冲击问题的有效方法。

1 浮动工况下液压冲击的分析浮动工况是为实现动力头钻进时钻杆的自动跟进，使主卷扬马达短时不受来自油源的液压力驱动的- 个工作状态，所以浮动工况是针对主卷扬马达提出的。主卷扬马达部分液压原理图如图 1所示。系统中双向变量泵 3为系统提供压力油，2为辅助泵，其输出的压力油用来控制制动器的制动或者断开。7为主卷扬马达，其输出转矩经减速器 10后传给主卷扬 9以决定钻液压 气动 与 密封/2013年 第 O3期机的钻杆及钻头的工作状态。系统中 6是-个带二次溢流的平衡阀，钻杆下放过程中有保护系统的作用。

l-油箱 2-辅助泵 3-主泉 4、5-电磁抉 向阀 6-平衡阀7-主卷扬马达 8-制动器 9-主卷扬 lo-减速器 1-钻杆及钻头图 1 主卷扬马达部分液压原理 图液压泵 3处于正常工作状态时，若电磁阀4工作于下位 ，则主泵 口出来的油液直接经过平衡阀6中的换向阀的上位直接进入主卷扬马达 7，从主卷扬流出的油液经电磁阀4回到油箱，此过程中辅助泵不供油 ，主卷扬马达作用使钻头及钻杆部分处于上升工作状态。

若电磁阀4工作于上位，当电磁阀 5(即浮动阀)没有通电时，主泵口出来的油液流经电磁阀4后直接进人主卷扬马达7，同时有-部分油液会作为控制油液到达平衡阀6中液控换向阀的控制腔，推动平衡阀6中的换向阀工作于下位。从主马达流出的油液经平衡阀6中的换向阀的下位回到油箱。平衡阀6中的换向阀下位工作时可以控制油液压力大小.通过更换具有不同节流口大小的阀芯可以最终调节卷扬下放速度。

当给电磁阀5通电，同时辅助泵供油打开制动器时.泵 口出来的油液经过电磁阀4之后会直接作用于主卷扬马达的进出油口，此工作状态为旋挖钻机的浮动工作状态，此时会出现特别大的液压冲击。

浮动工况下主卷扬马达部分的液压原理图简化后如图 2所示，浮动功能的实现是通过打开 Y27电磁阀，即接通马达 A、B口，以实现动力头钻进时钻杆的自动跟进浮动时外部油源提供压力打开制动广 -浮动时 电磁 阀Y27打开图2 浮动工况主卷扬马达液压原理简化图浮动时液压冲击的解释：马达的能量源是钻杆的拉力，也可以说是钻头和钻杆的重力拉动马达旋转，马达此刻处于泵的工况.从其-侧管道吸油-侧管道压油，被吸油-侧的管道内压力减小，压油侧管道内油液28压力升高但又无法排出、无处释放。动力头和钻杆的重量大概有 16t，瞬时冲力会很大。由于是重力提供动力，所以会有不稳定的液压冲击，波动比较大。对于软管和阀体来说，这是-个不好的工况。

2 AMESim仿真模型的建立和仿真结果分析在 AMESim中建立模型，可以直接从 AMESim组件库中选取组件的模型，如果 AMESim组件库中没有合适的组件模型，需要利用 HCD库中的模型搭建自己所需要的组件。根据上述主卷扬液压系统原理及浮动工况下原理的分析，在 AMESim环境下建立的浮动工况下主卷扬马达工作时液压仿真模型如图3所示。仿真模型基本参数表见表 1。

图 3 旋挖钻机浮动工况主卷扬系统仿真模型表 1 AMESim仿真模型基本参数仿真分析发现二位二通电磁换向阀接通瞬间，在其出油口A处会瞬间出现高达 25MPa左右的压力.阀口A处压力仿真曲线见图4。这-突发压力的出现很好地解释了为什么会经常瞬间出现接头和阀块脱离、软管压接处裂开以及电磁阀阀芯断裂等现象。

为解决这些问题。经过很多次尝试后发现当在此二位二通电磁换向阀出油口A处增加-个阻尼时，由Hydraulics Pneumatics& Seals/No.03.2013A口压力仿真曲线可以看到系统中出现的液压冲击得到了很好的缓解。添加阻尼前后的系统 AMESim仿真模型及 A口仿真压力曲线见图 4。

急收 出口(a)添加阻尼前卷扬系统浮动工况 AMESim仿真模型及A口压力仿真曲线高出口时间/s(b)添加阻尼后卷扬系统浮动工况AMESim仿真模型及A口压力仿真曲线图 4 系统 AMESim 仿真模 型及 A 口仿真压力 曲线为了探究阻尼孔的合理尺寸，对仿真模型中的阻尼孔的直径大续行了多次调整.记录阻尼孔不同直径时系统压力峰值的变化，选取其中几个点绘制图5。

由图 5可以看出当在阀口A处增加-直径为 2.5ram的阻尼孑L时，液压冲击最校要是图5 不同阻尼亘径时 A口压力峰值记录图3 结论(1)旋挖钻机浮动工况的开启可以实现动力头钻进时钻杆的自动跟进，不至于造成钢丝绳乱绳的情况，所以浮动工况是旋挖钻机-个不可缺少的短时工况。

但是浮动工况下会出现大的液压冲击，损害设备 、元件，影响施工效率，对施工人员的人身安全造成威胁；(2)浮动工况下 ，主卷扬马达-块构成闭式系统 ，重力作用带动马达旋转，马达工作于泵工况。所以出现了大的液压冲击：(3)通过仿真提出了减小此液压冲击的-种有效方法，即在马达进油口-侧安装-个合适的节流阀可以减缓此冲击，该方案在山东山推机械有限公司生产的旋挖钻机上已得到推广应用，已经基本解决了旋挖钻机作业过程中出现的接头和阀块脱离、软管压接处裂开以及电磁阀阀芯断裂等问题。减小了旋挖钻机的故障概率，对于旋挖钻机的推广应用具有重要意义。