旋挖钻机二次调节系统能量回收研究

旋挖钻机二次调节系统能量回收研究

提高作业系统的重力势能旋转开挖挖掘机是工程机械中的桩工具，在建筑材料中得到广泛应用。旋挖钻机工作时钻杆和钻具需要反复循环升降运动,同时钻杆、钻具和钻具内泥土的重量很大,提升作业行程很长,一般灌注桩的深度有几十米深,需要消耗很大的发动机功率,提升作业时通过卷扬的提升运动转变成为钻杆和钻具的重力势能。而下降作业时钻杆和钻具的重力势能不能得到很好的吸收和储存,几乎全部转变为热能而起液压油温度升高,给系统的正常运行带来了很大的影响,同时也带来了极大的能量浪费。因此,研究钻杆和钻具下放的能量回收问题有着重要的意义。1静液二次调节技术的背景静液二次调节是德国国防工业大学H.W.Nikolaus教授于1977年首先提出来的一种主要用于挖掘机回转制动能量回收的液压传动系统2带二次调节功能的钻杆升降系统旋挖钻机原有的钻杆升降系统是利用带平衡阀的闭式系统控制绞车的正反转,当钻杆下放时,由于平衡阀的节流作用使钻杆下放速度平稳。但是由于平衡阀的节流作用会导致钻杆下放的重力势能几乎全部转化为液压油的热能而引起液压油过热,对液压系统的正常运行造成了不利的影响。同时,当钻杆需要再度提升时,钻杆中由于夹带了泥土石块等,重量相对增加,因此需要发动机带动主泵向液压马达输入比下放时钻杆重力势能变化更大的能量才能完成一次提升工作。而使用了带静液二次调节技术的钻杆升降系统可有效地避免普通平衡阀系统的缺陷,图2是带二次调节功能的钻杆升降系统原理图。钻杆下放时通过压力切断让发动机处于怠速状态。钻杆和钻具拖动绞车反向运转,使二次元件8工作在泵工况向系统输入液压油。此时由换向阀12控制插装阀11让二次元件输入的高压油充入蓄能器中。通过旋转编码器16将二次元件8的转速反馈给控制器15,控制器发送指令给伺服阀4,如二次元件转速过高则控制变量液压缸7增加二次元件的排量,反之则降低排量。这样就有效地控制了钻杆的下放速度。若钻杆超速下放,则可通过换向阀5关闭插装阀6切断油路,保护系统安全。方向阀12和插装阀11控制压力油进入蓄能器,制动器19对钻杆下放起超速保护作用。在钻杆提升工况的起始阶段,方向阀12控制插装阀11释放蓄能器内的高压油来驱动二次元件8,让其工作在马达工况,提升钻杆和钻具。随着蓄能器内油压的降低,钻杆提升速度将逐渐降低,一旦速度降至设定速度时,关闭插装阀11,通过主泵1向系统供油,使钻杆继续上升到需要的高度。由上述分析可见,该系统可以吸收钻杆下放时释放的重力势能,将其存储于蓄能器中,在下一阶段需要提升钻杆时释放蓄能器中的能量。这样既可以有效地避免带平衡阀的钻杆升降系统在工作中所产生的热量,又可以将重力势能在钻杆提升时重新释放出来,以减少发动机的负担。由于使用了蓄能器做能量回收与释放,因此系统压力会不断地变化,有必要对控制过程中二次元件的动态性能做深入的研究。3钻井压力过程中的能量回收和释放分析3.1旋转钻机配合速度控制的pid控制器根据图2所示液压系统原理图,利用仿真软件AMESim建立系统模型如图3所示。由于二次元件通常工作在恒压或准恒压条件下,因此主轴扭矩的波动比较小,排量的调节相对简单。而本文中的系统油压不断变化,主轴扭矩除受油压变化影响外还受排量变化的影响,因此对于保证系统的稳定性增加了难度。现基于某型旋挖钻机钻杆下放提升时对于速度的要求,采用斜坡和匀速信号作为输入信号,通过旋转编码器l6采集二次元件8的转速信号与输入信号比较,采用基于速度控制的PID控制器对于速度偏差进行快速跟踪,以控制钻杆下放提升的时间与速度。以某型旋挖钻机为例,代入初始参数:系统额定压力p为35MPa;蓄能器容积V减速箱传动比i为128.6;减速箱效率η二次元件最大排量q为160ml/r;二次元件容积效率η二次元件机械效率η主卷筒直径D:708mm;下放时钻杆质量M提升时钻杆质量M蓄能器最低压力p其中,T为钻杆重力在主卷扬上产生的扭矩蓄能器的充气压力p由于蓄能器充气压力p3.2钻杆沉降过程中的能量回收和分析3.2.1次元件速度调整仿真参见图3,同时代入3.1中的参数对系统进行仿真,得到结果如图4、5、6所示。钻杆下放过程如图4、5所示,经过排量的调整,二次元件按指令速度1280r/min运行。由仿真结果可知,实际下降距离34.99m,下放过程中速度变化稳定。如图6所示,重物开始下放时蓄能器油腔的初始压力为12.38MPa,随着钻杆的下放,蓄能器内油压不断升高,其最高工作压力p3.2.2钻杆放电充放电能量回收数值液压蓄能器内的气体为惰性气体(氮气),通常认为它的性质与理想气体相近。根据波义耳定律式中,p现通过对蓄能器最高工作压力时气囊体积V式(2)中,E式(3)就是初始充气压力为p钻杆下放的重力势能变化为:所以钻杆下放时蓄能器能量回收率η可见,采用二次调节技术可以对钻杆下放过程中重力势能进行有效的回收。但考虑到换向阀和油管的压力损失,实际使用中蓄能器能量回收率不会有86.4%这么高。3.3在钻杆提升过程中，蓄能器的能量释放分析3.3.1速度波动参见图3,代入3.1中的基本参数对该系统进行仿真,结果如图7、8、9所示。对于钻杆提升过程,从图7、8可知,经过马达排量的调节,二次元件按指令速度1000r/min运行时,由仿真结果可知,实际提升距离为22.91m(见图7),提升过程中速度变化平稳。如图9所示,钻杆提升开始时蓄能器油压为34.62MPa,随着钻杆提升的进行,蓄能器内油压逐渐降低,压力降低量为20.1MPa,可得其最终压力为14.5MPa。3.3.2钻杆提升过程能量释放数值计算根据图7的仿真结果,钻杆提升了22.91m,因此钻杆提升过程中的重力势能增加量为:根据3.2.2计算结果,钻杆提升之前蓄能器存储的能量为:因此钻杆提升过程中能量释放率η由此可见,利用二次调节技术还可以有效地利用蓄能器所存储的压力能。考虑到换向阀和油管的压力损失,实际使用中的蓄能器能量释放率会略低于88.39%。4次调节能量回收与释放系统可行性分析1)本文提出了由二次调节元件和蓄能器组成的旋挖钻机钻杆下放和提升能量回收和释放系统,为工程机械的节能减排提出了新的思路。2)以某型旋挖钻机主参数为基本数据,利用AMESim搭建系统模型并且在尽可能模拟现场各工况的情形下进行了仿真,从仿真结果可以看出,此二次调节能量回收与释放系统可行。分析显示,利用二次调节元件搭建的旋挖钻机主卷扬升降系统其工作性能,如工作时间,工作转速,稳定性,响应速度等基本符合原有机型的要求。3)针对二次调节的特点选用了基于