一种旋挖钻机回转液压系统节能及控制方法研究
150kNm旋挖钻机液压系统仿真与实验研究
分类号:TH1210710-2009125046硕士学位论文150kNm旋挖钻机液压系统仿真与实验研究李兆凯导师姓名职称焦生杰教授申请学位级别工学硕士学科专业名称机械电子工程论文提交日期2011年12月1日论文答辩日期2011年12月16日学位授予单位长安大学答辩委员会主席李炳寅教授级高工学位论文评阅人李炳寅教授级高工王欣副教授S imulation and E xperimental S tudy of Hydraulic System of150kNm R otary D rilling R igA Dissertation Submitted for the Degree of MasterokaiCandidate：Li Z ha haokaiSupervisor：Prof.Jiao ShengjieChang’an University,Xi’an,China摘要旋挖钻机是一种以动力头带动钻具旋挖为主，配以起吊、回转、行走、变幅等作业装置，广泛应用于灌注桩作业中的施工机械。
近年来，旋挖钻机的各项技术指标在工程机械领域中有了长足的发展，液压系统作为多项技术指标中最重要的指标之一，其优劣性对系统工作的稳定性有重要的影响。
本文对该型号旋挖钻机的主要液压回路即主卷扬回路、动力头回路、加压油缸回路等进行了工作参数核算和发热功率校核，计算结果表明该系统工作参数都在系统元件的额定范围之内，与其他工况相比较，主卷扬下放工况中，钻杆重力势能全部转化为热能，发热严重；建立了基于AMESim的液压系统仿真模型，对主卷扬下放工况和旋挖加压复合动作两种工况进行了仿真，仿真结果表明主卷扬下放工况和动力头旋挖复合动作工况为系统节流压力损失最大工况；对旋挖钻机液压系统进行了实际作业工况下的实验，结果与理论计算、仿真保持一致，说明了理论计算和建立的仿真模型是正确的；对比计算、仿真和实验的结论，针对动力头旋挖及加压油缸加压的复合动作过程中存在的发热问题，提出了改进方案，给出了液压系统原理图，利用AMESim进行了建模仿真，并且与原系统仿进行了对比，证明了改进方案的可行性，为进一步的研究提供了理论基础。
工程机械液压节能技术的发展研究
为了保证液压系统具有较高的节能效果，需要有关人员综合使用各种节能技术，实现多种节能技术的结合。
1 变量泵控制节能技术实际工作过程中，工程机械往往只有较小的工作空间。
为了降低工程机械的能量损失，最好能够将变量泵和压力感应调节发动机应用到工程机械设计中。
变量泵具有操作方法简单、时效性较强、污染小的特点，因此在实际的工程机械设计中应用较多。
变量泵主要有三种形式，主要是排量控制、LS负载敏感控制以及LUDV控制。
1.1 排量控制这里的排量控制，就是为了达到目标排量而采取正流量控制和负流量控制的方式来实现工程机械排量的控制。
第一，负流量控制。
负流量控制系统最早应用于挖掘机机械，能够最大程度减少旁路节流损失。
和传统的控制方式相比较，负流量控制能最有效降低泵的总流量功率损耗量，并起到了良好的节能减排效果。
第二，正流量控制。
正流量控制系统是在负流量控制系统的基础上进行研发，主要通过对操作手柄压力的变化来调节控制转向阀门。
Rexroth8V 系列主泵的工作原理就是正流量控制原理。
这种形式能够比负流量控制更加智能、节能、环保。
1.2 LS负荷敏感控制LS负荷敏感能够实现输出压力、流量以及负载三者之间的协调配合，进而保证液压系统保持在较高的工作效率下。
但是，此种控制方法在液压阀过大时，会严重影响负荷元件的运动速度，从而在一定程度上破坏液压系统的内部稳定性。
因此，是否使用LS负荷敏感控制主要应该取决于液压系统的内部流量大小。
如果流量过大，则应该选用其他方式。
1.3 LUDV控制LUDV系统是以LS系统为基础进行研发的。
相对于LS 系统，此系统敏感控制的不足性明显减小。
这种系统是单泵回路系统，设置了与之相应的压力补偿阀，负载压力信号的值与整个系统中的极限压力值有着明显关系。
因此，如果在负载变化不明显的情况下，LUDV系统是首选。
图1为常见的能量损耗。
2 混合动力节能技术传统的液压挖掘机动力系统具有较低的工作效率，且通常情况下不与负载相匹配。
挖掘机节能方式详解(内部资料)
一、三种工况节能控制挖掘机是大功率长时间工作的机械，能量消耗很大，燃料消耗量涉及使用成本和经济性，同时与环境负荷密切有关，排放已成为世界性的重大问题不容忽略。
㈠挖掘机存在以下三种工况能量损失1. 操纵阀中位时能量损失工作装置停止作业各操纵阀处于中位，此时液压泵只需供应很少量液压油冲洗润滑系统，使得液压泵处于待命状态，一旦系统要求工作即可快速响应。
中位时液压泵供应压力只需克服管道阻力和为防止气蚀而设的背压，系统压力不高，但变量泵由于采用恒（扭矩）功率控制流量却很大，因此有不小的能量损失，如图1(a)所示。
希望中位时，泵流量和压力都降至最低程度，尽量减少此时的能量损失。
2 .调速和微动操作时能量损失液压挖掘机作业时，工作装置速度调节和精细作业微动操纵控制时，如采用通过控制操纵阀开度进行节流调速，将部分油溢流回油，这部分的能量将损失掉，如图1(b)所示。
希望操纵阀的节流调速改为泵的容积调速，按人控制操纵阀开启程度，自动调节泵的流量，实现根据需要，泵提供相应的流量。
3. 过载溢流能量损失(高压切断)掘削时遇硬石块掘不动，为了防止过载损坏机械，液压安全阀打开，压力油通过安全阀溢流回油箱，其能量损失如图1(c)所示。
此时作用力（即压力）应继续保持，但流量应降至最小程度。
图1 一般挖掘机液压系统能量损失以上这些在使用中产生的能量损失主要是流量损失，而油压力是完成工作所必须的，因此为减少上述能量损失的节能控制，实际上是按需流量控制，使泵流量按实际需要输出，避免不必要的流量损失。
节能控制后的能量损失如图所示。
㈡三种工况节能控制方法：按作业工况和司机操纵情况按需供油目前挖掘机采用液压方法解决三种工况能量损失有以下三种方法：1.负流量控制(中位开式系统采用)泵输出油通过操纵阀阀杆控制将油分成两部分：一部分去液压缸或液压马达，是有效流量，另一部分通过阀中位回油道回油箱，是浪费流量。
要控制这部分浪费油，使它保持在尽可能小的范围内，为此，在操纵阀中位回油道上加一个节流孔，通过节流孔产生压差。
水平定向动力头式全液压钻机节能设计方案研究
台全 液压钻机 主要包 括主机 、动力设 备和操纵 台三个部
能， 压力调定后就应保持恒定不便 。（ ２ ） 给进速度是可 以调节 的 ，
２ ． １回转 节 能 机 构 选择
并应能无级调速 ， 使钻头给进速度 能与机械钻速相适应 。（ ３ ） 给进 全液压节能动力头式节能钻机的 回转机构 ， 就是移动式 回转 行程应尽可能的长 ， 且结构简单 、 工作可靠 、 操作灵活安全 。并应
水 平定 向动力头式全液压钻机节能设计方案研 究
郭旭 叶茂盛 晏剑波 （ 湖北 地建集 团神龙市政建设工程有限公 司 湖北武汉 ４ ３ ０ ０ ０ ０ ）
时， 要求高转速 。国外 的最 高转速以达 ２ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ～３ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； 国
内大致在 １ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ～１ ５ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ，而从处理事故和拧 紧钻 杆的要
型 两类 。Ａ型动 力头 与 Ｂ型 动 力 头相 比 ， 具 有结 构 简单 紧凑 、 工作可靠 、 重 量 轻 和
式全液压钻机。二者相 比较 ， 动力头式全液压钻机具有结构简单 、 重量轻 、 操作简便 、 可以实现无级调速 、 加压给进等优点 ， 工作效率
大大改善。 并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展方向之＿。 综
具； 油 缸 的行 程 和 动力力 头转 速调节范围 ， 取决于地 质条件 、 钻头直径 以及 钻进 倍数油缸给进机构 。 油缸一 方式 。由于是全液压钻机可 以实现无级调 速 ， 马达的调速范围在 链条倍速 给进机构是动力 ８ ｒ ／ ａ ｒ ｉ ｎ ～３ ０ ０ ｒ ／ ａ ｒ ｉ ｎ之间完全满足钻机 的要求 。采用 导向钻杆钻进
搬运方便等优点 。目前 ， 国
旋挖钻机施工工艺及控制
旋挖钻机施工工艺及控制2009-03—03 14:33一前言随着高速公路的迅速发展,钻孔灌注桩运用在公路桥梁基础工程中日益增加，在大中桥梁中的运用显得愈来愈重要，同时也促进了桥梁钻孔灌注桩施工技术的快速发展。
近几年来，旋挖钻机是钻孔灌注桩施工中一种较先进的施工方法，该施工方法主要特点是施工效率高,适用于工期要求紧的工程项目。
在成章互通主线跨省道239桥桩基施工中发挥了充分的作用,同时使现场技术人员掌握了新技术，加块了施工进度，确保了工程质量。
二工程概况成章互通主线跨省道239桥位于常州市武进区嘉泽镇成章南,桥梁角度90°,桥梁全长692.85m。
基础采用钻孔灌注桩，桩径分别为1。
4m、1。
5m，桩长45m、47m、50m、不等，数量为124根。
地基岩土主要以可塑或硬塑状中偏低压缩性粘土、亚粘土、中间夹有中密－密实状态的粉砂层及中密－密实状态的亚砂土层为主。
三设备特点用于桩基施工的旋挖钻机是东明TRM140型，其最大扭矩140KN.m，最大旋挖速度6-23rpm，发动机功率192KW，最大桩径1500mm。
适用于粘性土、粉质土、砂土等土层施工，该钻机通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土,反复循环而成孔，并具有功率大、钻孔速度快、移位方便、定位准确、工作效率高、噪音小、环保的特点。
四工程施工（一）施工方案确定根据该桥址处地质情况、施工工期要求紧、施工场地受到限制、环保等因素，易选用旋挖钻机成孔。
（二）施工准备施工图纸的会审，测量放样，施工场地平整，机械设备、材料的进场。
组织施工人员对施工现场进行深入的调查和研究，收集与施工相关资料，采用合理的施工组织方法，使桩基施工保持连续、均衡、有节奏地进行。
机械设备投入旋挖钻机2台（东明TRM140型）,配备泥浆泵,16~25T汽车吊2台等设备.（三）施工工艺1. 机械就位、护筒埋设施工场地平整处理，保证旋挖钻机底座场地应平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生沉陷。
基于能量回收再利用的液压挖掘机回转系统节能思考
在该系统之中，利用所配置的液压泵或者马达来作为回转 执行元件，这样就可以对回转速度进行实时的控制，也能控制 能量回收系统，可以在系统中加入液压蓄能器，这样就可以保 障对在所形成的回转制动当中所发出的能量进行及时的回收。 液压泵和马达都是可以在四个象限进行工作的元件类型，为此 可以利用对变量液压杆的控制，使其能够使斜盘摆角可以顺利
59
58.3
58.4
58.9
结果表明，在控制液压蓄能器的容积不变的情况下，不断 的回收再利用率也会上升，并当充气的压力值达到16MPa的时 提升预充气的数值，其回转液压系统当中存在的负载转动动能 候，再提升充气压力也基本位置在58%左右。而通过观察，在
科学与信息化2020年4月下 115
工业与信息化
在进行的仿真实验方面可以有效得出结论：当回转的角度 在61-180度之间的位置时，进行回转的速度曲线主要由加速段 和减速段共同组成，在数据当中并没有一个匀速运动的阶段。 随着回转角度的不断变化，使其在进行回转的过程中，也出现 了不同的最高速度值，不断提升回转角度，其需要的最高回转 速度值也在进行着提升[1]。
2 节能型回转液压系统能量回收再利用率的仿真研究 本部分主要对节能型回转液压系统能量回收再利用率进行
了研究： 2.1 建立SimHyraulics模型 在对节能型回转液压系统能量回收再利用率的研究过程中，
首先需要建立起SimHyraulics模型，具体模型如下图1所示[2]。
图1 SimHyraulics模型
TECHNOLOGY AND INFORMATION
预充气压力处于降低状态的时候，不断的对其容积面积进行调 整，就可以实现提升能量回收再利用率的效果。但是当预充气 压力达到一定的范围之后，会造成液压蓄能器的不会再与能量 利用率产生明显的关系。
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【 ｓｒ ｃ Ａｂ ｔａ ｔ】 Ａｃ ｏｄｎ ｏｔ ｅｒｑ ｉ ｍ ｅ ｔ ｆｅ ｅｇ ｏ ｓ ｍｐ ｉｎ ｐ ｓｔ ｎｎ ｃ ｕａ ｙａ ｄｗｏ ｋｅｆ ｉｎ ｙｏ ｃ ｒｉｇ ｔ ｈ ｅ ｕｒ ｅ ｎ ｎ ｒｙ ｃ ｎ ｕ ｔ ， ｏ ｉｏ ｉｇａ ｃ ｒｃ ｎ ｒ ｆｉｅ ｃ ｆ ｏ ｏ ｉ ｃ
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一
种 旋 挖 钻 机 回 转 液 压 系 统 节 能 及 控 制 方 法 研 究
压 及 控 制功 能进 行研 究 。 获得 了广 泛 的应用 。 系统按 控 制 类型 可 分 为泵控 负荷 传 感 系 统 和 阀 控 负 荷 传 感 系 统 ：按 反 馈 控 制 信 号 类 型 可 分
为液 压 、 械 负 荷传 感 系统 和 电液 负荷 传 感 系统 ： 系统 机 按
【 关键 词 】 挖 钻 机 ； 转 系统 ； 能 ； 制 旋 回 节 控
【 ｅ ｏ ｄ ｒｔ ｒ ｒｌ ｇｒ ；ｏ ａｉｇｈ ｄａ ｌ ｙ ｔｍ ； ｎ ｒｙｃ ｎ ｅｖ ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ Ｋ ｙｗ ｒ ｓ】ｏ ａｙｄ ｉｎ ｉ ｒｔｔ ｙ ｒｕｉ ｓ ｓｅ ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｒａ ｉ ； ｅ ｔｅ ｌ ｉ ｇ ｎ ｃ ｏ
中 图 分 类 号 ： ４ ．１ Ｕ４ ５３
文献 标 志码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：０ ０ ０ ３ ２ １ ） ９ ０ ３ ３ １ ０ — ３ Ｘ（ ０ ２ ０ －０ ８ －０
０ 引 言
旋 挖 钻 机 上 车 回 转 系 统 既 可 以 采 用 开 式 系 统 也 可 以 采 用 闭式 系 统 ． 前 通 常 采 用 阀 控 马达 的 开 式 系 统 ． 结 目 再 合 防 反 弹 阀 、 动 阀 等 元 件 ， 成 一 个 回 转 系 统 。 但 这 种 制 构
件 下 实现 泵对 负载 压 力 随动控 制 的 闭环 系统 由于 它具
制动 设 计 将 产 生大 量 的 热 能 ， 导 致 油 温升 过 快 、 多 ， 会 过
对 能 量 的 节 约 、 统 的 效 率 有 很 大 的 不 利 影 响 Ｌ２ 本 文 有 节 能 、 率 高 和 寿 命 长 的 显 著 优 点 ， 现 代 工 程 机 械 中 系 ］ －。 ３ 效 在 根 据 旋 挖 钻 机 上 车 回 转 系 统 的 工 作 特 点 对 回 转 系 统 的 液
一
实现工 程 机械 的 流量 按 需供 给 ， 多余 流 量 ． 工程 机械 无 使
个 主 要 原 因是 ： 压 系 统 输 出 的 流 量 、 力 与 负 载 所 需 在 按 需 供 油 、 节 能 降 耗 以 及 改 善 操 纵 性 等 方 面 取 得 显 著 液 压
Ｓｔ ｙ ｏｎ Ｅｎｅ ｇ ｎｓ ｒ ｔｏｎ ｎｄ ｎｔ ｏ ｅ ｈｏ ｆ ｒ Ｒｏ ａ ｉ ｕｄ ｒ ｙ Ｃｏ ｅ ｖａ ｉ ａ Ｃｏ ｒ ｌ Ｍ ｔ ｄ ｏ ｔ ｔｎｇ Ｈｙ ａ ｌｃ ｄｒ ｕ ｉ
Ｓ ｔ ｍ ｆＲｏ ａ ｙ Ｄｒｌｉ ｇ ｙｓ ｅ ｏ ｔ ｒ ｉｌｎｇ Ｒｉ
ｔ ｈｅ ｏｔ ｉ ｒ ａｔｎｇ ｕｐｐｅｒｐａｒ ｒ ｔ ｄｒｌｎｇ ｉ ｔｏｆ ａ ｏ ａｒ ｙ ｉｉ ｌ ｒｇ， ｔ ｏｔ ｉ ｈｅ ｒ ａｔｎｇ ｈｙｄｒ ｉ ｙｓｔ ａｕｌ ｓ ｃ ｅｍ ａｎｄ ｔ ｈｅ ｌ ｆｏｗ ｃｈａｒ ｈ ｃ ｔ ｏｌ ｔ ｏｆｔ ｅ ｏｎ ｒ ｓｙｓ—
【 摘
要 】 据 旋 挖 钻 机 上 车 回 转 部 分 的 能 耗 、 位 精 度 以 及 工 作 效 率 等 三 方 面 的 要 求 ， 计 了 回 转 液 压 系 统 和 控 制 根 定 设
系统 流程 图 ， 旋挖 钻 机产 品 设计 提供 理 论依 据 ， 降低 能 耗具 有 一定 的应 用价值 。ｉｔ — ｏｎｇ
山西 运城 路桥 有 限 责任 公 司 ， 西 运 城 ０４０ 山 ４０ ０
Ｙｕｎｃｈｅｎｇ Ｒｏａｄ ＆ Ｂｒｄｇｅ ｉ Ｃｏ．Ｌｔ ｄ．ｏｆＳｈａｎｘｉＰｒ ｏｖｉ ｅ， ｕｎｃｈｅｎｇ ｎｃ Ｙ ０４４０００，Ｓｈａｎｘｉ ，Ｃｈｉ ｎａ
ｔ ｅｍ ｅｒ ｗ ｅ ｄｅｓｉ ｇｎｅｄ， ｗ ｈｉ ｃｈ ｃａｎ ｐｒ ｏｖｉ ｄｅ ｈｅｏｒ ｉａｌ ｔ ｅｔｃ ｂａｓｉ ｏｒｄｅｓｉ ｏｔ ｙ ｄｒｌｎｇ ｉ ｓｆ ｇｎ ｏｆｒ ａｒ ｉｉ ｌ ｒｇ． Ｔｈｅ ｒ ｅｓｕｌｓ ｈａｖ ａｐｐｌ ａ— ｔ ｅ ｉ ｃ ｔｏｎ ｖａｌ ｎ ｒ ｉ ｕｅ ｉ ｅｄｕｃｉ ｎｇ ｅｎｅｒ ｇｙ ｃｏｎｓｕｍ ｐ ｉ ｔｏｎ．
压 力 的匹 配 ， 此从 泵与 负 载压 力流 量 的 负荷传 感 控 制 、 因
蓄 能 器 的 能 量 吸 收 与 释 放 补 油 及 电液 比例 主 动 控 制 等 方
面考 虑 回 转系统 新 的 设计 思路 。 １１ 负 荷 传 感 控 制 ．
负荷 传 感 系 统 是 一 个 具 有 压 差 反 馈 ．在 流 量 指 令 条
１ 回 转 系 统 设 计
的主控 制 阀 中位机 能 类 型可 分 为开 心式 负荷 传 感 系统和 闭 心 式 负 荷 传 感 系 统 ， 同 的 中 位 机 能 （ 式 、 式 ） 致 不 开 闭 导
在 回 转 系 统 中 ，液 压 系 统 需 要 满 足 在 三 个 工 况 条 件 相 应 的 不 同 形 式 的 负 荷 传 感 控 制 系 统 ［。 负 荷 传 感 能 够 ４ ］ 下 的 节 能 和 最 终 的 定 位 要 求 。 而 目前 液 压 系统 效 率 低 的