坑道钻机变频调速系统设计及仿真_李庚午.pdf

坑道钻机变频调速系统设计及仿真李庚午（山西焦煤西山煤电官地矿，山西太原030053）摘要：通过对 ZDY 型坑道钻机的实际运行工况进行分析，并基于液压回转回路系统进行变频调速设计，通过在不同负载条件下控制液压系统流量对坑道钻机输出速度以及输出转矩进行灵活调节。通过仿真分析可以看出，该控制系统在遭遇突变负载时能够快速进行自适应调节，调节速度较快，可以满足实际钻探需要。关键词：坑道钻机回转回路变频调速AMESim中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0008-02引言矿用 ZDY 型坑道钻机作为井下常用的钻孔设备，具有设计结构简单、运行平稳、操作简单且噪声小等特点。坑道钻机主要应用于地质构造探明以及瓦斯抽放、探放水等方面。近年来，煤矿机械不断朝着智能化方向发展，而坑道钻井设备在钻探工艺以及制造水平上已得到很大提高，因此本文通过对坑道钻机变频调速系统设计来对坑道钻机设备进行优化改进，提高钻机设备的智能化水平。1坑道钻机实际参数及效率计算以 ZDY-1200 型坑道钻机为例，具体参数如表 1所示。在坑道钻机实际使用过程中要求整机效率 不应低于 40%，计算公式如下：=P1P2100%.（1）式中：P2为坑道钻机的电机输入功率；P1为坑道钻机实际回转轴的输出功率。对于坑道钻机输入功率的测定可以通过三相电功率测量仪测得，具体计算公式为：P2=3UI10-3cos.（2）式中：U 为坑道钻机电机的额定电压值；I 为坑道钻机电机的额定电流值；cos 为设定工况下的功率因数。而 P1即坑道钻机实际回转轴的输出功率计算公式为：P1=N30L.（3）式中：L 为坑道钻机的电机回转器主轴转矩；N 为坑道钻机的电机回转主轴转速。2坑道钻机变频调速系统设计通过上述坑道钻机效率计算可以看出，该设备进行能量传递时首先会将电机内的电能转化为机械能，通过推动液压油缸内推杆工作将机械能转化为液压能，再由液压马达转化为机械能进行坑道钻机运行。因此，对坑道钻机进行变频调速设计，首先要考虑对液压泵站控制方式进行优化设计。2.1液压泵站控制系统基于上述分析，对坑道钻机变频调速系统设计总体上是进行液压系统的变频调速设计，其控制流程图如图 1 所示1，可以看出，液压泵站在出口处设计有压力传感器，通过传感器对出口压力进行监测，监测到的数据信号可通过 A/D转换进入控制器，同时液压油缸驱动坑道钻机运行的速度以及承受负载值也可通过速度传感器、力矩传感器进行数据监测，分别传入控制器后由控制器进行分析处理，从而依据实际运行需要进行电机调速设计。坑道钻机的液压控制系统还包括会展给进装置、行走机构以及负载机构等部分，其中回转给进装置对液压供油量进行控制时只受泵的转速影响，通过变频电机带定量泵进行回路控制时能有效减少油量溢流损失，从而达到节能目的；行走机构是为适应井下复杂恶劣的工作环境，通过设置低速大转矩、原地转向结构对井下环境进行适应。因此行走机构在设计过程收稿日期：2022-04-01作者简介：李庚午（1990），男，辽宁阜新人，本科，毕业于太原理工大学采矿工程专业，机电助理工程师，从事井下钻探工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.003型号ZDY-1200钻孔深度/m300/200整机质量/kg1 360破碎方式冲击回转式钻机钻孔直径/mm75115电机功率/kW22额定转矩/（N m）1 200额定转速/（r min-1）80280钻杆直径/mm4250电机额定功率/kW22系统额定压力/MPa21钻机尺寸/（mmmmmm）1 9707101 460表 1ZDY-1200 坑道钻机参数图 1液压控制系统运行流程A/D速度、力传感器泵 1液压缸控制器D/A变频器电动机泵 2负载 2马达电机转速反馈A/D速度、扭矩传感器负载 1给定信号试验研究2023 年第 2 期图 2回转液压回路仿真模拟图示图 4液压泵出口压力随时间变化曲线图0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5103动力头转矩/（N m）0246810时间/s25201510500246810时间/s泵出口压力/MPa图 3动力头转矩随时间变化曲线图中可通过定量泵+敏感阀+变量泵的结构来增强对液压行走马达的转向调节效果。2.2回转给进装置设计及负载特性分析由于坑道钻探工艺要求回转机构在设计时要能够进行大范围转向调节，以适应不同的钻探需要；同时需设计双向回转功能来满足特殊工况下的钻探需求；还需设置足够大的运行转矩来适应负载的变化。因此对坑道钻机回转液压系统控制要具备适应能力强、可进行变频调速、反应速度快等特点。坑道钻机进行钻探过程中由于钻探地层的岩性具有随机性，钻探过程中回转钻杆、孔壁摩擦负载以及钻头切削岩层时的负载均存在很大不确定性以及复杂性。因此坑道钻机负载随机性较强的情况下对回转速度的变频调速稳定性就有很大挑战。整体来说，在坑道钻机复杂运行工况下确保负载进行小范围随机变化，首先要确保执行元件的输出速度稳定性。当遭遇大负载时，液压控制系统能够及时调节坑道钻机的输出速度以及输出转矩，可通过控制液压系统流量减慢对速度钻机输出速度力矩进行调节；同样当负载较小时，钻探过程相对容易，可通过增加液压流量供给来提高转速力矩，快速进行钻探作业。因此液压系统可通过上述调控方式依据负载变化情况进行压力调节、速度适应。3仿真试验模拟3.1模型建立依据上述液压控制系统设定流程，通过 AMESim仿真软件建立坑道钻机的液压回路模型，如图2所示2。该液压回路通过增设缓冲阀以及平衡阀来缓冲负载突变时造成的液压回路系统波动，可以确保在负载突变时，液压系统的波动范围较小且能够很快趋于稳定，可以适应各类复杂工况下的钻探过程。同时基于普通液压给进回路在遭遇负载突变时造成的大幅度震荡情况，很容易使得超载情况下液压系统进行反向工作，造成液压元件的损伤以及坑道钻机钻孔效率大幅下降。因此通过增设液压锁机构来进行调节，可在超载情况下确保系统进行正常工作，增强液压回路在复杂工况下的适应能力。3.2变频调速仿真分析首先进行恒转矩调速试验，通过监测液压系统稳定运行时泵排量的变化情况来对出口压力以及动力头转矩进行监测。泵排量数值分别设计为 0.10.8（实时排量与最大排量之比），随仿真时长均匀增大。仿真时长设计为 10 s，其中动力头转矩变化曲线如图 3 所示，液压泵出口压力随时间变化曲线如图 4 所示3。由图 3 可以看出，动力头转矩随仿真时间的延长，整体并没有明显变化，波动情况较小，基本保持在4 000 N m，也就是泵排量变化并不会对输出转矩造成明显影响；同时由图 4 可以看出，泵的出口压力同样保持在 20 MPa 左右，也不随泵排量的变化而出现大幅波动效果。结合图 3、图 4 可以看出，在增大泵排量的过程中，动力头转矩的波动性较小，基本保持不变，实现了恒转矩调速效果。可以保证液压马达的低速大转矩输出效果。同理进行恒功率调速仿真试验，将泵排量设定为随仿真耗时减小，对动力头输出转矩以及液压泵出口压力进行观测。具体试验结果与恒转矩调速基本相近，前 4 s 动力头输出转矩波动较小基本保持不变，区别在于后续仿真过程中，泵出口压力大于安全阀设定值，安全阀溢流，也就是恒功率调节过程中调速范围较窄。因此可以得出结论，在大突变负载条件下利用恒转矩调速进行调节，可以确保系统低速大转矩运行；小负载时利用恒功率调速可以快（下转第 13 页）李庚午：坑道钻机变频调速系统设计及仿真92023 年第 2 期其关节持续输出转矩均满足要求，即48 N m。因此，在尺寸设计阶段，还需考虑四足机动平台的能耗水平，即根据选取最小能耗下的最优尺寸，通过仿真计算，得到了不同轴距组下的单腿髋关节和膝关节在完成 8 s 时域下的能耗水平，如图 12 所示。通过上述计算分析，从待选组合中得到了尺寸最优组合，分别是最大轴距和非最大轴距两组。能耗最低组合见表 1。4结论通过对轮足式机动平台进行运动学分析，得了到不同腿长组合下的足端可达区域面积，选用不同参数组合下的构型方案并进行正交化实验分析，采用能量消耗作为评价指标，得到了能耗最低的组合方案。参考文献1刘帅，赵慧，刘清宇.四足机器人软硬地面稳定过渡的腿部主动变刚度调节策略J.工程科学学报，2022，44（3）：420-429.2郭建，赵易，徐镔滨.基于足端轨迹规划的四足机器人运动学分析与仿真J.机床与液压，2021，49（23）：48-53.3刘强，张凯，魏博烽，等.Simulink 与 Webots 环境下四足机器人仿脊髓控制研究J.科学技术创新，2021，（35）：54-57.4李岸荞，王志成，古勇，等.基于深度强化学习的四足机器人后空翻动作生成方法J.导航定位与授时，2021（6）：35-42.（编辑：王慧芳）Research on Leg Length of Wheeled Foot Robot Based on Orthogonal Experiment and EnergyConsumptionZhang Faguang,Li Ting,Li Guohua,Fan Cong（Shandong Guoshun Construction Group Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250300）Abstract:With reference to the bionic principle,the topology and kinematics of the wheel-footed robot were analyzed with reference to itsstructural characteristics;orthogonal experiments were used to simulate and analyze the leg lengths,and the combination of leg lengths withthe lowest energy consumption was obtained based on energy consumption as the evaluation index.It provides a new reference for thedetermination of leg lengths of wheel-footed robots.Key words:wheeled-footed robot;orthogonal experiment;energy consumption;combination轴距大腿小腿700300290图 12不同轴距下最小能耗水平0.420.400.380.360.340.320.301020304050600序号能耗/Wh序号 1.8表 1能耗最低组合mm速提高转速，同时进行小转矩输出，提高钻探效率。通过实际工况中遭遇的具体突变负载值，依据控制系统进行速度调节，来确保坑道钻机设备的高效运行。4结语通过对坑道钻机变频调速系统进行仿真模拟看出，在控制系统遭遇突变负载时，回转机构以及给进机构的速度和压力会出现一定波动值，但能够得到快速调节并趋于稳定，大概耗时 0.3 s，调节速度较快，可以满足井下实际工作需要；在负载减小时，又可调节运行速度至正常水平。因此该控制系统在复杂工况下的适应效果较强，可以满足坑道钻机实际钻探需要。通过对坑道钻机进行变频调速控制系统设计，提高了坑道钻机设备的运行效率，降低了维修费用，也极大促进了煤矿机械设备的智能化发展进程。参考文献1许海龙.ZDY型全液压坑道钻机整机效率影响因素分析及节能措施J.煤矿机械，2016（4）：70-72.2崔婧，李晓倩.基于 AMESIM的全液压坑道钻机液压系统仿真分析J.山东煤炭科技，2016（5）：131-133；135.3殷新胜，田