潜孔钻机回转液压系统键合图模型的仿真研究

潜孔钻机回转液压系统键合图模型的仿真研究

潜孔钻机回转液压系统键合图模型的仿真研究

赵宏强

1,2

高斌 李美香

11

何清华1,2

(1.中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083

2.湖南山河智能机械股份有限公司技术中心，湖南 长沙 星沙开发区 410100）

摘 要： 考虑到液压系统建模的特点，选择了利用功率键合图法建立潜孔钻机回转液压系统的键合图模型，根据键合图变量间的逻辑关系，得到了系统的数学模型。在此基础上，利用MATLAB提供的Simulink软件包对数学模型进行了动态仿真，得到了泵的流量阶跃响应曲线和不同负载作用下马达进口压力曲线，仿真结果分析表明所建立模型的正确性，这为潜孔钻机回转液压系统的性能评估和优化设计提供了一个新的途径。 关键词：潜孔钻机；回转液压系统；建模；功率键合图；动态仿真

中图分类号：TH137 文件标示码：A

Simulation on Power Bond Graph of Rotating Hydraulic System

in Down-The-Hole Drill

ZHAO Hong-Qiang1,2, GAO Bin1, LI

Mei-Xiang1 HE Qing-Hua1,2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, 410083, Changsha, Hunan;

2. Sunward R&D Center, 410100, Xingsha, Changsha, Hunan, China)

Abstract：Considering the specialty of hydraulic system modeling, choose power bond graph as the method of modeling. Established the power bond graph model, based on logistical relations amongst system variable, the mathematical model is exploited. On this condition, the step response of pump outlet flux and the inlet pressure changing curves of hydraulic motor are obtained by using Simulink TM, and these results proved the truth of the model. The results provide a new method for the performance evaluation and optimization design of this system.

Key words: DTH Drill; Rotating Hydraulic

System; Modeling; Power Bond Graph; Dynamic Simulation

潜孔钻机是凿岩矿物和岩石的一种工程机械，它不仅广泛地应用于冶金、煤炭、化

工等矿山机械生产中，而且也是地质、建筑、水电、交通和军事等工程部门施工中的主要设备。回转液压系统是潜孔钻机的重要的工作部分，其性能决定了整机的工作效率和负载能力。潜孔钻机在工作过程中，系统的负载处于动态变化状态，因此，对于液压系统，仅按照静态过程进行设计，往往不能很好的满

足系统的需要，系统的动态性能优劣决定了机构的工作质量和可靠性。建立回转液压系

统的数学模型并进行仿真是研究该系统动态特性的有效方法。

由于液压系统通常都是非线性系统，与其它建模方法相比，采用功率键合图法能详尽的描述液压系统模型，与系统实际特征更相符，从而可更全面、更准确的揭示系统的动态特性及其各部分的动态变化规律，并能方便的由键合图推导

出系统的数学模型[1]。本文正是在分析回转液压系统的工作原理的基础上，建立了系统的功率键合图模型，并对得到的数学模型进行了数字仿真，得到了不同负载下系统压力的变化规律。

1 回转系统的构成及其液压系统

潜孔钻机回转液压系统主要由动力源、变量泵、多路换向阀、液压马达等组成，其液压系统如图1所示。系统的动力源可选择柴油机或电动机驱动，在启动系统后，在控制油路的作用下，液控多路换

向阀3工作在上位，变量泵1提供的压力油通过换向阀为液压马达5提供动力，液压马达通过减速器带动钻杆转动，钻头在主机高风压的作用下进行冲击凿孔。潜孔钻机在工作过程中，经常遇到卡钻现象，当卡钻出现时，马达负载突然增大或减小，导致液压系统压力出现响应突变，产生冲击、噪声，甚至损坏液压元件。由于回转系统是直接工作机构，因此，其液压系统工作性能的优良对整个潜孔钻机的工作效率及整

机性能的影响是至关重要的。

变量泵 2 溢流阀 3 多路换向阀 4 液压马达 5 安全阀

图1 潜孔钻机回转液压系统原理图 Fig.1 Rotating hydraulic system in DTH drill

2 回转液压系统数学模型的建立

潜孔钻机在工作过程中，出现卡钻现象时，可通过控制油路控制主机推进系统的提升来消除卡钻，卡钻现象消失后，钻杆重新推进恢复钻孔作业。在这

个过程中，回转液压系统的压力流量变化剧烈，在设计系统时，总希望整个过程能平稳过渡，且能快速地达到稳定状态，这样一方面能减少冲击、振动和噪声，另一方面可以提高系统的快速性和稳定

性。为此，建立一个系统的动态仿真模型，对系统进行即时动态仿真分析研究，可以大大提高系统设计的效率，也可以在系统付诸实际前对系统进行参数优化和改进。 功率键合图可用于表示系统中的功率流

程，在动态过程中，表示功率的流向、汇集、分配和能量转换等。把系统看出相互作用的多个子系统，它们之间在其相互连接的地方（通口）进行功率传递，按系统中各部分的物理规律建立相应子系统的动力学模型，然后将各子系统的功率键合图按照一定的规律连接起来，就形成系统完整的功率键合图模型。根据功率键合图的规则及回转液压系统的工作原理，建立如图2所示的系统功率键合图。

图2中，虚线框内部分为系统采用的A10V

泵键合图模型[2,3]，泵出口至系统的压力为P。通过多路换向阀3控制流入马达的流量，以驱动负荷。通过换向阀时，存在阀内液阻Rsy导

致的压力损失Psy，为流

变量相等的1结点；马达进口油路上有安全阀2，此时构成力变量相等的0结点；马达为执行元件，用来向外输出动力，则构成力矩平衡方程，即马达进出口压差产生的驱动力矩等于马达转动惯性力及外负载力产生的力

矩之和，构成势变量代数和为零的1结点；马达出口经换向阀流回油箱，存在阀内液阻R

ze

导致的压力损失P，构

ze成流变量相等的1结点。

RsyΔPsyRre2Fm1TFvmm1ILFm3v0PmQm1mRre1RLPCpQ11Q12SwTnRz1TFvPsQsQ16vF1F161F11I1F15F12F14F13Rf1K1P4TFQ4A211PP21R6P210QqvF33RjCLP11Q131P1Qp Rre3PzvFm2mQ210Q24A4TFQ22Q23A5TF0Q151P4TFmQ31Pc1P7R702Q14A3TFF17A1TFRBRf2vF22RzeΔPze1Pc4SPcRz2F26F25CK2F211F24P5Pc2P6F22F23TAF6Ck1K2F31F321Rz3F36CK3F35SPcI30I2R1SPcR2Q41Q511F33K3F34Rf31Pc3SPc图2 回转液压系统键合图模型

Fig.1 Power bond graph of the rotating hydraulic system in DTH drill

由功率键合图可以确定系统状态参量和状态方程，根据键合

可方便的推导系统的数学模型。由于在功率键合图的诸元中，只有

图变量间的逻辑关系，惯性元I和容性元C各

自的两个变量之间才有微积分关系，因此取

I塞、负载敏感阀、压力

V、V补偿阀芯的位移；

1121元和C元上的自变量

——泵压油腔、泵到马达之间管道因油液压缩而补充的容积；

H11、H23、H32、Hm为积分状态变量，在本系统中，这些变量共有九

个

，

即

v1、v2、v3、Q11、Q21、F11、F23、F32、Fm3——变量

；它们的积分则是九个状

态

变

量

活塞、负载敏感阀、压力调节阀的动量及液压马达的转动惯量。建

X1、X2、X3、V11、V21、H11、H23、H32、Hm，它们的含义分别为：立系统的数学模型如

下： X1、X2、X3——变量活

X1•H11I1H23I2H32I3

（1）

X2•

（2）

X3•

2(pspq)A3H23psp4HA111I2RBI1（3）

V11k(X1maxX1)ncdwxj•

（4）

V21cdwxj•2(pspq)pqpcA5H32A4H23Hmm1pmp()ILRre2R6I3I2Rre1

H11pSA1Rf1I1gp4A2k1X1Ck1X1•kppscos2Rz1H11I1

（6）

H23pSA3pqA4k2X2Ck2X2Rf2I2gRz2•H23I2H32I3

（7）

H32pqA5pcA6k3X3Rf3I3gCk3X3Rz3•

（8）

Hm(•1V21Psy)m1(Pc1Pze)m2CL

3 动态仿真结果及分析

（9）

其中一些参数，如

X1、X、X分别是活

23塞弹簧，负载敏感阀弹簧和压力补偿阀弹簧的预紧量；为变量泵斜盘角度，l为斜盘与

1系统动态特性仿真就是利用计算机来分析系统动态数学模型以便求得其动态响应的过程。本文采用

活塞连杆长度，其它如

kdp、c、w、k均为系数。 MATLAB/Simulink软

件作为动态特性的仿真工具，在软件环境下，根据系统参数值进行初始化及赋值，并进行仿真计算。为了正确求解模型，考虑到液压系统的非线性和仿真过程中所遇到的刚性问题，采用了软件中自带的函数ode15s来求解状态方程组。 将泵的系统结构参数和其它系统参数代入方程后运行仿真，首先对系统采用的变量泵的动态响应进行分析。图3是系统A10V变量泵出口流量的阶跃响应曲线。由图可知，

系统在负载变化后约220 ms便到达稳定状态，震荡次数少，调节能力较强；响应速度快，超调量较大。但由仿真可知，系统中泵的动态特性基本满意，这对研究整个系统的动态特性来说，有了一个较好的基础。

图3 泵出口流量的阶跃响应曲线 Fig.3 Step response of pump outlet flux

图3 负载变化时马达进口压力变化曲线 Fig.3 Step response of pump outlet flux

液压马达作为系统的执行机构，对其输入压力波动情况的研究也十分必要，马达输入负载传感功能的作用下，马达进口压力随负载增大而增大，同时由仿真可知，换向阀进出口压差并不随负载的变化而变化，说明在泵的负载传感功能作用下，系统的控制过程不受负载变动的影响。

压力的波动影响着马达工作的稳定性与工作性能。当负载变化时，马达进口压力变化

的情况如图4所示，图中从下往上的三条压力曲线对应的负载变化逐步增大，由图知，负载变化带来系统压力变化时，在泵的仿真结果表明，在一般正常工作负载范围内，负载增大，压力的波动也相对变大，其超调量与稳定时间也相应增大，但总体来说，系统的响应速度快，峰值也在设计计算范围内。

4 结论

通过功率键合图法对系统进行建模，得到了系统的数学模型，利用MATLAB软件对得到的数学模型进行了仿真，得到了泵出口流量阶跃响应曲线及马达进口压力随负载变化的响应曲线，结果分析表明，系统采用的变量泵具有较好的动态响应特性，同时，系统的负载传感功能能很好应对负载的变化，响

参 考 文 献

[1] 张亚辉. 液压系统的键合图建模法[J]. 湘潭大学自然科学学报，2000（4）：101～104 [2] 柳波,鲁湖斌,何清华等.变量泵功率匹配控制系统的动态仿真研究[J].机械科学与技术,2007(1):104-107.

[3]莫波，雷明，曹泛. 恒功率恒压泵变量机构的

应速度快，性能良好。同时说明了采用功率键合图建模法层次清楚，且能包容液压系统的非线性，能准确反映潜孔钻机回转液压系统的动态特性，具有较高的精度，这使得对潜孔钻机回转液压系统的研究和分析变得简单方便，为研究系统参数对系统特性的影响、优化系统设计具有重要意义。

调节原理[J]. 液压与气动，2002（6）：5～6

[基金项目] 湖南省重大科技专项项目(05GK1001).

[作者简介] 赵宏强（1969－），男（汉族），湖南邵阳人，博士后，副研究员，硕士生导师，中南大学机电工程学院副教授，主要从事液压传动与控制、工程机械机电液一体化技术等方面的研究开发与应用工作。