潜孔钻机履带行驶液压驱动系统效率研究

　　0　引言

　　履带式液压行驶驱动装置主要用于钻机的中短距离行走和钻孔移位,行走速度一般较低,液压系统采用恒功率控制。钻机行走所耗功率约占系统总功率的60%,能耗大、系统总效率低,如何提高钻机行走效率、降低能耗、合理确定钻机行走速度的最优效率范围和泵-马达排量参数控制区域是本文研究的主要工作之一。本文在建立泵-马达行走总效率与速度的数学模型基础上,利用MATLAB仿真分析功能,从理论上探讨钻机履带式液压行驶驱动装置在不同工况下泵-马达系统总效率与速度、泵-马达排量比的关系。

　　1　潜孔钻机液压行驶驱动系统的工作原理

　　目前潜孔钻机的行驶驱动装置结构采用典型的“四轮一带”形式,行走部分动力传递选用分置式结构,即发动机带动分动箱,驱动左、右变量泵,经左、右变量马达后传递至轮边减速装置,再经减速后驱动左、右履带使潜孔钻机行走。潜孔钻机行驶液压驱动系统采用双变量泵-双变量马达独立驱动的开式液压回路,左、右行走驱动马达互不干涉,回路可联动,实现潜孔钻机的前进、后退及相应的速度改变,又可分别动作实现不同半径的转向或原地转弯。

　　潜孔钻机液压行驶驱动系统原理如图1所示。在潜孔钻机启动前,多路换向阀5处于中位卸荷状态。在潜孔钻机行走时,插装阀3工作在左位,高压油液通过阀5的下位进入变量马达9,使马达正转;同时,在高压油的控制下,内控阀7左位工作,开启马达刹车装置,高低速选择阀11工作在右位,通过多路换向阀5的高压油,经过梭阀12进入液压马达的柱塞变量缸,使马达处于最大排量,潜孔钻机实现慢速行走。当外控油口K接通时,马达处于最小排量,实现潜孔钻机快速行走。泵在潜孔钻机行走工况下,当负载压力升高到Pc能克服恒功率阀Vc的弹簧预紧力时,恒功率阀Vc通流,此时泵工作在恒功率段。其恒功率调节过程如下[2]:由于有流量通过Vc,则P00,泵变量机构进入恒功率段。由于PD的作用,当主动变量缸中活塞作用力FD>Fd(被动变量缸中活塞作用力)时,推动斜盘角度θc变小,泵的排量也跟着减少;与此同时,通过变量缸的机械反馈,使Vc的弹簧预紧力等效地增大,从而在泵的斜盘与Vc之间形成一个位移(角度)-力反馈,最终使θc稳定在某一个平衡角度上,由此实现泵的恒功率功能。

　　2　潜孔钻机行走工况下变量泵的效率建模与分析

　　根据泵相关理论,推导出的变量泵容积效率ηpv和机械效率ηpt分别为:

　　式中:Cs为层流泄漏系数;Δp为泵进/出口压差,Pa;μ为油液动力黏度,Pa·s;np为泵转速,r/min;βp为泵的排量比,泵实时排量与泵最大排量之比值;Cv为层流阻力系数;Cf为机械阻力系数;Tc为与进/出口压差和转速无关的扭矩损失,N·m;Vpmax为泵最大排量,cm3/r;ηp为泵的总效率。