KTY5000动力头钻机进给液压系统控制方法研究

丁业升 魏 玮

(1.武桥重工集团，湖北 武汉 430056；2.仁和集团，湖北 武汉 430056)

0 前言

KTY5000动力头钻机是中铁大桥局集团为福建平潭海峡公铁两用大桥项目的基础建设，依托武桥重工集团研发制造的一种用于大直径基础钻孔施工，具有大扭矩、大直径全断面钻岩成孔能力的全液压工程钻机，其钻孔直径可达5.0m，钻进深度可达180m。近几年来，随着大型桥梁建设的发展趋势，传统的KTY钻机系列已不能满足大直径钻孔灌注桩基础施工能力的需求，因此，开发具有大扭矩、大直径全断面钻岩成孔能力的全液压工程钻机是钻机技术发展的必然趋势，开展钻机液压控制系统控制理论优化研究具有十分重要的意义。

1 动力头钻机进给液压系统特性分析

1.1 负荷特性分析

KTY5000动力头钻机施工区域地质结构主要以侵入岩、火成岩等硬质岩为主，基岩埋藏整体较浅，岩质硬且基岩起伏较大，不同地段场地类别相差较大，故钻机在施工过程中负荷具有以下特点：

1）负荷波动较大、负载多变；2）负载中主要以阶跃载荷和突变载荷为主。

1.2 变量泵特性分析

对变量泵排量的控制是钻机进给液压控制系统的关键参数之一[4-5]。变量泵的排量调节决定着电机的输出功率能否被充分吸收。由泵与电机之间的关系式1可知：

Dp主要由外负载决定，电机转速n由工作所选类型决定，按照电机的额定工况可知，则有一最佳液压泵排量控制目标值V，使泵充分吸收电机输出功率，且满足负荷的需要。据相关文献研究[1-2]，变量泵在低转速时，泵的容积效率ηv较低，泄漏量大；转速n在中高速范围内，泵的容积效率ηv趋向平稳并保持最高值，其泄漏量少；在中低速转速范围内容积效率ηv随转速增加而平缓增加，容积效率随工作压力升高而降低，但与转速n的关系趋势不变。

由上述特性分析可知，针对钻机进给液压控制系统的变负荷工况特点，其变量泵的变量范围控制在βb=0.5～1范围内，尽量使泵在高效率的压力范围内工作。

2 动力头钻机进给液压系统控制原理与策略

由钻机负荷特性分析可知，钻机动力头进给时必须具备的条件有：1）钻进压力无级可调；2）钻机在正常工作时具有足够的提拔力；3）对应不同的负载，速度可调；4）进给系统节能、可靠、高效[1-2]。

根据上述条件，KTY5000动力头钻机进给液压系统控制策略如下，采用液压比例控制变量泵作为控制动力源，采用液控换向阀实现动力头下降与提升，利用平衡阀、溢流阀组成的远程调压系统以及PLC控制器实现钻机动力头自动钻进功能。其原理为：钻机在外载荷下，钻具的重量提供破碎岩层的压力，钻进时系统通过控制两提放油缸可提起钻具部分重量，通过变量泵、PLC控制器以及负载压力组成的闭环控制系统，实现当前最佳破岩压力控制，达到自动钻进作业工况，也充分利用了钻具的铅垂作用，保证钻孔的垂直精确度。如图1液压系统原理图。

图1 进给液压系统原理图

3 自动钻进控制方法

目前全液压工程钻机进给液压系统均采用变量泵、液压阀，进给油缸组成的开式系统。钻机是典型的非标准工程机械，其钻机进液压系统在变负荷的工况下，如何实现液压泵输出功率与负载匹配是实现动力头自动钻进关键所在。

3.1 参考模型自适应控制原理

参考模型自适应控制(Model Reference Adaptive Control)原理如图2所示，由参考模型、常规反馈控制、被控对象、自适应控制率四部分构成。参考模型的输出Ym(t)代表系统希望的动态响应，即用理想（优化）模型的输出来表示对系统性能的要求。由Ym(t)与被控对象的实际输出Y(t)之间的误差e(t)驱动自适应机构来调节控制器参数，使Y(t)接近Ym(t)[3-5]。

图2 模型参考自适应控制原理

3.2 控制方法实现方案

3.2.1 参考模型的建立

变量泵，自动钻进油缸以及负载所构成的系统是一个结构确定而参数变化且干扰剧烈的系统，系统主要控制参数为自动钻进压力p，以及泵控流量q。通过对变化参数(p,q)建立优化模型，即优化模型是一组，分别对应不同的模型，参数在每一段范围内的变化，模型是确定的。

3.2.2 实现方案

由图3分析可知，钻机在钻进工况作业过程中，其负荷多变，加上钻机整机在存着惯性大、高非线性、滞后等不利因素，使得建立变量泵、控制阀、油缸以及负载之间的数学模型相当复杂。通过建立理想的参考模型，构建如图3所示的自动钻进控制系统，能够在线实时的调整系统关键参数（p、q）使变量泵输出功率与负载相匹配，达到自动钻进作业工况的实现。

图3 自动钻进控制实现方案

如图4所示，为其控制流程图，设定当前地质层压力值为目标压力值P0,通过计算设定当前地质层压力值P0与在外载荷作用下的实测压力值Pa之差值。

图4 自动钻进控制流程图

△P来判别自动钻进工作状态。根据不同的地质结构层，对钻机自动钻进工况设计了三种不同的工况，分别为重载荷、轻载荷以及怠载荷状态。不同的载荷对应分别对应不同的△P范围，进而对应不同的变量泵排量比βb。

4 结论

本文在分析了KTY5000动力头钻机的作业负荷特性的基础上，结合动力头钻机进给液压系统控制原理，提出以变量泵、控制阀、进给油缸以及负荷所组成的非线性控制系统作为研究对象，并给出了一种新的动力头自动钻进控制策略以及实现方法。

对此参考模型自适应自动钻进控制系统需要通过仿真和实验研究，确定系统的稳定性，找出其自适应自动钻进的最优控制算法。

通过本文的初步探讨，对理解和开发具有大扭矩、大直径全断面钻岩成孔能力的全液压工程钻机液压控制系统控制理论优化研究具有十分重要的意义。

［1］姚怀新.行走机械液压传动与控制[M].人民交通出版社，2002-01.

［2］刘特，等.基于AMEsim的钻机进给液压系统的仿真分析[J].中国科技论文在线，2009.

［3］Zhao Dingxuan,Shang Tao,Zhang Hongyan.Study on Planning and Testing for Fuzzy Saving Control of a Hydraulic Excavator[J].China Mechanical Engineering，2006,02（16）.

［4］姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理[M].人民交通出版社，2006,10.

［5］国香恩.液压挖掘机节能模糊控制系统研究[D].吉林大学，2005.