旋挖钻机主卷扬势能回收节能技术研究

朱建新 ，王 鹏 ，吴 慧 ，朱振新

1 引言

旋挖钻机作为一种高端大功率桩基施工机械。目前，旋挖钻机节能技术研究主要集中在以下几个方面：在高效元件的应用方面，比如使用搭载电控燃油喷射系统的发动机，实现了输出功率的电子化控制，可以自动将发动机稳定在某个转速下而避免了发动机转速剧烈波动造成的功率损失，不仅可以降低油耗，而且降低了尾气中污染化合物的含量，提高了发动机的尾气排放质量；在功率匹配控制方面，良好的局部功率匹配控制以及合理的全局功率匹配控制均有利于液压系统吸收发动机的输出功率，提高了发动机输出功率的有效利用率；在液压系统的优化设计方面，通过优化管路布置和液压元件合理选型等方式可以降低液压管路中的沿程压损以及液压元件处的局部压力损失；在典型工况下的节能技术应用方面，进行了诸如主卷扬下放工况中的势能以及平台回转制动工况中的动能回收利用的研究。

旋挖钻机中主卷扬系统主要用于钻杆钻具的提升和下放，由于其循环钻进的工况特点，导致主卷扬系统工作非常频繁，而且系统工作功率大，发动机耗油多，对其进行节能控制研究是旋挖钻机综合节能控制研究的一个重点。因此针对旋挖钻机主卷扬下放工况中巨量势能损失的问题，在研究现有卷扬节能技术的基础上，提出一种全新的主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统方案，并对其进行理论、仿真及试验研究。

2 主卷扬节能系统方案研究

2.1 钻杆下放重力势能计算

SWDM-28型旋挖钻机搭载的钻杆总重14633kg，各节尺寸和重量，如表1所示。

表1 钻杆各节尺寸及重量表Tab.1 Dimensions and Weights of Drill Pipe Sections

旋挖钻机在工程施工时，孔内充满了调制好的泥浆，钻具下放时将受到浮力和流体阻力的作用，导致了一部分的势能消耗，其下放过程分为孔外下放和孔内下放两个阶段，孔外下放又分为自由下放和匀速下放两个状态，孔内下放又分为钻具入孔和钻具完全入孔两个状态，以上述钻杆钻具为例，计算主卷扬下放过程中系统的负载力和可利用势能，如图1所示。

图1 可利用势能与下放距离关系曲线Fig.1 Relationship Between Potential Energy and Decentralization Distance

下放过程中负载力呈阶跃性变小，最大负载力为（1.68×105）N，最小为（2.2×104）N。由图可知在主卷扬下放的过程中可回收势能随着下放距离的加大而增多，当下放距离为60m时，可利用势，能达到了（7×106）J；即使下放距离仅为10m时，可利用势能也达到了（1.6×106）J。

2.2 势能回收利用系统设计

旋挖钻机主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统方案，其液压原理图，如图2所示。在保证旋挖钻机主卷扬系统操作性能的前提下，使系统能够尽可能多的利用负载下放释放出的势能。

液压系统具有普通下放和势能回收与实时利用两种工作模式，通过电磁换向阀5进行切换，在卷扬微动或者短距离下放时，可以选用普通下放模式，此时电磁换向阀5得电左位工作，马达回油通过主阀直接回油箱，系统与常规卷扬系统并无差异。在势能回收与实时利用模式下，主卷扬下放时，电磁换向阀5失电右位工作，先导泵提供的压力油进入到主阀3的b口，在辅助油路中，先导b口压力油通过梭阀8控制液控换向阀9左位工作，进入机械制动器12，解除减速机机械制动，减速机可以转动；在主油路中，阀3右位工作，压力油经阀3进入到平台左侧马达A口和右侧马达B口，同时从主油路中引出的压力油进入到阀6的先导控制口打开平衡阀，压力油经过马达时，钻杆钻具对马达做功，将重物下放释放的重力势能转换为液压油的压力能使油压升高，然后压力油通过阀6，再推开单向阀14，进入到副泵18，此时泵的变量机构作用将副泵18将其切换到马达工况，二次元件泵/马达18将压力能转化为机械能，传递给发动机，发动机在外部功率输入之后，电控喷油系统自动减小或者停止喷油，达到减少自身功率输出的目的。

图2 主卷扬势能回收与利用节能系统液压原理图Fig.2 The Main Hoist Recover and Energy-Saving System Hydraulic Schematic Diagram

在下放开始时，二次元件泵/马达18排量还较小，蓄能器17可以储存油液，提供较低的回油背压，提高卷扬下放加速度从而达到提高工作效率的目的，随着卷扬下放速度达到预定值以后，二次元件泵/马达18开始以马达工况稳定工作为发动机输入扭矩，此时蓄能器还可以继续储存一部分多余的能量，然后在下放过程后期将能量释放至系统中，提高下放过程中的综合势能利用效率，降低整机工作的综合油耗。

综上所述，在主卷扬稳定下放阶段，发动机将工作在零功率或低功率输出的状态，故搭载主卷扬势能实时回收再利用系统的旋挖钻机具有优秀的节能效率。

3 液压系统建模仿真

AMESim软件仿真时系统模型均被参数化，在仿真过程中根据实际的产品尺寸和经验数据输入需要的各种参数。简单列举，如表2所示。参照主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统液压原理图，利用AMESim建立的主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统仿真模型，如图3所示。

表2 M7阀仿真参数设置Tab.2 M7 Valve Simulation Parameter Settings

图3 势能回收与实时利用节能系统总体仿真模型Fig.3 Potential Energy Recovery and Real-Time Utilizationof Energy Saving System Simulation Model

设定主卷扬下放速度为0.8m/s，加速下放时间为1.5s，仿真下放时间为110s，设定仿真步长为100Hz，主卷扬下放过程中卷扬马达进出油口压差，如图4所示。

图4 卷扬马达进出油口压差图Fig.4 Motor Oil Pressure Difference Between Import and Export

在整个主卷扬的下放过程中，从加速下放转变成匀速下放的过程中液压系统中会产生压力冲击，卷扬马达进出油口两端的压差产生波动，幅度较大。振荡结束之后，钻杆钻具在下放的过程中会受到浮力和泥浆阻力，致使负载力变小，所以马达两端压差从240bar开始下降。钻杆是伸缩多节式结构，在第一节钻杆完成下放后，马达压差阶跃至约160bar，且在各个阶跃处因为负载力的突然变小而产生了一定幅度的压差波动，基本在正常范围之内。

4 节能系统实验研究

试验样机采用山河智能SWDM-28型旋挖钻机，压力测试采用德国HYDROTECHNIK公司的Multi-system5060测试系统。采集的数据主要包括主卷扬系统中主泵P口压力P1和卷扬马达下放进油口压力P2和出油口压力P3以及二次元件泵/马达工作压力P4这4个压力数据。在普通工作模式下，发动机转速设定至1200r/min，分别将5t和10t重砝码提升约5m，然后执行马达变量操作，降低马达排量至110ml/r，下放至离地40cm悬停。在势能回收与实时利用模式下，调节主阀下放进油端最大通流流量至300L/min左右，分别在发动机转速1200r/min和1500r/min条件下重复上述卷扬提升下放动作。

图5 普通模式下起吊不同重量压力曲线图Fig.5 The Normal Mode Under Different Weight Lifting Pressure Curves

由图5中（a）可知，在5t砝码下放阶段，卷扬马达出油口压力P3与进油口压力P2的压力差约为60bar，在10t砝码下放阶段，压力差则约为123bar，换算至仿真时使用的钻杆钻具重量17.1t，马达排量90ml/r条件下，卷扬马达进出油口压差分别应为235bar和240bar，与仿真结果中238bar吻合较好。下放过程中主泵出口压力P1处于（80～110）bar区间，这说明在常规模式下主卷扬下放过程中主泵仍有较大功率输出，势能回收利用节能技术优化具有必要性。由图1（b），在10t砝码下放时，马达出口压力P3产生了较为严重的振荡现象，这说明该先导式平衡阀平衡特性不佳，压力稳定性较差。

由图6中（a）可知，1200r/min转速下提升下放5t砝码时，在主卷扬下放阶段二次元件泵/马达的工作压力P4随着马达进油口压力P2升高而快速升高，在下放开始2s后已经超过了主泵的出口压力P1，同时随着P2的升高，P4与P3之间的压力损失从40bar逐渐减小至13bar，说明平衡阀口的压损与平衡阀入口压力P2成负相关关系，二次元件泵/马达在下放期间成功地转化成马达工况，利用系统中压力油向发动机输入了功率。在下放停止后，蓄能器继续为二次元件泵/马达继续供油使其继续工作在马达状态为发动机输入功率，蓄能器吸收了下放时系统内的多余能量并在下放动作完成将能量释放至系统中，提高了系统的综合节能效率。

图6 不同转速下5t重量压力曲线图Fig.6 5t Weight Pressure Test Curve Under Different Speed

对比分析图 6（a）和图 6（b），在 1200r/min 和 1500r/min 不同发动机转速下，系统各压力趋势基本一致，系统运行稳定，这表明发动机转速并不会对势能回收与实时利用系统的节能效果造成影响，节能系统具有发动机不同转速下的工况适应性。由于发动机转速并不会对系统节能效果造成影响，因此仅在发动机转速1500r/min的条件下对10t砝码进行了上提和下放实验，得到压力测试曲线，如图7所示。

图7 10t砝码提升下放压力测试曲线Fig.7 10t Weight Lifting Pressure Drop Test Curve

系统总体运行稳定，压力变化趋势与提升下放5t砝码时基本一致，取其中（35～50）s内下放时的压力数据进行处理，计算得出下放过程中主泵和二次元件泵/马达的输出功率，在下放过程中主泵的输出功率略小于二次元件泵/马达的输出功率。这主要有3个原因：砝码重量为10t，没有达到钻杆钻具17.2t额定重量，导致二次元件泵/马达工作压力降低，输出功率降低；由于实验条件限制，下放时马达排量为110ml/r，没有达到方案中的90ml/r，导致二次元件泵/马达工作压力降低，输出功率降低；先导式平衡阀性能不足，压损较大。但在下放停止后，蓄能器继续为二次元件提供压力油，继续为发动机输入功率，提高了综合节能效率。综上所述，实验证明提出的旋挖钻机主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统能够稳定运行，二次元件成功地实时利用了负载下放释放出来的势能，方案具有可行性，具备较高的节能性能，操作性能良好；有理由相信在后期系统继续优化后可以达到仿真研究得出的全距离下放57.3%的平均节能效率。

5 结论

通过旋挖钻机工况分析和主卷扬下放负载力以及可利用势能数学模型计算得出放距离为60m时，可利用势能达到（7×106）J，具有非常可观的利用前景。提出了一种以二次元件泵/马达作为势能实时利用元件、蓄能器为辅助势能回收再利用元件的旋挖钻机主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统。利用AMESim搭建旋挖钻机主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统的整体仿真模型并完成了主要元件的仿真参数设置。利用SWDM-28型旋挖钻机为样机搭建了主卷扬下放势能回收与实时利用节能系统实验平台，使用砝码代替钻杆钻具进行了不同工作模式下的主卷扬提升和下放实验操作，实验结果表明势能回收与实时利用节能系统运行稳定，达到了一定的节能效果，方案具有可行性和有效性。