摘 要：在对管棚钻机作业工况分析的基础上，提出了管棚钻机掘进与行驶液压驱动系统的方案。利用AMESim仿真软件对动力头液压驱动系统进行了建模和动态仿真，仿真结果显示，钻机液压驱动系统能够满足掘进作业工况和行驶工况的要求，证明液压系统可行合理。
　　关键词：液压驱动系统；AMESim；仿真研究
　　管棚钻机是管棚超前支护隧道施工技术中最关键的设备。主要用于隧道施工中管棚超前支护和前方岩层结构的探测，由其形成的天幕保护式隔离层，极大的提高了顶拱的固结及支撑力，支护隧道顶板的破碎带，松散带，使其不易冒落或防止地下水的大量涌出等。管棚钻机主要由钻机动力头、桅杆、夹持器、变幅机构、动力站、底盘等几大部分组成。
　　1 工况分析
　　管棚钻机液压系统按其实现的功能不同，主要可分为动力头回转和给进驱动系统、行走系统、钻具夹紧及拧卸系统、支臂系统和辅助系统。
　　1.1回转系统工况分析
　　钻探工艺要求管棚钻机回转机构的转速能有较宽的调节范围，以此来适应不同的钻孔方式和钻进规程，并且能够正反向回转和微动回转；同时还需要转矩能在较大的范围内能够适应外负载的变化。动力头回转系统应具有压力适应、速度可调、有较大调速范围但不频繁的特点。
　　1.2给进系统工况分析
　　管棚钻机给进系统工况较为复杂，可分为加压钻进工况、减压钻进工况、起下钻及倒杆工况，兼有高压大转矩慢速给进和低压小转矩快速给进的作业工况。因此要求动力头给进系统的压力可调，且速度适应。
　　1.3钻具夹紧及拧卸回路工况分析
　　回转器正转与夹持器松开及卡盘夹紧联动；回转器反转与夹持器夹紧及卡盘夹紧联动，实现钻具卸扣；回转器前进与后退与夹持器及卡盘的夹紧与松开联动，完成起下钻及倒杆动作。
　　1.4行走回路工况分析
　　钻机行走回路的功能主要是在两个液压马达的驱动下，经行走减速器带动履带传动，从而实现钻机前进、后退、左右转向。为了在有坡度的工作面工作，要求履带马达具有自锁功能，防止履带在坡地溜滑。
　　2 管棚钻机掘进与行驶液压驱动系统方案设计
　　回转系统采用变量泵-变量马达组成的容积调速回路系统，具有调速范围大，扭矩范围广，无级调速范围广，功率利用率高，对外负载变化的适应性强等优点。
　　3 管棚钻机动力头液压驱动系统仿真
　　负载突变时系统的响应情况，仿真结果如图4～6。
　　在遇到较为特殊的岩石情况时，工作压力随着负载的突变而变化，回转系统的泵和马达，给进系统的泵都同时改变排量，压力变化平稳，没有出现上下波动的情况，保持液压系统的稳定。在外负载突然变化增大的时候，由于系统压力的增大，泵和马达的排量也迅速做出改变。由于系统的转动惯量很小，而且液压系统的变量泵和变量马达的伺服机构的响应也比较快，所以在遇到负载突变的时候，系统的响应时间很短，迅速作出速度调整，以较小的速度回转和给进，避免卡钻现象的出现。
　　图4 负载突变时系统压力的变化情况
　　图5 负载突变时泵和马达排量变化的情况
　　图6 负载突变时候动力头作业速度变化情况
　　4 结论
　　利用AMESim软件建立起管棚钻机动力头回转系统和给进系统的简化模型，并对动力头液压系统的工作特性进行加载仿真。仿真结果显示，在钻机作业过程中，遇到岩石地质情况较为复杂，外负载突然变化时，动力头液压系统能迅速做出调整，改变扭矩和速度大小来适应外负载的变化。■
　　参考文献
　　[1] 杨海学，张兆文，张强.液压技术在钻机上的应用现状及发展建议[J].石油机械，2004，32（08）：72-74.
　　[2] 姚怀新.行走机械液压传动与控制[M].北京：人民交通出版社，2001.12.
　　[3] 成大先.机械设计手册（第4卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.01.
　　[4] 杨杰，朱剑宁，尉吉虎.G-50型钻机行走液压系统的设计[J].西部探矿工程，2006，33（09）：15-17.
　　[5] 张启君，张忠海，常任齐等. ZD1245/ZD2070型水平定向钻机的设计[J].探矿工程，2006（增刊）：38-39.
　　[6] 冯德强.钻机设计[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.10.
　　[7] 徐小荷，余静.岩石破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.11.
　　作者简介：刘家伦（1972-），男，汉族，四川宜宾人。毕业于四川工业学院，大学本科。宜宾职业技术学院讲师，从事机械设计、液压控制的教学、研究。