地下管道挖掘机液压系统的设计与仿真

摘要

本课题研究的主要任务是为一种具有自行走功能、挖掘管道口径为500mm的地下管道挖掘机设计液压驱动系统。该设备的液压驱动系统由两部分组成，分别为刀盘液压驱动系统和辅助工作机构液压驱动系统。
　　在研究国内外非开挖工程及技术装备和液驱动技术在工程装备领域的发展现状的基础上，对刀盘液压驱动系统和辅助工作机构的液压驱动系统进行了设计与仿真，最后结合实际工况进行了刀盘转速与进给量控制的仿真研究。
　　首先，通过对地下管道挖掘机的结构与工作特点的分析，结合土力学相关理论建立刀盘负载的数学模型；然后以负载数学模型为基础，完成刀盘液压系统的元器件选型、最优工作参数（负载、压力和流量等）的确定和液压系统的设计等工作，期间分别完成了阀控调速、变量泵调速和泵变转速调速刀盘液压系统的设计，并使用AMESim软件对这三个液压系统进行了仿真分析；最后在三种液压驱动系统设计、计算和仿真分析的基础之上，建立刀盘液压系统工作效率的数学模型，并再次使用AMESim软件通过设置不同的刀盘工作参数（负载、转速等），模拟不同液压系统在多种工况下的运行效率，以甄选出刀盘液压驱动系统的最佳设计方案。仿真结果表明，泵变转速调速刀盘液压系统的运行效率最高，最适合作为刀盘的液压驱动系统。
　　其次，通过对辅助工作机构结构特点、工作原理的分析，并结合相关的土力学理论，将辅助工作机构液压系统分为三部分（进给机构液压驱动系统、撑阻机构液压驱动系统和排土机构液压驱动系统），对这三部分分别进行负载计算、设计和仿真分析工作，最后再根据计算与仿真结果进行集成，以求节约空间、降低能耗。
　　最后，在泵变转速调速刀盘液压驱动系统和进给机构液压驱动系统研究的基础之上，提出一种变负载下刀盘转速与进给量的控制方案。该方案分为两部分：第一部分为基于泄漏补偿的泵变转速调速刀盘液压系统闭环控制方案，该方案通过控制液压泵主轴转速实现在变负载条件下的刀盘转速控制；第二部分为基于开度补偿的进给液压系统流量控制方案，通过对电液比例流量阀开度的控制，实现在变负载条件下的进给量控制；最后将二者集成到同一仿真模型之中，进行仿真。仿真结果表明，该方案可以实现刀盘在变转速下的恒负载与恒进给量控制，并减少转速与负载波动。