基于AMESim的高壓泡沫漲裂裝置動態特性分析

李志強， 劉送永， 顧聰聰

(中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116)

引言

“采掘比例失調”一直是限制我國煤炭開采的關鍵難題[1]，隨著巖石井巷在我國巷道施工占比中的不斷提高，以及我國煤礦開采深度不斷增加，巷道巖石硬度不斷上升[2]，“采掘失調”問題日趨嚴重。鉆爆法是巖巷掘進的主要工法之一，在巖巷施工中占95%以上[3]，但巖巷鉆爆法掘進水平常年維持在70～80 m/月[4]，且鉆爆法施工中存在著無法實現連續掘進、機械化程度低、安全性差等問題。

為解決硬巖巷道掘進問題，相關學者做出了一些研究。王虹[5]分析了國內硬巖掘進機在截割技術、 元部件可靠性、除塵系統、自動控制技術以及系統配套技術方面與國外相比存在的差距；李剛等[6]依據長平煤礦4306巷道實際工況，選用高效的鉆裝機組作為巷道快速掘進設備，數值模擬優化爆破施工參數，有效地提高了巖巷掘進效率；杜長龍等[7]提出了水射流輔助截齒破巖技術，研發一種根據截齒受力自動調節流量的自控水力截齒；江紅祥等[8]提出了高壓水射流沖擊破巖的方法，利用光滑粒子流和有限元模擬了高壓水射流沖擊破巖過程；SEVDA D等[9-10]對脈沖射流沖擊作用下巖石表面和亞表面的損傷進行研究，驗證了脈沖射流的破巖能力，分析了沖擊靶距和沖擊頻率對脈沖射流破巖能力的影響；劉送永等[11]提出了一種基于高壓泡沫介質的鉆漲鑿巖一體機及方法，以減小掘進作業中不必要的工序，提高作業效率；W W D GRAAF等[12]對液壓劈裂器在深部開采中的適用性進行了評估，通過試驗總結了機械式劈裂器相較鉆爆法的優勢及施工難點;李洪盛等[13]提出了基于空孔輔助的液壓劈裂器破巖方法，分析了空孔輔助破巖過程中裂紋形成和擴展機理，提出了最優布孔方式。

以上研究在一定程度上推進了硬巖巷道掘進技術的發展，但多關注于破巖機理、破巖工藝和破巖效果，鮮有關于破巖裝置及其性能的研究。因此，本研究結合現有破巖裝置的特點，提出了一種具有強破巖能力、短作業周期的高壓泡沫漲裂裝置，利用AMESim建立了裝置及其液壓控制系統仿真模型，得到了裝置動態特性曲線，以期為研制高性能的硬巖掘進設備提供參考。

1 高壓泡沫漲裂裝置結構及工作原理

漲裂破巖利用了巖石抗拉強度約為巖石抗壓強度1/10的特點[14]，相較沖擊、磨削破巖技術，能以較小的單位比能耗實現巖石的有效破碎?，F有漲裂破巖技術多采用機械式劈裂器和高壓水力壓裂設備。機械式劈裂器進行破巖作業時，會在產生噪聲、粉塵的同時發生嚴重的設備磨損，影響設備使用壽命；高壓水力壓裂設備由于水不可壓縮、黏度低的特點，導致設備壓力高、密封性差，且作業后會在工作面產生積水?；诖?，本研究采用泡沫代替水、脈沖射流代替連續射流，設計了一種新型的高壓漲裂破巖設備。

1.1 裝置結構

所設計的高壓泡沫漲裂裝置如圖1所示，主要由封孔系統和沖壓系統2部分組成。封孔系統主要包括中間體、推進缸、后端蓋、封孔活塞、密封管、膨脹膠管、增厚端部等；沖壓系統由蓄能器、前端蓋、液壓缸、活塞、中間體和泡沫腔管組成。

1.蓄能器 2.前端蓋 3.液壓缸 4.緩沖腔 5.中間體 6.推進缸 7.密封管 8.膨脹膠管 9.增厚端部 10.泡沫腔管 11.后端蓋 12.封孔活塞 13.活塞 A.回油口 B.推進缸進油口 C.泡沫入口 D.液壓缸有桿腔進油口 E.液壓缸無桿腔進油口圖1 高壓泡沫漲裂裝置結構

1.2 液壓控制系統

針對高壓泡沫漲裂裝置高速、高壓的特點，設計了如圖2所示的能量供給及控制系統，包括主回路、封孔回路和泡沫輸入回路，其中主回路實現裝置的沖程和回程；封孔回路由液壓油源及三位四通換向閥構成，完成巖石預設鉆孔的密封；泡沫輸入回路由泡沫源、截止閥和單向閥構成通過泡沫入口向巖石鉆孔輸入泡沫。

1、14.油箱 2.油泵 3.溢流閥 4.二位二通換向閥 5、19.單向閥 6、 11.截止閥 7.蓄能器 8.壓力表 9、20.插裝閥 10.高壓泡沫漲裂裝置 12.回油箱 13.三位四通換向閥 15.巖石 16.鉆孔 17.泡沫源 18.氣液泵圖2 高壓泡沫漲裂裝置控制系統

1.3 工作原理

結合圖1和圖2，高壓泡沫漲裂裝置作業時包含如下工作過程：

1) 封孔過程

將高壓泡沫漲裂裝置泡沫腔管插入巖石預設鉆孔后，啟動封孔回路換向閥13，液壓油從推進缸進油口進入推進缸，推動封孔活塞，帶動外部密封管將膨脹膠管壓入增厚端部外側，使膨脹膠管直徑增大，與巖石接觸并壓緊產生密封效果。

2) 回程過程

主回路二位二通換向閥4位于右位，開啟截止閥6和11，此時插裝閥9和20上腔均充滿液壓油，將控制閥芯關閉，液壓油打開單向閥5進入蓄能器，打開單向閥19通過液壓缸有桿腔進油口進入裝置液壓缸有桿腔內，推動活塞復位的同時將液壓缸無桿腔內的液壓油經回油口排到回油箱內；活塞復位過程中，裝置泡沫入口開啟，氣液泵將泡沫注入到巖石預設鉆孔內。

3) 沖壓過程

活塞復位后，關閉截止閥11，二位二通換向閥4換向位于左位，單向閥5和19關閉，插裝閥9和20上腔卸壓，閥芯打開，形成了“蓄能器7→截止閥6→插裝閥9→高壓泡沫漲裂裝置無桿腔，高壓泡沫漲裂裝置有桿腔→插裝閥20→高壓泡沫漲裂裝置無桿腔”的差動回路，活塞在兩端壓差作用下快速壓縮巖石鉆孔內的泡沫，在鉆孔內形成高壓區域，當孔內壓力達到巖石破碎強度時，巖石破碎。

2 高壓泡沫漲裂裝置運動分析

2.1 回程過程

此階段，液壓油通過液壓缸進油口進入液壓缸有桿腔內，推動活塞回程的同時將液壓缸無桿腔內的液壓油排出，活塞的受力如圖3所示。

圖3 回程階段活塞受力圖

其中，F1，F2分別為液壓缸有桿腔和無桿腔內液壓油作用在活塞上的壓力，FP為活塞在液壓油中運動所產生的黏性阻力，Ff為裝置密封摩擦阻力，mg為活塞自身重力，活塞回程運動過程中的平衡方程為：

(1)

式中，x——活塞的位移

m——活塞的質量

p1——液壓缸有桿腔壓力

A1——活塞有桿端的面積

p2——液壓缸無桿腔壓力

A2——活塞無桿端的面積

KP——黏性阻力系數

由流體連續性方程可得：

(2)

式中，q1——液壓缸有桿腔的流量

q2——液壓缸無桿腔的流量

2.2 沖壓過程

此階段，二位二通換向閥4換向，插裝閥卸壓、閥芯打開，蓄能器壓力通過截止閥作用于活塞無桿端，在蓄能器的作用下，活塞快速地壓縮巖石鉆孔內的泡沫，在孔內形成高壓區域，與此同時，液壓缸有桿腔和無桿腔通過插裝閥20形成差動回路，保障蓄能器的壓力，活塞的受力如圖4所示。

圖4 沖壓階段活塞受力圖

活塞沖壓過程的平衡方程為：

(3)

式中，p3——蓄能器壓力

p4——鉆孔內泡沫的壓力

A3——活塞桿的面積

由流體連續性方程可得：

(4)

式中,q3——液壓缸有桿腔流出的流量

q4——通過插裝閥進入液壓缸無桿腔的流量

q5——蓄能器流入液壓缸無桿腔的流量

2.3 蓄能器壓力狀態方程

當高壓泡沫漲裂裝置處于沖壓過程時，蓄能器內氣體快速膨脹，活塞高速壓縮鉆孔內的泡沫，沖壓過程持續時間很短，來不及同外界換能，因此蓄能器內氣體在此階段的狀態可視為絕熱過程[15]，即：

(5)

式中，p0——蓄能器初始氣體壓力

V0——蓄能器初始氣體體積

pd——蓄能器工作壓力

Vd——蓄能器氣體體積

k——絕熱系數，k=1.4

2.4 鉆孔泡沫壓力狀態方程

高速活塞沖壓泡沫在巖石鉆孔產生高壓，泡沫液相不可壓縮，故此時泡沫壓力變化主要由氣相決定，因沖壓過程持續時間很短，系統來不及和外界換能，鉆孔內泡沫在沖壓階段變化狀態同樣可視為絕熱過程，而泡沫氣相多為空氣、氮氣、二氧化碳等雙原子氣體[16]，絕熱系數k取1.4，即：

(6)

式中，pp——鉆孔內泡沫初始壓力

Vp——鉆孔內泡沫初始體積

pc——鉆孔內泡沫被活塞壓縮后的壓力

Vc——鉆孔內泡沫被活塞壓縮后的體積

k——絕熱系數，k=1.4

3 AMESim仿真

3.1 仿真模型搭建

根據高壓泡沫漲裂裝置結構、工作原理及運動分析，在AMESim中建立了如圖5所示的仿真模型，模擬裝置回程及沖程過程，利用與鉆孔內泡沫壓力變化趨勢相同的蓄能器模擬鉆孔泡沫壓力的變化。

1.恒壓源 2.信號源 3.插裝閥模塊 4.單向閥 5.蓄能器 6.液壓油介質模塊 7.高壓泡沫漲裂裝置 8.泡沫壓力模塊 9.回油箱 圖5 高壓泡沫漲裂裝置及其液壓回路仿真模型

3.2 仿真參數設置

仿真模型中主要參數的設置[17]參見表1。

表1 高壓泡沫漲裂裝置主要參數仿真值表

3.3 仿真結果與分析

1) 運動特性分析

設置仿真參數，運行仿真模型，獲取高壓泡沫漲裂裝置活塞運動參數、蓄能器壓力及鉆孔內泡沫壓力的變化，仿真結果如圖6所示。

圖6 裝置特性曲線

如圖6a所示，高壓泡沫漲裂裝置在454 ms的時間經歷了3個運動周期：第一個運動周期總時長為208 ms，其中回程階段145 ms，沖程階段為63 ms；第二、三個運動周期總時長為123 ms，其中回程階段60 ms，沖程階段為63 ms；在任一個周期內活塞經15 ms 完成 0.4 m的回程位移，經63 ms行完0.4 m的沖壓行程。

結合圖6a、圖6b分析可知，裝置第一次作業的回程階段：恒壓油源高速推動活塞回程的同時，蓄能器在恒壓油源的作用下蓄能增壓，因恒壓油源的壓力高、壓力作用面積大、活塞行程短，活塞只需15 ms就行完0.4 m的回程位移，此時蓄能器仍在恒壓油源作用下增壓蓄能，經145 ms蓄能器完成蓄能，壓力達到3.5 MPa回程階段結束。裝置第一次作業沖壓階段：活塞在蓄能器高壓作用下壓縮鉆孔內泡沫產生高壓，鉆孔內泡沫壓力最大可達到17 MPa，此階段由于活塞受到鉆孔內高壓泡沫的阻力，運動速度較回程階段大幅減小，活塞經63 ms完成沖壓過程，同時，由于液壓缸有桿腔內的液壓油經插裝閥進入液壓缸無桿腔，蓄能器只需向液壓缸無桿腔內補充0.28 L的液壓油，蓄能器能夠始終維持3 MPa以上壓力。裝置第一次作業后：恒壓源在以后的回程階段只需向蓄能器補充0.28 L的液壓油，回程階段持續時間由145 ms減小為60 ms，沖壓階段持續時間仍為63 ms，裝置作業周期恒定為123 ms。

2) 泡沫初始壓力

其余參數值保持不變，將鉆孔泡沫初始壓力設置為0.3 MPa，獲取此時高壓泡沫漲裂裝置活塞運動參數、蓄能器壓力及鉆孔內泡沫壓力的變化趨勢如圖7所示。

圖7 泡沫初始壓力0.3 MPa時裝置特性曲線

對比圖6和圖7可知，鉆孔內泡沫初始壓力主要對裝置沖壓過程及鉆孔內泡沫的最大壓力產生影響：當泡沫初始壓力由0.2 MPa增加到0.3 MPa時，裝置沖壓階段持續時間由63 ms增加到65.3 ms，孔內泡沫最大壓力由17 MPa增加到23 MPa。

因泡沫初始壓力的增加，孔內泡沫在被活塞壓縮相同體積后的壓力也相應的增大，活塞所受阻力隨著泡沫壓力的增大而增大，導致活塞沖壓階段的速度減小，但因沖壓行程較短、活塞速度高，沖壓過程持續時間只隨著泡沫初始壓力小幅度的上升。

3) 蓄能器體積

其余參數值保持不變，將蓄能器體積設置為4 L，獲取此時高壓泡沫漲裂裝置活塞運動、蓄能器壓力及鉆孔內泡沫壓力的變化趨勢如圖8所示。

圖8 蓄能器體積4 L時裝置特性曲線

對比圖6和圖8可知，蓄能器體積主要對裝置回程階段持續時間產生影響：當蓄能器體積由6.3 L減小到4 L時，裝置第一次作業回程階段持續由間由145 ms 減小到70 ms，裝置固定周期作業時回程階段持續時間由60 ms減小到50 ms。

由圖6～圖8可知，影響裝置回程持續時間的主要因素為蓄能器蓄能時間。對比圖6和圖8,當恒壓源和蓄能器預充氣體的壓差保持恒定時，減小蓄能器體積可顯著降低從恒壓源輸入到蓄能器的液壓油量，故裝置第一次作業回程階段的持續時間顯著降低；裝置恒周期作業時，恒壓源向蓄能器補充的液壓油量相同，蓄能器體積越小、恒壓源和蓄能器的壓差越高、蓄能器蓄能時間越短，而裝置“差動回路”的設計使得蓄能器所需補充的液壓油量小，故裝置恒周期作業時活塞回程階段持續時間只小幅度降低。

4 結論

(1) 針對現有硬巖巷道掘進技術所存在的問題，提出了一種新型的高壓泡沫漲裂破巖裝置，并設計了相應的液壓控制系統；

(2) 建立了裝置沖程和回程過程的數學模型，并對其進行了仿真分析，得到了活塞的運動特性及系統壓力變化曲線；

(3) 仿真獲取了泡沫初始壓力和蓄能器體積對裝置性能的影響：裝置漲裂壓力和作業周期隨孔內泡沫初始壓力的增大而增大，但作業周期的變化不明顯；裝置作業周期隨蓄能器體積的減小而減小，其中對裝置第一個作業周期的影響最為顯著。