牙轮钻机的液压系统在闭式回路中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 1 1期 牙轮钻机的液压系统在闭式回路中的应用 霍进 刚 萨澳行走液压 上海 有限公司， 上海2 0 0 2 3 3 摘 要 对大中型牙轮钻机的液压系统进行研究， 提出一种闭式系统的解决方案。基于该系统的特殊性， 行走与工作不同时进行． 采用 闭式泵驱动行走马达或 回转马达和推进液压缸 ， 实现闭式系统的高效应用。 使用开式泵 、 P V G阀、 P L U S I 控制器和传感器去构建系统 ， 实现钻机 的辅助功能。该方案在大中型岩心钻 中具有很高的性价 比。 关键 词 闭式回路 ； P L U S I 控制器 ； P V G阀 ； 牙轮钻机 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 B 文章编 号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 1 - 0 0 3 6 0 3 F a n Dr i v e S y s t e m Ap p l i c a t i o n i n t h e Cl o s e Ci r c u i t HUO fin - g a n g S a u e r - D a n f o s s M o b i l e H y d r a u 1 i c s S h a n g h a i C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e b l a s t h o l e d ri l l a p p l i c a t i o n i n c l o s e l o o p ，o ff e r t h e b e s t p r i c e ／ p e r f o r ma n c e r a t i o p r o j e c t i n t h e l a r g e s c a l e b l a s t h o l e d ri l 1 ． B a s e d o n t h e p a r t i c u l a ri t y o f t h e s y s t e m， Wh e n r u n i n t h e p r o p e l mo d e l ， t h e d ri l l i s n o t o p e r a t i o n mo d e l ； Wh e n d ri l l o p e r a t e s i n t h e d ril l i n g f e e d a n d r o t a t i o n mo d e l ， t h e ma c h i n e i s n o t i n p r o p e l mo d e 1 ．Us e t h e o p e n l o o p p u mp ， P VG b l o c k ， P L US 1 c o n t r o l l e r a n d s e n s o r s t o b e b u i l t t h e s y s t e m，a c h i e v e t o t h e a u x i l i a r y f u n c t i o n o f d ri l 1 ． Ke y Wo r d s c l o s e l o o p； P UL S I c o n t r o l l e r ； P VG b l o c k； b l a s t h o l e d ri l l U 引 舌 随着全球能源的 日趋丰 ．能源储备和利用 已经 成为每个国家战略要求。在国内， 矿石和煤炭等资源的 需求 日趋紧张 ， 引起采矿与探矿业的巨大市场需求。目 前 ，大型的牙轮钻机主要依靠进 口，价格在 6 0 0万 以 上 ． 国内生产 的大型钻机大部分采用开式 回路 ， 在大型 钻机应用 中成本较高。本文 旨在介绍一种最佳性价 比 的闭式系统钻机方案。 1 闭式系统的牙轮钻机方案 1 ． 1 方案优势 在大 中型钻机的设计 中，开式系统的方案有 以下 缺点 开式泵效率低 ； 所需 主阀数量多 ， 价格贵 ； 系统 的 压力等级不会超过 3 5 0 b a r ， 整车的爬坡性能受影响 ； 油 箱较大 ， 占用 车身体积较 大 ； 系统 的元件较多 ， 不利于 维修时的排查故障。 使用闭式系统的方案 ， 不仅拥有闭式系统的优点 ， 而且能省去主要 回路 的主阀的成本 ， 相 比开式系统 ， 在 大中型钻机上应用， 具有很强的竞争优势。 收稿 13期 2 0 1 1 - 0 7 2 6 作者简介 霍进 刚 1 9 8 0 一 ， 男 ， 本科 ， 现从事 液压 系统 方面 的设 计与 应 用 3 6 1 ． 2方案原型 大中型的牙轮钻机行走在恶劣环境 中，对行走驱 动系统提出苛刻的要求 。使用两台闭式泵和两台定量 马达构建双边驱动方案 ， 最大系统压力可达到 4 5 0 b a r ， 满足恶劣的履带行走工况需求。 由于钻机在行走时不工作 ， 工作是步行走 ， 可以在 回路 中增加换向阀，切换行走工况和工作工况下的油 源 即第一台闭式泵在行走工况 。 与左行走马达构成闭 式 回路 ， 驱动左行走履带 ； 在工作工况 ， 切换驱动 回转 马达， 构成新 的闭式 回路 ； 第二台闭式泵在行走工况驱 动右行走马达 ， 在工作工况 ， 切换到钻杆 的推进和回撤 的工况， 构成新的闭式 回路。 系统 中的其他辅助动作 ， 由于所需压力不高 ， 流量 不是很大，可以通过小排量 的开式泵和小流量的 P V G 阀来实现 ；系统 的先导控制油和风扇冷却可以充分利 用开式系统的油源 ， 以便保持系统的最佳性价 比。 2 闭式系统的牙轮钻机方案的实现 牙轮钻机的液压回路分为以下 四部分 驱动回路 、 推进 回路 、 回转 回路 、 辅助回路。 2 ． 1 驱动 回路 使用两 台闭式泵和两台插装马达 定量或变量 构 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ． 1 1 ． 2 0 1 l 建经典双边驱动系统。泵用电比例排量控制， 变量马达 用两位电控或液控 ， 一般在牙轮钻机的应用中， 行走不 是主要 的工况 ， 可以使用定量马达来实现 ， 缺点是最大 车速较低。设定系统最大压力 4 5 0 b a r 。 提高系统的爬坡 性能。液压原理图 ， 如图 1 所示。 图 1驱 动 回路 邵 分 液 压原 理 图 在闭式回路中 ，必须引入冲洗流量来解决 系统的 发热。可 以在行走马达上增加冲洗 阀，或者如图 1所 示 ， 在系统回路里面增加冲洗阀。两种冲洗方式不要同 时共存于一个回路。 2 ． 2推进 回路 在牙轮钻机的钻杆推进与 回撤工况 ，需要使用液 压缸来执行钻杆的动作。通过换向阀， 将其中一台闭式 泵的油源从行走工况切换到推进工况 ，与推进液压缸 构成新的闭式系统。液压原理图如图 2所示 。 图 2钻 杆 的 推 进 与 回 撤 工况 原 理 图 由闭式泵与液压缸构成的闭式系统是实现牙轮钻 机方案的难点。在钻杆推进工况， 无杆腔进油 ， 有杆腔 出油。由于两腔的面积不同。 流入与流出液压缸的油液 体积不同 ， 需要在有杆腔侧补充油液 补油 。在钻杆回 撤工况 ， 有杆腔进油少于无杆腔的出油 ， 需要将无杆腔 多余的油液从溢流阀排出， 流回油箱。该液压缸需要带 特殊平衡阀 ， 维持低压侧的背压 ， 避免在 向下推进过程 中， 钻杆受重力作用而损坏钻杆钻具的现象。图 3所示 是阿特拉斯 P V 3 5 1 E机型所用的液压缸平衡 阀。B 1 、 B 2 口接推进液压缸的无杆腔 ， A 1 、 A 2 V I 接有杆腔 。 Al A 2 B1 B 2 l J* 7 0 0 一 一 ] 厂 ◇] 专 、 2 1 一 ’ ‘4 5 图 3 A t l a s P V3 5 1 E钻机进给油缸平衡阀的原理 图 根据不同的钻进工况 ， 钻杆需要增加快进的功能。 一 种简单 实用的方式是将有杆腔流出的油，一部分引 入无杆腔 ， 实现液压缸的快速进给工况 。简单原理图如 图 4所示 。 图 4由液控单 向阀实现液压缸的快进工况 2 ． 3回转回路 两台马达和减速箱可 以实现动力头 的回转工况。 回转马达所需的油源来 自另一 台闭式泵 ，与推进工况 类似 ， 需要换向阀来切换。原理图如图 5所示。 图 5钻杆 的 回转 的工 况 腺 理 图 2 ． 4辅助回路 辅助 回路 主要用于钻机的辅助动作 ， 如钻塔的升 降 、 支腿找平液压缸 的动作 ， 装 卸钻杆用 的扳手动作 等 ，在大型钻 机上 。需要使用两 台开式 串泵和几组 P V G 3 2阀 阀前补偿机制 ， 最多时需要 2 1片工作联。 同时 ， 还需提供 主要 工作 回路的控制油 ， 如换 向阀的 切换 ， 刹 车阀 的松开 等控 制油路 系统所需 的风扇冷 却回路可 以由开式泵提供 ． 也可以独立 出风扇冷却 系 统回路 。 3 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 1 1期 3 远程调压控制 在钻机的工作工况 ，钻杆的回转和推进的动作对 系统压力提出了一定的要求 。在回转工况， 如果系统压 力过高 ， 遇到卡钻层 ， 很容易让钻头或钻具损坏 ； 在推 进工况， 如果推进压力过高 ， 也易使钻具损坏。另外 ， 钻 杆的回转和推进使用 的是行走的泵 ， 该泵在行走工况 ， 系统压力设定较高 ， 在工作工况 。 必须调整系统的最高 压力 ， 所以， 在闭式系统中 ， 加入远程调压 阀， 满足钻机 的实际工作需求 。同时 ， 在该远程调压阀前 ， 应增加 2 位 2通阀 ．在行走工况时 ，该阀切断远程调压阀的控 制。具体原理图见图 6 。 图 6远 程 调 压 控 制 4 P L U S I控制 在牙轮钻机的系统解决方案中 ， 液压元件 除液压 缸外 均来 自萨澳公司． 对其进行控制有一种更好 的解 决方案 ， 使用 P L U S 1 控制系统进行控制。它不仅能提 供 1 0 0 MH z的处理速度 ，而且拥有完善的控制模块 ， 与 液压元件连接非常方便快速 。控制器的编程软件已经 将泵 、 马达和 P V G阀的控制模块加入其中， 不需要繁琐 的定义与标定。全系列的电控手柄家族和人机界面， 操 作简易舒适 。 3 8 图 7 P LUS l控 制 系 统 5 结论 牙轮钻机的闭式系统方案 ，在大 中型钻机的应用 上 ， 是一种合理 的液压系统实现 ； 采用性能可靠的进 口 液压元件 ， 是钻机成功的关键 该方案不仅突破国内传 统的开式系统思路 ，而且具有很高的性价 比和竞争优 势 参 考 文 献 ⋯ 1 A t l a s C o p c o ． O p e r a t i n g a n d Ma i n t e n a n c e Ma n u a 1 ． C P N5 7 6 7 3 o o 6 ． 2 0 0 5 6 ． [ 2 ]2 S a u e r D a n f o s s ．P r o d u c t s C a t a l o g s ．2 0 1 0 - 7 ． [ 3 】 S a n d v i k ． S a n d v i k Mi n i n g a n d C o n s t r u c t i o n H a n d o u t s ． DK 7 5 S ． 2 0 0 3 3 ． [ 4 】 李建华 ， 刘凡柏． Y D X一 3型全液压岩心钻机 的研制与应用[ J ] ． 探矿工程， 2 0 0 7 增刊 ． [ 5 】 燕碧娟． 牙轮钻机主参 数分析和合理选择[ J ] ． 机械工程与 自动 化． 2 0 0 7 2 ． [ 6 】 M ． 伍夫． 露天和地 下矿用 凿岩设备 和工具 的发展[ J ] ． 矿业 工 程． 2 0 0 4 1 ． [ 7 】 张金 昌． 钻探技术新进展【 J ] ． 探矿工程一 岩土钻掘工程， 2 0 0 7 1 ．