液压钻机流量测试装置的研制.pdf

2 0 1 0 年6月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 液压钻机流量测试装置的研制 李贞杰 煤炭科学研究总院重庆研究院， 重庆 4 0 3 7 摘 要 介绍 了液压钻机 的一种流量测试装置 ， 分析 了该装置的结构原理及整流器和换 向阀在装置 中的应用。给 出与流量测试相关的故障诊断方法， 以及钻机 流量测试值 的修正计算公式。 关键词 液压钻机； 流量测试装置； 整流器 ； 修正计算 中图分类号 T D 4 1 ； P 6 3 4 ． 3 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 3 0 0 4 1 一o 3 钻机广泛应用于煤矿井下各种工程钻孔 ， 是治 理瓦斯灾害的重要装备 。我 国煤矿在用 的钻机 ， 又 以液压钻机为主。因液压钻机 以下简称钻机 系统 复杂 ， 影响其性能的因素较多 ， 尤其是液压元件对钻 机性能的影响最为突出， 需要 在试验室检测过程中， 对液压钻机的各种性能参数 ， 进行全 面的数据测试 并进行相应 的分析。一般试验室对钻机的输 出参数 都有比较全面且成 熟的常规测试手段 ， 但对 钻机液 压系统的中间工作状态 ， 尤其是对工作流量 的检测 ， 手段不完善， 没有切实易行的常规测试装置。 笔者介绍一套整流流量测试装置 ， 通过液压整 流的原理 ， 满足钻机试验室流量测试工作 的需要 ， 适 用于钻机试验室的常规测试。 1 钻机旋转工作原理 钻机旋转 系统主要 由泵 站、 操 纵 台、 动力 头组 成。泵站是钻机 的动力源 ， 将电能转化为液压能 ， 通 过油泵从油箱吸油并输 出压力油 ； 操纵 台通过换 向 阀控制分配压力油至 执行元件 液压马达 ， 液压 马达 将液压能转化成机械能。钻机设计 时 ， 大多选用双 向旋转液压马达 ， 通过操作 台换 向阀控制工作介质 的流动方 向， 实现马达的正反 向旋转 ， 满足实际工作 需要 。钻机旋转系统液压原理简化 图如图 1 所示。 2 钻机 的流量 测试 原理 测试时 ， 在液压马达进 口和 出口各连接 1个流 量计 ， 分别测试液压马达进 口流量 和回油流量。由 于流量计测试具有方 向性 ， 因此要 求工作介质流通 方向必须与流量计标示 的方向保持一致 。测试双 向 收稿日期 2 0 0 90 62 5 ； 2 0 1 0 0 2 0 8修订 作者简介 李贞杰 1 9 8 1 一 ， 男， 重庆万州人， 主要从事煤 矿安全装备方 面的研 究工作。T e l 0 2 3 6 5 2 3 9 4 5 1 。 旋转液压马达 的工作 流量 时， 通常可采用如图 2所 示 的连接方式 。 1 一 油泵； 2 一换 向阀； 3 一双 向旋转 液压马达； 4 一 溢流 阀。 图 1 钻机旋转系统原理 简化 图 1～8 一截止 阀； 9～1 2 一流量计及其测试流向。 图 2 钻机 流量测试原理示意 图 当管路 I 处于液压马达进 口 高压 端 ， 管路Ⅱ 处 于液压马达出口 低压 端时， 开启截止阀 3 ， 4， 5 ， 6 ， 流 量计 1 0 ， 1 1 处于工作状态， 分别测试马达进口流量 和出口流量 ； 关闭截止阀 1 ， 2， 7 ， 8 ， 避免工作介质逆 向冲击流量计 9 ， 1 2 。当液压马达反方向旋转， 管路 Ⅱ处于马达进 口端时， 管路 I处于马达出口端 ， 关闭 截止阀 3， 4 ， 5， 6 ， 流量计 1 0 ， 1 1处 于非工作状态 ； 开 启截止阀 1 ， 2， 7 ， 8 ， 通过流量计 1 2 ， 9分别测试马达 进 口流量 和 出 口流量 。 41 2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 在实际测试过程中 ， 按以上测试原理直接加工 制造的测试装置主要有以下缺点 使用的流量计和 控制阀较多 ， 测试装置结构复杂、 零散、 笨重 ； 测试过 程 中， 试验人员操作繁琐 ， 工作效率低下 ； 钻机换 向 阀的误动作可能导致工作介质逆 向流过流量计 ， 影 响流量计测试精度。 3 流量测试装置 3 ． 1 流量测试装置的设计要求 1 结构紧凑、 操作简捷， 方便与被试钻机的连 接， 适应试验室测试的需要 ； 2 适应流量计测试流 向要求 ， 避免逆 向冲击 ， 满足钻机双向旋转流量测试 ； 3 测试数据直观 ， 便于钻机液压系统的性能分 析和故障诊断。 3 ． 2 流量测试装置原理 流量测试装置由整流器、 协调换向阀 为了与钻 机换向阀区分 ， 此换向阀称作 “ 协调换向阀” 、 流量 计 、 温度计和压力表组成 ， 见图 3 。测试装置连接于 钻机换向阀与液压马达之间。整流器整定工作介质 的流动方 向， 协调换 向阀改变液压马达旋转方向。 1 一 出口压 力表 ； 2 一进 口压 力表； 3 一 出口温度 计 ； 4 一进 口温度 计 ； 5 一单向阀； 6 一进口流量计； 7 一出口流量计； 8 一协调换向阀。 图 3 流量测试装置原理示意图 3 ． 3 流量测试装置结构组成 1 整流器。整流器由 4个单 向阀组成 ， 为了使 流量测试装置结构紧凑， 采用桥式连接方式。a点处 于高压端 ， c 点处于低压端时， 工作介质流动方向 0 一 d 6 8 一钻机液压马达～8 7 6 一c ； 钻机换向阀 换向工作， c 点处于高压端， a点处于低压端， 工作介 质流动方向 c d 6 -8 一钻机液压马达一8 7 6 一。 。钻机工作介质始终与流量计标示的测试方 向 一 致， 满足流量计测试要求， 进 口流量计测试值为马 达输入流量 ， 出口流量计测试值为马达出口流量。 2 流量计。进 口流量计测试马达进 口流量 ， 处 ． 4 2 于高压端 ， 选择适应液压系统钻机 工作压力 的高压 流量计 ； 出 口流量计测试 马达 出 口流量 ， 处 于低压 端， 选择适应钻机液压系统背压的低压流量计。 3 换 向阀。钻机工作介质经整流器整流后 ， 保 持单一的流动方 向， 不 能改变马达旋转方向。协调 换向阀的作用是改变整流后的工作介质流动方向， 实现马达的双向旋转。钻机正常工作时 ， 协调换 向 阀与钻机换 向阀协调 动作 ， 使 马达旋转方 向与钻机 换向阀指令方向一致。协调换向阀选择三位 四通 M 型换 向阀。 4 压力表和温度计。进口压力表处于高压端， 选择满足钻 机液压系统工作压力 测试要求 的压力 表 ； 出 口压力表处于低压端 ， 选择满足钻机液压系统 背压测试要求 的压力表 ； 进 口温度计 和出 口温度计 量程为 01 0 0℃。 4 测试计算及故障诊断 4 ． 1 计算公式 1 根据进 口流量与 出 口流量差计算液压马达 外泄漏量 A Q Qi Q 。 1 式中 A Q 为马达外泄漏量 ， mL ／ m i n ； Q i 为进 口流量 测试值， mL ／ mi n ； Q 。 为出口流量测试值 ， mL ／ mi n 。 2 根据马达输 出转矩及进 口压力与出 口压力 差计算液压马达实际排量 g 2竹 T M 1 2 式中 g 为马达实 际排 量， mL ／ r ； T M为马达输 出转 矩， N m； A p为进 口压力与出 口压力差 ， MP a ； 为 马达机械效率。 3 根据马达实际排量及输 出转速计算液压 马 达工作有效流量 Q Mn M q M 3 式中 Q 为马达有效流量 ， mL ／ m i n ； n 为马达输 出 转速 ， r ／ mi n 。 4 根据马达有效流量计算液压 马达 的容积效 率 叼 及内泄漏量 A Q 。 vQ ／ Q i 4 A Q 。Q i Q AQ 5 4 ． 2 故障诊断 钻机输出参数达不到设计要求时 ， 排除机械故 障后， 需对钻机液压系统进行故障诊断。 通过流量测试装置进 口流量计测试马达输人流 量 ， 如马达实际输入流量低于设计输入流量 ， 首先考 虑钻机泵站和操纵台故障。故障原因一般为油泵容 2 0 1 0 年6 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第3 期 积效率过低和换向阀 内泄漏 过大 ， 溢流 阀调节失 当 或机械故障， 以及油路堵塞等。 如马达实际输入流量达到设计要求， 需首先考虑 液压马达故障。液压马达的外泄漏和内泄漏过大， 即容 积效率过低， 将导致液压马达输出转速过低； 液压马达 的实际排量低于理论值或机械效率过低 ， 在同等工作压 力下， 液压马达的输出转矩将低于设计值。 5 流量测试值的修正计算 5 ． 1 进 口流量修正计算 工作介质的可压缩性， 体积随着压力的增高而 减小。进 口流量计处于高压端 ， 随着 钻机液压系统 工作压力的变化 ， 将产生流量测试值误差 。需要对 进口流量测试值进行修正计算 q j 1一 6 式 中 Q 为标 准压力状 态下进 口流 量值 ， mlMm i n ； △ p 为标准压力与进油 口压力差 ， MP a ； K为体 积弹 性模量 ， K 1 ／ ， 液压油取 1 ． 4～2 ． 0 1 0 MP a ； 为工作介质体积压缩性系数 。 5 ． 2 出口流量修正计算 钻机液压马达将 液压能转换成机械能 ， 由于能 量损失导致出 口温度升高。考虑 到工作介质在热胀 冷缩效应作用之下 ， 体积增大 ， 需要对 出口流量测试 值进行修正计算 j q c 0q 1 △ 7 式中 Q m为标准温度状态下出口流量值， m L ／ m i n ； A T 为标准温度与回油口温差， K ； 为工作介质热膨 胀系数 ， 液压油取 6 ． 3 7 ． 8 1 0 K ～。 严格说来 ， 物质 的热膨胀系数在较大的温度 区 间 内通常不是一个常量 ， 故式 7 不适用于精密测量 时的修正计算。 6 结语 1 采用流量测试装置测试钻机工作介质流量 ， 是对钻机液压系统中间工作状 态进行监测 的有效手 段 ， 辅助并提高测试人 员对钻机液压系统进行检测 分析和故障诊断的准确性 。 2 采用整流器整定钻机工作介质流 向， 改善流 量计测试环境 ， 避免工作介质对流量计的逆向冲击 ； 整流器与换向阀组合 ， 简化测试人员操作流程 ， 提高 了工作效率。 3 对液压马达进 出 口工作介质 的温度 和压力 测量 ， 以及对流量测试值的修正计算 ， 提高了测试和 分析的精确度 。 参考文献 [ 1 ]许贤良， 王传 礼．液压传动[ M] ．北京 国防工业出版 社 ， 2 006 ． [ 2 ]王益群， 曹栋璞， 郎静．纯水液压传动及其展望[ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 3 1 1 31 5 ． 责任编辑 李琴 上接第 4 0页 全生产带来了巨大 的安全效益和经济效益 。实践证 明， 锚喷支护技术是一种结构合理 、 施 工方便 、 节省 投资、 技术先进 、 安全可靠 、 科学合理 、 经济实用的支 护形式。相对于其他支护技术 ， 锚喷支护有一定 的 优越性， 值得大范围推广应用， 尤其是在我国高产高 效矿井的建设中应用。在使用过程中， 应针对不同 围岩情况采取不 同的锚喷结构 ， 选择合理 的技术参 数及施工方法 ， 保证其工程质量 。锚喷支护改善 了 围岩的强度 ， 促使 围岩在 变形 过程 中形 成稳定的承 载结构 ， 在变形早期进入稳定状态。在郭庄矿的成 功应用也为其他情况下的锚 喷支护设计提供 了 参考。 参考文献 [ 1 ]何满朝， 孙晓明． 中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施 工指南[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ]李大伟， 侯朝炯． 低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制 试验研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 006 ， 3 4 3 3 63 9 ． [ 3 ]侯朝炯， 郭励生， 勾攀峰． 煤巷锚杆支护[ M] ． 徐州 中国 矿业大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 4 ]苏学贵， 李彦斌， 田万寿． 煤矿巷道支护与矿压观测研究 [ J ] ． 太原理工大学学报， 2 008 ， 3 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