全液压钻机液压系统设计.pdf

2 0 1 5年 2 月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS F e b ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 NO ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 2 全液压钻机液压系统设计 何 自如 ，张友纯 ，田胜利 ，张辞 中国地质大学 武汉机 电学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要根据钻机的结构，介绍了全液压钻机的工作过程。针对全液压钻机不同工作机构的特点和工况要求，设计了液 压控制系统，包括动力头回转回路、动力头进给回路、行走及卷扬控制回路、泥浆泵回路、辅助液回路等。 关键词全液压；钻机；液压回路 中图分类号T D 4 2 1 ． 3 ；T H1 3 7 ． 7 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 4 - 0 7 2 - 3 De s i g n o f Hy d r a ul i c S y s t e m o f Ful l - h y dr a u l i c Ri g HE Z i r u 。 ZHANG Yo uc h un， TI AN S h e n g l i ， Z HANG Ci F a c u l t y o f M e c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s Wu h a n ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r i g s t r u c t u r e， t h e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e f u l l h y d r a u l i c d r i l l i n g r i g w a s i n t r o d u c e d ． Ai mi n g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d w o r k i n g c o n d i t i o n s o f f u l l h y d r a u l i c d r i l l i n g r i g w o r k i n g me c h a n i s m ， t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d， i n c l u d i n g a p o w e r h e a d r o t a t i n g l o o p， p o we r h e a d f e e d i n g l o o p，w a l k i n g a n d wi n c h c o n t r o l l o o p，mu d p u mp l o o p， a u x i l i a r y l i q u i d l o o p ． Ke y wo r d s F u l l h y d r a u l i c ；Ri g ；Hy d r a u l i c c i r c u i t 文 中 通过 对 国 内外 钻 机液 压 驱 动 系统 的研 究 ， 结合钻探 工 艺 ，分析 了岩 心 钻机 在不 同地 质 条件 下 作业时的负载状况，得出钻探工艺要求钻机回转 速度 能在较 大 范 围 内调 节 ，且 当外 负 载变 化 时 ，钻 机回转 速度能够 自动适 应负载 变化 ，转 速保持 不变 ； 钻机 给进 负 载变 化 范 围较大 ，其 速 度特 点是 当钻压 钻进不同地层时，要求钻机钻压能够方便调节，钻 机给进速度要求能够 自适应钻速的需要 ；钻机履带 液压控制系统应该具有制动功能，避免在坡地或行 驶时液压 系统 突然 停 止工作 而 发生 事 故 ，同时为 了 避免钻机 在较 大坡 度 坡 面行驶 时发 生 滑移 ，履 带 行 走液压 系统 应该 具 有 自锁能 力 ；钻 探 过程 中，泥 浆 起着重要 的作用 ，这要求 其 液压 控制 系统输 出钻 速 和转矩能 够 根据 需要 调节 。结合 钻探 工 艺 以及钻 机 负载特 性 ，设 计 了全 液压 钻机 液压 系 统 ，设 计 了应 用 L U D V阀后 补偿 负载敏感 系统 、 L s阀前补偿负载敏 感系统 、远程流量控制 系统 的钻机 双泵液压控制 系统 。 1 液压 系统设计 1 ． 1 动 力 头回转 液压 回路 设 计 设计 的回转 液 压 回路运 用 了 L S负 载 敏感 系 统 ， 它主要由以下几个部分组成主泵 1为负载敏感泵， 此处 主泵 1 为钻机给进与 回转 回路所共用 ；为避免各 回路之间压力及流量的干涉 ，元件 2为具备负载反馈 及负载独立流量分配功能的液控 L U D V阀，从而组成 一 个典型的泵控负载敏感系统 。如图 1 所示 ，泵 1 为 力士乐负载敏感泵 ，多路阀 2为液压先导控制 ，阀块 3的作用是避免钻机启停 时气蚀 冲击 ，元 件 4为手 动 比例先导手柄，其工作压力由蓄能器提供。在钻机液 压系统设计中，使用负载敏感控制技术，可以避免钻 机负载变 化对 动力 头 转速 的影 响 ，从 而 提高钻 机 液 压系统的负载适应性 ，这样便可以准确控制执行机 构 速度 l 一 负载 敏感 泵 2 一L u D v多路 阀 3 一 缓 冲阀组4 ． 1 一 手 动液控 比 例先导阁 4 ． 2 一加压 阀 4 ．卜 蓄能器 5 一动力头马达 图 1 动力头回转回路 收稿 日期 2 0 1 ～ 1 2 3 O 作者简介 何 自如 1 9 8 9 一 ，男，硕士，主要研究领域为机电一体化等。E ～ m a i l 7 7 2 7 0 5 4 6 0 q q ． c o rn。 第 4 期 何 自如 等全液压钻机液压系统设计 7 3 1 ． 2动 力 头给进 回路 虽然 L S控制有负载 自适应 、节 能 的优 点 ，但是 其 不足之处 是 单泵 多 回路 控 制时 ，当 系统 流 量不 饱和时，供油不足的回路其压力补偿阀将失去作用 ， 此时液压油将优先满足低压回路 ，从而使得高压回 路流量减小，更有甚者减为零，从而复合动作的两 个 回路之 间 的动作 无 法协 调 ，因此 负载 敏感 系 统一 般设计成单泵单回路。这样无疑增加了液压系统成 本 ，增大 了系统 装机 功 率。为 了解 决 负 载敏 感 系统 单泵多 回路 系统 的协 调 问题 ，文 中液压 系统 采 用负 载独立流量分配系统 L U D V将给进与 回转采用 同一个 负载敏感泵 ，给进 回路液压原理 图如 图 2所示 。 副 泵 l 一背压平衡阀 2 --快速给进控制阀 3 一减压钻进吸油控制阀 4 一减 压阀 5 一溢流阀 6 一加减压钻机控制阀 7 一动力头浮动控制阀 图2 钻机给进系统原理图 加压钻进 时 ，控 制 三位 四通 阀 2处 于 中位 ，此 时主泵为给进 油缸 供 油 ，同时 ，阀 6推 至左 位 ，两 位两通 阀 3置于右位 ，通过 减压阀 4控制给进压力 。 减压钻进时，两位三通阀 6置于右位，两位两通阀 3 置于左位，此时通过溢流 阀在给进油缸无杆腔产生 背压 ，从 而抵 消一 部分 钻具 自重。阀 3的 主要 作用 是 在钻机减压钻进时 ，给进油缸 吸油使 用 。三位两通 换 向阀 7的主要作用是 拧卸钻机钻杆时 ，控制动力头 浮动 。当给进 机 构作 为 辅助 提 升机 构 时 ，需 要 给进 回路具有快速进给能力，此系统通过三位四通阀2控 制 主副泵合流 ，从而实现钻机的快速起下钻 J 。 钻机给进机 构 的速 度控 制 具有 负 载独 立 流量 分 配功能的 L U D V系统。泵的排量通过 比例换 向阀方 便 调节 ，而且 压力 损 失小 。其负 载 自适 应 的特性 避 免了负载突变引起的系统流量变化。负载敏感系统 中的压力控制阀在负载达到设定值时，泵 的排量减 少 到 只维 持 系 统 泄 漏 ，减 少 因 溢 流 而 产 生 的 能 量 损耗 。 1 ． 3 行 走及 卷 扬控 制 回路 全液压钻机行走回路采用单油泵供油 ，左右两 条履带 的行走 分 别 由两 个 马达 独立 驱动 。考 虑到 钻 机在行走时，主副卷扬不工作 ，所以在设计时，这几 个回路共享一个泵。这样行走 回路也构成一个典型 的 L S回路 。 钻机履带行走 回路原理如 图 3 所示 ，左右两片履 带 由手动液控 比例先导 阀 3和两联 液控 比例多路 阀 2 控制。此外，为了解决履带爬坡驻足 ，行走回路具有 停车 自动锁紧功能。多路换向阀选用 M4 - 1 5阀。这种 设计可以提高履带行走的负载适应性以及流量分配 的协调性。手动液控比例先导阀由蓄能器 6 经减压阀 5调定后的压力控制 ，两位三通阀 4的作用是控制液 压马达 的工作 压 力 ，这 样在 钻机 钻 进工 作 中避 免误 操作 。 l 一 负载 敏 感泵2 一 闽前 补偿 负载 敏 感 阀 卜 手 动 液控 比例 先 导 阀 4 _ _ 履带锁紧控制阀 5 - _ 减压阀 6 _ _ 蓄能器 7 、8 _ ． 平衡 阀 主 卷扬控制马达 l O 一副卷扬控制马达l 1 一履带控制阀组 图 3 履 带行走 回路液压原理 卷扬提 升 机 构 液 压 系 统 与 行走 回路 共 用 主 泵 ， 其基本组成与行走回路相似。其中阀 7 、8的作用是 在卷扬没有供油时提供一定的背压以避免卷扬转动。 1 ． 4泥浆 泵液 压 回路 设计 泥浆泵在钻机钻进过程中的主要作用 1 通 过钻井液循 环将 钻进 过 程 中产生 的大量 岩 屑带 出孔 外 ； 2 泥浆循 环可 以冷 却钻 头 、润 滑钻杆 、减小 钻杆与孑 L 壁 的摩擦力 。 泥浆泵液压原理如 图 4所示 。 l [ 1 一 远控 变 量泵卜远 控 阀卜背压 控 制 网4 一 蓄能 器 泥 浆泵 控制 阀 6 一泥 浆泵 马达 图 4 泥浆泵液压原理 泥浆泵马达转速采用远程流量控制变量泵为动 力源的容积调速回路，其 中减压 阀的作用是调节蓄 能器 4的压力 ，为泵 提供 恒定 为 3 ． 5 MP a工作 压力 ， 变量 泵的流量 由远控 阀 3 溢流 阀控制 ，控 制压力 为 0 ． 2 ～ 1 ． 8 M P a 。阀 1 ． 1 控制系统流量，阀 1 ． 2控制 7 4 机床与液压 第 4期 系统越权 压力 最高工作 压力 ，斜盘控 制油缸 作用 于溢流 阀上 ，在 阀 1 ． 1 左 腔 产生 一个 背 压 ，当泵 排 量最大时 ，背压 为 最 大 ，与 远 控 阀最 高压 力相 同。 其工作原理是当调节远控阀 2工作压力变大时， 阀 1 ． 1 右 腔 工作 压 力 大 于 左 腔 ，阀 1 ． 1阀 芯左 移 ， 斜盘控制油缸无杆腔与油箱连接，泵斜盘控制油缸 右移 ，流 量增大 ；当斜 盘控 制油 缸 右移 ，会压 缩 溢 流阀调节弹簧 ，阀 1 ． 1 左腔压力升高直至与右腔压 力相 同 ，泵此时处 于一 个 动态平 衡 状态 ，系 统流 量 保持不变 ；当 降 低 远 控 阀 压 力 时 ，过 程 与 上 面 相 反 ，泵排 量相应 减小 。 由于泥浆 泵 不反 转 ，所 以采 用丽位两 通 阀 3 控 制 泥浆 泵 的启停 。这样 的回路 设 计具有泵 量无极 可调 、没 有溢 流 和节 流损失 、节 能 效果 明显 等优点 。 1 ． 5辅助 液压 回路 设计 钻机辅助机构主要包括变幅机构 起塔 、钻 杆扶正 、滑架 动作 、卡夹机构 、机身俯仰 、钻机调平 等机构的 动作 ，除 了卡夹 机构 之 外 ，其余 机 构 在钻 机未进 行 钻 进 作业 时使 用 ，所 以共 享 比例 变量 泵 ， 这些 机构 在开 始钻 进 之前 ，已动作 调 整 机身 、钻塔 的位置 ，以实 现 钻机 钻进 不 同角 度 的孔 。由于 此类 机构的负 载基 本保 持 不变 ，工 况 相对 较 稳定 ，所 以 此类系统 的设计 要 求相 对较 低 ，只要 满足 一些 基本 的要求即 可。首先 需要 各 回路 工作 压 力能 够驱 动各 执行机构 动作 ，且各 机构 运 动速 度相 对 平 稳 ，不 能 出现较大 的速 度 波动 ；机 身 调平 、钻塔 俯仰 设 置 好 以后。需要设置 自锁功能，以保证其位置的可靠、稳 固，特别需 要注 意 的是 ，各 关联 多 路 阀 中位机 能 应 该根据实 际情况做正确 的选择 。液 压辅助 回路如 图 5 所示 图5 钻机基本回路 为了减少钻机操作人员的劳动强度 ，且尽量避 免 由于钻机 控制 不 当造成 损 失 ，同时为 了减 少 倒杆 过程所占用的时间，在钻机辅助回路中，考虑且设计 采用了卡夹联 动 1 回转器 正 、反 转 时 ，将 回转 系 统 中一 部分 压力油流经 梭 阀引 入卡 盘夹 紧油 缸抱 紧钻杆 ，常 闭 式夹持 器松 开 ，从 而动力头 回转 时 ，实现 动力头 与卡 盘的联 动 ； 2 当需 要加 钻杆 时 ，通 过三 位六 通换 向 阀动 作 ，从 而控制 液 控换 向 阀打 开 ，此 时动 力 头卡 盘 松 开 ，常闭式夹 持器抱 紧钻杆 。 3 为避免 夹持 器夹 紧钻 杆之 前 卡盘 松开 ，在 卡盘卡紧 回路设置延时 回路。 4 当钻机没有配备大钳 、需要动力头拧卸钻 杆时，操作控制夹持器的两位三通换向阀，可使得夹 持器与卡盘 同时抱紧钻杆 。 2 结束语 设计 了采用 具 有负 载独 立 流量 分 配特 点 的 阀后 补偿 L U D V负载敏感 系统作 为钻机动力头进与 回转控 制系统 ，分别确定 了地盘行走 回路 、泥浆泵控制 回路 以及其他辅助动作 回路。该钻机液压控制系统方案 具有高效节能，负载适应性强 、控制方便、抗流量不 饱 和能力强 、系统装机功率小等优点 ，为煤矿事业做 出了重大贡献 。 参考文献 [ 1 ]田宏亮． 全液压动力头式钻机液压系统动态分析及控制 方法研究[ D] ． 西安 中煤科工集团西安研究院， 2 0 0 8 ． [ 2 ]李祝民． 全液压钻机液压系统设计 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 3 ， 3 4 3 1 4 8 1 4 9 ． [ 3 ]张红军， 魏永辰， 王慧基， 等． 全液压钻机液压系统的设 计 [ J ] ． 液压与气动， 1 9 9 9 5 3 - 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