负载敏感液压系统在防突远距离控制钻机中的应用.pdf

2 0 1 0 年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第 1 期 负载敏感液压系统在防突远距离 控制钻机中的应用 辛德忠 煤炭科学研究总院重庆研究院， 重庆 4 0 3 7 摘要 防突远距离控制钻机 简称远控钻机 要求操作人员在 1 0 0 m 以外控制钻机 ， 实现钻场无人 钻孔以减少人员伤亡。要求远控钻机的液压系统具有高效节能、 高可靠性、 良好的微调性能及系统过载 保护功能。为此将具有恒功率控制功能的负载敏感液压系统应用于远控钻机， 可很好地满足钻机的使 用要求 。 关键词 远控钻机； 负载敏感 ； 恒功率控制 中图分类号 T D 4 1 ； P 6 3 4 ． 3 1 文献标志码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 0 1 0 0 3 9 0 3 在突出煤层 中施工钻孑 L ， 用 以对突出煤层进行 瓦斯抽放 、 排放或卸压 ， 这些措施几乎是 目前在无保 护层开采条件下消除煤层突 出危险性的唯一办法。 然而， 在一些严重突出煤层 中施工钻孑 L 时不断发生 突出事故 ， 使钻孔施工人员没有安全保障。防突远 距离控制钻机可以让操作者在安全区域操作钻机 ， 远 距离控制钻杆加接及拆卸， 实现钻场无人化， 可以在 瓦斯突出时有效地保障操作人员的人身安全。 远控钻机要求远距离控制钻杆加接与拆卸 ， 液 压系统 的可靠性 、 微调性远高于普通钻机； 远控钻机 为自带钻杆储存移送装置的履带式 自行钻机 ， 结构 复杂 ， 执行元件多， 各部件安装空间有 限。因此， 普 通的液压系统不能满足远控钻机 的使 用要求 ， 有必 要采用先进的负载敏感液压系统。 1 负载敏感液压系统 的发展及特点 1 ． 1 负载敏感系统的发展 工程机械最初广泛采用六通多路 阀， 其有 2条 直通油路。直通供油 回路 可组成优先油路 ， 中位时 直接回油箱卸载， 由普通六通多路阀与变量 、 定量泵 组合而成工程机械复杂多变的直通型开式油路。开 式油路有如下缺点 1 负荷压力变化会引起阀口压差变化 ， 从而会 引起通过多路阀阀口流量变化 ， 使系统流量不稳， 微 调性能差。 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 0 9 ； 2 0 0 9 0 72 6修订 作者简介 辛德忠 1 9 7 6 一 ， 男， 硕士， 工程师， 主要从事 煤矿钻机设计、 制造等领域的科研工作。 2 当一个泵向多个泵供油时， 液压油会流向负 载压力较小的执行元件 ， 从 而使负载压力较高的执 行元件速度减慢或无动作， 因此 ， 直通型开式油路很 难实现用单泵同时控制多执行元件动作。 3 在执行元件不工作时 ， 泵输 出的油液通过多 路阀卸荷回油箱 ， 这部分沿程能量损失大； 在系统节 流调速时， 系统多余流量大多通过 溢流阀或节 流阀 泄回油箱， 系统能量损失大 ， 发热难以控制。 为了克服以上缺点 ， 在液压系统 中采用 了负载 敏感控制， 通过检测执行元件 的压力、 流量 、 功率变 化信号 向系统反馈 ， 实现节能 、 流量及调速等方面的 控制。 1 ． 2 负载敏感液压系统的组成 负载敏感系统主要液压元件包括负载敏感 多路 阀及负载敏感泵。 1 负载敏感多路阀。负载敏感多路阀 见图 1 是在普通四通多路 阀的基础之上发展起来的， 其通 过采用二通压力补偿器 1与四通多路阀阀口串联的 方式形成 比例节流调速 回路 ， 二通压力补偿器能保 持四通多路 阀 3的阀口节流时压差近似不变， 使多 路阀的每一个阀 口都相当于一个 比例调速阀， 从而 解决了普通六通多路阀利用阀 口节流控制时， 流量 易受负载压力或油源压力波动的干扰 问题， 并且使 多路阀能获得 良好的微调性能。 由于压力补偿器 的存在 ， 通过压力补偿 器 1的 流量控制与分配， 可使多个执行元件同时工作而不 出现压力流量干扰。同时， 负载敏感多路 阀设置了 能 感知各联阀所控制的执行元件负载压力大小 的负 3 9 2 0 1 0年2 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第 1 期 2 3 4 1 一二通压力补偿 器； 2 一梭 阅； 3 一 四通 多路 阀； 4 一 三通压 力补偿 器。 图 1 负载敏感多路阀系统原理图 载敏感通道 ， 用于控制三通压力补偿器 4的卸荷流 量或负载敏感泵输 出流量， 使系统工作压力和最高 负载压力相适应 ， 最大限度地降低能耗。 2 负载敏感泵。负载敏感泵一般 为变量柱塞 泵 ， 其控制机构主要由泵 出口节流 阀、 恒压调节阀和 恒流调节阀等组成， 见图 2 。 流 图2 负载敏感泵系统原理图 负载敏感泵的工作原理 在负载压力小 于控制 阀设定值时， 调节阀不工作 ； 如果由于某种原 因， 使 得通过流量阀的压力 即压差 损失发生了变化 ， 这 就意味着系统的输 出流量发生 了变化， 即泵 的转子 位置发生了变化。此时 ， 调节阀阀芯的平衡被打破 ， 使阀芯产生相应的动作 ， 泵的转子 回复到发生变化 前的位置 ， 泵的输 出流量则稳定在变化之前的流量。 因此， 进入系统的流量不受负载或其他因素 如泵本 身 的影响 ， 只由流量阀的开口来决定 。 1 ． 3 负载敏感液压 系统的分类 I 5 ] 1 ． 3 ． 1 开中心负载敏感液压系统 开中心负载敏感液压系统主要 由定量泵与负载 4 0 敏感多路 阀组成。在该系统中泵的输出压力与负载 要相适应 ， 是一种压力适应 系统。当系统各换向阀 芯处于 中位时 ， 泵输出流量为泵 的最大流量 ， 而泵的 输出压力较小 1～2 MP a ， 因此被称为开中心负载 敏感系统。 1 ． 3 ． 2 闭中心负载敏感液压系统 闭中心负载敏感液压系统主要由负载敏感泵与 负载敏感多路阀组成。在该系统 中不仅泵的输出压 力与负载要相适应 ， 而且泵 的输 出流量也要 与负载 相适应 ， 是功率 匹配 系统。当系统各换 向阀阀芯处 于中位时， 泵的输出压力较低 1～ 2 MP a 而输出流 量几乎为 0 。因此被称为闭中心负载敏感系统。 2 钻机采用负载敏感 系统的特点 J 普通全液压钻机的执行元件包括旋转 、 推进、 卡 盘 、 夹持器 、 钻机支护 、 方位角及倾角的调节等 ， 在钻 机的所有执行元件 中， 只有旋转和推进需要 同时动 作 ， 而且 占用 了钻机绝大多数输 出功率。钻机在连 接或拆卸钻杆时， 钻机旋转及推进 的速度控制精度 要求较高。因此 ， 无论从节能方面还是从控制精度 方面而言 ， 提高钻机旋转及推进控制性能 ， 对整个钻 机的使用性能均具有较大的作用。 综合钻机液压系统的特点及负载敏感控制系统 的优点， 可 以得 出钻机在采用 负载敏感液压系统后 具有如下特点 1 利用负载敏感多路 阀的流量分配特性， 可以 用单一的油泵为钻 机旋转 、 推进及其他执行元件供 油。与传统全液压 钻机相 比， 可减少一个油泵或去 掉分流装置。 2 泵的输 出压力及流量 随负载变化而变化 ， 系 统效率高， 发热量小 。 3 钻机输出转速及推进速度可按 比例无级调 速 ， 可根据钻孔施工 时岩石煤层地质条件实时改变 钻机转速及推进速度。 4 具有优 良的调速性能 ， 钻机可长时间稳定工 作在较低转速或较低的推进速度， 这有利于钻机加 接或拆卸钻杆 ， 避免钻杆接头损伤。 3 远控钻机液压系统原理及控制方式 3 ． 1 远控钻机对液压系统的控制要求 与普通全液压钻机相 比， 除旋转 、 推进机构外 ， 还包括实现钻杆自动装拆的双夹持器、 钻杆移送装 置 、 钻杆顶升机构 ， 以及钻机行走 、 倾角调节等执行 元件 。 2 0 1 0年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 7卷第 1 期 要实现远距离控制钻杆连接及拆卸 ， 需要旋转 、 推进 、 双夹持器 、 钻杆移送及顶升机构紧密配合， 这 对远控钻机的液压系统提出了更高的要求 。 在加接钻杆时， 钻杆移送机构送出钻杆到位， 动 力头慢速前进并拧 紧钻杆螺纹 ， 在钻杆 移送机构后 退到位后， 钻机以正常旋转速度及推进速度钻进。 在拆卸钻杆时 ， 动力头快速回拖钻杆到第 1 个 定位点 ， 然后双夹持器动作 ， 拧松钻杆 的前接头， 动 力头慢速反转并慢速后退到第 2个定位点 ， 双夹持 器中的后夹持器夹紧钻杆， 动力头慢速反转拧松钻 杆的后接头。 钻机在执行动作时 ， 其旋转及推进速度变化大 ， 推进定位精度要求高 ， 普通液压 系统难 以达到使用 要求 ， 因此必须采用控制性能更好的负载敏感液压 系统 。 3 ． 2 远控钻机空间布局对液压系统的要求 远控钻机为履带 自行式钻机， 除远控站 以外所 有部件均安装在履带车体上 ， 除 了钻机主机外 ， 还包 括先导电磁阀组、 电控箱 、 配水装置等 ， 由于履带车 体尺寸受煤矿巷道断面的限制， 必须控制钻机各子 系统的空间体积以减小钻机的整机尺寸。 远控钻机执行元件多， 控制系统复杂 ， 包括钻机 主油路 、 先导控制油路 、 辅助控制油路等 3部分 ， 如 果采用常规供油方式， 系统需要 3个油泵为钻机提 供动力油 ， 不利于钻机空 间布局。钻机采用负载敏 感液压系统后可以用单泵为所有液压元件供油 ， 钻 机的先导控制油液也可以从负载敏感多路阀的先导 控制 口处获得， 这样就可以大大减少钻机油泵数量 及连接管路 ， 有效地减小 了钻机体积和降低了钻机 成本 。 3 ． 3 远控钻机液压系统的特点 图 3为防突远距离控制钻机 的主液压系统 图， 该系统是采用具有恒功率功能控制的闭中心负载敏 感系统。 马达旋转 推进 顶杆机构 抓 杆机构 后夹持 器 前夹持器 图 3 远控钻机 负载敏感液压系统 图 在该系统中， 负载敏感 多路阀的反馈 口与泵 的 反馈口连接， 实现流量与压力负载反馈控制。系统 采用了恒功率负载敏感泵 ， 当执行元件负载较小时， 钻机具有稳定的旋转转速及推进速度 ． 且转速与推 进速度具有负载敏感特性 ； 当执行元件 的负载增加 到泵的设定功率时， 钻机具有恒功率特性 ， 即钻机的 转速和推进速度随执行元件负载增加而减小， 随负 载的减小而增加 ； 当执行元件压力达到泵的设定压 力时 ， 泵实现压力切流， 实现了钻机的过载保护。 在多路阀的旋转及推进控制中采用了二通压力 补偿器， 在钻机工作时有效地保证了钻机的可靠性， 他普通 多路 阀 于行走及钻机 防止压力干扰； 在钻机的夹持器、 钻杆移送及顶升机 构控制中采用 了比例流量控制 ， 保证 了钻机 的控制 精度。 通过转换阀将普通多路阀连接在负载敏感多路 阀的尾片上 ， 可以用普通多路阀控制钻机的行走及 支护元件。实现了单一油泵为整个钻机所有执行元 件供油， 大大降低 了系统的复杂程度。 4 结语 将负载敏感液压系统应用于远控制钻机， 不仅 下转第4 4页 ． 41 ． 2 0 1 0 年2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 7 卷第1 期 图 5 中继器软件流程框图 5 结束语 Z i g B e e 无线传输技术是当前信息领域 的研究热 点 ， 基于 Z i g B e e技术 的开发应用层 出不穷。研制 了 一 种基于 Z i g B e e无线技术 的矿用救灾无线通信装 置 ， 凭借 Z i g B e e 技术的无线节点可以移动、 组网快速 简单 、 成本低 、 网络易维护等特点 ， 该装置在矿井应 急救灾中有着较高的推广应用价值 。 参 考文献 [ 1 ]任秀丽， 于海斌． Z i g B e e无线通信协议实现技术 的研究 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 007 ， 4 3 6 1 6 3 ． [ 2 ]李文仲， 段朝玉， 等． Z i g B e e无线网络技术入 门与实战 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 007 ． 责任编辑 吴 自立 上接第 3 8页 5 R ／ S分析方法不考虑繁杂的因素分析， 将历 史数据看作是所有因素的集 中作用结果 ， 依靠历史 数据对系统发展趋势进行预测。其优点 是过程简 捷 ， 容易操作 ， 但需要尽量多的历史数据 ， 不能实现 完全定量预测， 因此 ， 建议与其他方法组合使 用， 可 取得更加满意的预测效果 。 参考文献 [ 1 ]陈江峰， 崔金 良， 杜 明清．矿井涌水量时间序列的 R ／ S 分析[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 003 ， 3 4 5 3 8 4 0 ． [ 2 ]燕爱玲， 黄强， 王义民．黄河流域径流演变的持久性测 度[ J ] ． 干旱区资源与环境， 2 0 0 7 ， 2 1 1 1 2 7 3 0 ． [ 3 ]燕爱玲， 黄强， 刘招， 等．R ／ S法的径流时序复杂特性研 究[ J ] ．应用科学学报， 2 007， 2 5 2 2 1 4 2 1 7 ． [ 4 ]冯新灵， 罗隆诚， 邱丽丽．成都未来气候变化趋势的 R ／ S 分析[ J ] ．长江流域资源与环境， 2 0 0 8 ， 1 7 I 8 3 8 7 ． [ 5 ]黄诒蓉， 罗奕．论 R／ s分析法与股票市场的分形结构 [ J ] ．现代管理科学， 2 0 0 6 1 1 0 51 0 7 ． [ 6 ]陈金涛．基于分形市场假 说对上证综指 的实证分析 [ D] ． 青岛 青岛大学， 2 007 ． [ 7 ]黄坤， 罗宁， 朱小华， 等．R ／ S分析方法在天然气消费量 变化预测 中的应用 [ J ] ，西南 石油大学 学报， 2 007 ， 2 9 S 1 、 7 3 7 5 ． 责任编辑 李琴 上接第 4 1页 对于防突远距离控制钻机的研制成功具有重要的意 义， 还极大地提高了钻机的使用性能， 减少 了系统发 热 ， 对于煤矿全液压钻机 的技术发展均具有重要的 推动作用。 参考文献 [ 1 ]黄宗益， 李兴华， 陈明． 液压传动的负载敏感和压力补偿 [ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 9 ， 2 4 3 3 1 6 3 2 0 ． [ 2 ]朱小明． 比例多路换向阀在工程机械中的应用[ J ] ． 建筑 机械， 2 006 4 8 7 9 0 ． [ 3 ]顾临怡， 谢英俊． 多执行器负载敏感系统的分流控制发 展综述[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 3 3 6 ． 4 4 - [ 4 ]伍燕芳， 葛思华． 负载敏感液压系统的稳定性分析[ J ] ． 西安交通大学学报 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