钻机加载液压系统的设计与应用.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０３６ 收稿日期 ２０１５－０３－１３ 基金项目 “十二五” 国家科技重大专项资助项目 （２０１１ＺＸ０５０４１－００２） 作者简介 李贞杰 （１９８１）， 硕士， 工程师， 主要从事煤矿安全装备及其测试技术的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌｅｅｚｈｅｎｊ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 钻机加载液压系统的设计与应用 李贞杰１，２ （１􀆱 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 ４０００３９； ２􀆱 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 ４０００３９） 摘要 在钻机投入实际使用之前， 应该先测试负载对钻机系统可能带来的影响， 发现设计上的不足或验证钻机的工作 能力。 设计钻机加载液压控制系统， 利用液压油缸和液压马达 （泵） 对钻机输出给进力和转矩加载， 可模拟钻机实际工作 中钻进或退钻的负载状态， 实现钻机试验室模拟负载测试。 试验结果证明 液压加载系统满足钻机负载测试的需求， 具有 负载控制准确、 维护成本低等优点。 关键词 钻机； 检测； 加载液压系统 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－１１０－３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｄｒｉｌｌ Ｒｉｇ Ｔｅｓｔ ＬＩ Ｚｈｅｎｊｉｅ１，２ （１􀆱 Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇａｓ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ， Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｅｆｏｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕｓｅ， ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｌｏａｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｒｉｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔｅｓｔｅｄ ｆｉｒｓｔ， ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄｅｆｉ⁃ ｃｉｅｎｃｙ ｏｒ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ａｂｉｌｉｔｙ． Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｔｏｒ （ｐｕｍｐ） ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐｏｒｔ ｆｅｅｄｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ， ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｌｏａｄ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ ａｎｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ． Ｔｅｓｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｒｉｇ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ， ｌｏａｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔ ｉｓ ｌｏｗ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｄｒｉｌｌ ｒｉｇ； Ｔｅｓｔ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 钻机是煤矿井下瓦斯治理的重要装备。 通常， 可 利用电力测功机和液压油缸对钻机回转器和给进机构 加载， 测试转矩和给进力。 但是， 电力和液压两套不 相容的控制机构组成的负载系统， 结构比较复杂。 因 此， 设计一套可兼容回转器和给进机构同时加载的液 压系统［１］， 可简化测试系统的结构， 降低系统的制造 和维护成本。 １ 液压钻机工作原理 液压钻机［２］回转器采用液压马达配合传动箱的 结构输出转矩和转速［３］， 并依靠卡盘夹紧钻杆、 带动 钻头做旋转切削动作； 给进机构输出给进力， 牵动回 转器前后运动， 钻机输出轴向给进力； 给进机构向前 运动、 回转器回转动作， 实现钻进作业； 给进机构给 进至极限位置后， 夹持器夹紧钻杆， 回转器卡盘松开 钻杆， 给进机构带动回转器后退到极限位置后， 再次 夹紧钻杆， 重复钻进作业。 见图 １。 图 １ 液压钻机回转器和给进机构 钻机回转器和给进机构是钻机最主要的工作机 构， 检测负载对钻机可能带来的影响， 主要对钻机回 转器和给进机构进行加载测试， 对回转器施加转矩负 载， 对给进机构施加轴向力负载［４］。 ２ 负载控制原理 ２􀆱 １ 转矩负载控制 如图 ２ 所示， 钻机系统通过液压马达及变速传动 箱 （图 ２ 中忽略） 输出转矩， 钻机输出端通过联轴 器与加载泵连接， 在泵输出油路中串联可变节流阀或 溢流阀， 以改变油路阻力， 使压力改变， 达到改变加 载泵负载状态的目的， 从而实现对钻机输出转矩的控 制。 使溢流阀调节按一定的规律变化， 即可实现各种 规律变化的负载模拟［５］。 液压油经过加载溢流阀后变 成低压油， 再次回到加载泵吸油端。 图 ２ 转矩加载测试原理 ２􀆱 ２ 给进力加载控制 如图 ３ 所示， 钻机给进机构作直线运动输出轴向 力， 加载油缸在钻机的牵动下被动动作， 拉压力传感 器测试钻机输出给进力。 当钻机做给进动作时， 钻机 油缸活塞杆伸出， 加载油缸活塞杆退缩， 无杆腔向油 箱回油， 在回油管路串联溢流阀， 调节溢流阀改变油 路阻力， 从而改变加载油缸无杆腔油压， 达到控制钻 机给进机构负载的目的。 加载油缸活塞杆退缩过程 中， 无杆腔容积变大， 由补油泵向无杆腔内补油。 图 ３ 给进力加载控制原理 ３ 系统设计 ３􀆱 １ 系统总图 在回转和给进负载控制原理的基础上， 设计了钻 机测试负载控制液压系统。 系统集成了加载执行、 控 制、 方向适应、 加载模式转换、 冷却、 补油等功能， 如图 ４ 所示。 图 ４ 钻机测试负载控制液压系统 ３􀆱 ２ 元件的功能作用 （１） 加载马达为钻机输出转矩加载执行元件； （２） 液压整流器。 钻机回转输出有正反旋向， 为了适应钻机输出旋向， 系统设置了液压整流器， 整 流器由 ４ 个单向阀组成； （３） 加载油缸为钻机输出给进力加载执行元件； （４） 两位四通换向阀负责钻机给进机构负载方 向的转换， 负载方向分为给进负载 （起拔动作时空 载） 和起拔负载 （给进动作处于空载状态）； （５） 单向阀 ５ 自动适应加载油缸有杆腔或无杆 腔的补油需求； （６） 三位四通换向阀负责回转加载、 给进加载 或回转和给进同步加载补油模式的转换， Ｔ 口封闭 不用； （７） 溢流阀 ７ 和节流阀 ８ 组成给进加载控制器； （８） 溢流阀 ９ 和节流阀 １０ 组成钻机回转加载控 制器； （９） 冷却器。 系统液压油经过负载调节控制器 后， 由于功率消耗产生热量使液压油温度升高， 需要 冷却器对液压系统介质进行冷却； （１０） 单向阀 １２ 自动适应回油开式或闭式循环； （１１） 溢流阀 １３ 和 １４ 调节回路背压； （１２） 电机和补油泵向加载液压系统提供补油， 补偿系统元件内外泄漏产生的流量差。 ３􀆱 ３ 负载控制方法 ３􀆱 ３􀆱 １ 给进加载 如图 ４ 所示， 油泵向系统供油使各元件处于充油 状态。 二位四通换向阀处于图示位置。 当钻机给进机 构作给进动作， 加载油缸活塞杆被动向右运动时， 通 过调整溢流阀或节流阀改变油路阻力， 实现钻机给进 负载的控制［６］； 在此过程中， 加载油缸无杆腔容积增 大， 油泵输出流量向其补油， 泵补油不足时， 单向阀 １２ 开启， 经过加载控制器的回油可直接补充至加载 油缸无杆腔。 当钻机给进机构作起拔动作， 加载油缸 活塞杆被动向左运动时， 加载油缸无杆腔容积减小而 有杆腔容积增大， 从无杆腔溢出液压油经单向阀 ５ 流 向有杆腔， 多余的流量经溢流阀 １４ 返回油箱， 由于 溢流阀 １４ 的设定压力较低， 此刻钻机给进机构处于 近似空载状态。 同理， 将二位四通换向阀置于图示相反的位置 时， 可实现钻机起拔时负载的控制， 而给进动作时处 于近似空载状态。 ３􀆱 ３􀆱 ２ 回转加载 图 ４ 中， 油泵向系统供油使各元件处于充油状 态， 钻机正转或反转带动加载马达旋转， 加载马达压 力腔液压油溢出， 调整加载控制器可实现钻机回转输 １１１第 ８ 期李贞杰 钻机加载液压系统的设计与应用 出负载的控制， 液压油经过加载控制器再经过冷却返 回油箱， 同样， 当补油泵输出流量不足时， 单向阀 １２ 开启， 回油直接补充至液压马达负压腔。 单独回转加载时， 应通过三位四通换向阀切断给 进加载回路， 否则， 加载油缸有杆腔和无杆腔等压， 在无负载时， 可能出现活塞杆非预期动作。 ３􀆱 ３􀆱 ３ 给进和回转同步加载 将三位四通换向阀置于中位， 油泵向给进加载回 路和回转加载回路同时补油， 钻机给进机构和回转器 同步工作时， 可通过给进和回转负载调节控制器对钻 机给进机构和回转器分别同步加载， 模拟钻机钻进或 退钻过程的负载。 ４ 试验 ４􀆱 １ 数据测试 钻机测试参数主要包括（１） 输出转矩；（２） 输出转速； （３） 输出给进力； （４） 给进速度； （５） 钻机输入功率。 其中转矩和转速用转矩转速传感器测 得； 输出给进力 （或起拔力） 采用拉压力传感器测 得； 给进速度用位移传感器或速度传感器测得， 电机 输入功率即为钻机输入功率， 用电能综合测试仪 测得［７］。 ４􀆱 ２ 钻机效率计算 （１） 钻机输出功率包括回转输出功率和给进输 出功率两部分。 回转输出功率按公式 （１） 计算 Ｐ１＝ πｎＭ ３０ （１） 式中 Ｐ１为钻机回转器输出功率， ｋＷ； ｎ 为钻机输出转速， ｒ／ ｍｉｎ； Ｍ 为钻机输出转矩， ｋＮｍ。 给进输出功率按公式 （２） 计算 Ｐ２＝ Ｆｖ ６０ （２） 式中 Ｐ２为钻机给进机构输出功率， ｋＷ； Ｆ 为钻机输出给进力， ｋＮ； ｖ 为钻机给进速度， ｍ／ ｍｉｎ。 （２） 钻机效率计算按公式 （３） 计算 η ＝ Ｐ１ ＋ Ｐ ２ Ｐλ １００％ （３） 式中 η 为钻机整机效率，％； Ｐλ为钻机 （电机） 输入功率， ｋＷ。 ４􀆱 ３ 试验结果 按照行业标准 ＭＴ／ Ｔ３５６［８］和 ＭＴ／ Ｔ７９０［９］的要求， 经过试验， 液压加载系统可准确控制钻机输出负载， 加载系统结构简洁、 布置灵活。 在瓦斯灾害监控与应 急技术国家重点实验室投用以来， 经过数千台钻机产 品的试验验证， 系统加载过程平稳可靠、 各项功能满 足钻机负载试验的需求。 由于液压技术广泛应用于钻 机产品， 为加载系统的维护提供了诸多方便， 使加载 系统出现故障后在极短时间内得以修复， 维护成本 更低。 ５ 结束语 （１） 采用全液压技术设计的钻机加载控制系统 满足相关行业标准要求的各项试验功能， 可实现钻机 单独给进加载、 单独回转加载、 给进和回转同步加 载， 负载控制准确、 可靠； （２） 钻机加载液压系统结构简洁、 布置灵活， 对于钻机产品的设计和制造单位， 因液压技术广泛应 用于钻机产品， 可使钻机试验系统的运行维护成本更 低， 具有较好的经济性。 （３） 钻机加载液压系统的应用和试验系统的建 立， 可为钻机产品的研究开发、 改进完善、 性能验证 及钻机装备的进一步发展提供有效的技术支撑。 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， ２００６． ［２］ 孙友宏，薛军．液压钻机设计［Ｍ］．北京地质出版社， ２０１１． ［３］ 吕冰．ＺＹＷ⁃１２００ 煤矿用全液压钻机动力头的设计［Ｊ］． 矿业安全与环保，２０１０，３７（４）５１－５２． 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