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全液压钻机液压系统的设计 |
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作者：郑州勘察机械厂 张红军 魏永辰 王慧基 |
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KP3500型全液压转盘式钻机是我国第一代全液压特大口径工程钻机，钻孔直径可达3.5m，深度120m。该机在国内首先采用四泵双马达组成恒功率回路驱动转盘，并采用液压缸代替卷扬机，起重量大(可达1.2 MN)，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。该钻机1991年年底投入铜陵长江大桥使用，1992年通过建设部鉴定，此后又在广东虎门大桥、福建厦门海沧大桥、南京长江二桥、湖北荆沙长江大桥、浙江钱塘江三桥等国家重大工程中使用，因其效率高、工作平稳而受到施工单位一致好评，并荣获建设部科技进步二等奖和国家级新产品奖。因此，设计适用可靠的液压系统，对保证钻机的使用性能至关重要。
1液压系统设计的基本原则
利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。
2主油路系统
2.1调速方式和液压泵的选择
液压系统的调速方式有无级调速和有级调速两大类。无级调速具有调速范围大，能适应不同钻进工艺的要求，但是，变量控制回路和液压泵驱动机构较复杂。KP3500型全液压钻机采用4台A7V160LV1R恒功率变量泵和2台2QJM62-6.3B低速大扭矩液压马达组成恒功率调速系统，把有级变速和无级变速结合起来，拓宽了调速范围，而且在调速时不需要节流和溢流，能量利用比较合理，效率高而发热少。
由于钻机施工地层情况复杂，负载多变，要求钻机能随负载的变化自动调节转速和转矩，而恒功率变量系统能适应负载工况的要求，即随负载的增加，系统能够自动降低转速，增大转矩。并能最大限度地利用源动机的功率，达到最佳的钻进效果。A7V160LV1R恒功率变量泵的工作特点正在于它的排量能随负载压力的变化自动调节，以保证输入功率接近恒定值。若不计效率，则马达输出的功率N基本上等于泵输入的功率，亦为恒值，由马达的功率公式N＝Mn／974可知，N恒定时，M与n呈双曲线关系，即在恒功率变量泵的控制下，随着负载的变化，马达输出的转矩M与转速n之间按双曲线关系自动调节，可满足工况要求，其调速特性曲线如图1所示。
图1恒功率变量泵-定量马达回路调速特性曲线
2.2液压阀的选择
为了满足高压，大流量的需求，减少液压系统的造价，提高性能价格比，我们选用了插装阀。插装阀具有通流能力大，动作速度快，组合机能强，密封性好，结构紧凑，抗污染能力强，易于集成等优点。并采用集成块，显著减小了尺寸和重量。
2.3马达的选择
工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可靠，转矩大，而且低速稳定性好。
目前，低速大扭矩液压马达的主要形式有多作用径向柱(球)塞式，双斜盘轴向柱塞式和摆线转子式等。凡是转速范围要求宽，径向尺寸小，轴向不受限制的场合，用双斜盘轴向柱塞式马达；当传递转矩大，低速稳定性要求高，采用内曲线多作用径向柱(球)塞马达。
2QJM62-6.3B低速大扭矩马达采用钢球代替了一般内曲线液压马达所用的滚轮和横梁，因而结构简单，工作可靠，体积和重量显著减小，耐冲击，调速范围宽，改变进入液压马达的流量即可改变转速，实现无级变速的目的；马达同时又具有两级变量，而有级变量是通过改变配流轴中变速阀阀芯位置来实现的，因而兼顾有级调速和无级调速的优点，具有更大的适应性(主油路系统液压原理图如图2所示)。
图2主机液压系统原理图
2.4电磁阀YV1、YV2工作原理
1) 由于钻机工作时流量大，达960 L／min，因此各种阀全部采用电磁阀作为先导阀，可以减小操作强度，使操作面板更为紧凑，控制室内无油管，改善了操作环境；当YV1a，YV1b断电时，钻盘(马达)处于浮动状态，此时可以在不停主机泵组的情况下，用手转动转盘来调整钻杆的方向，以便顺利地装卸钻杆。
2) YV1b通电时，Ib主阀不通，马达处于工作状态。
进油路：
泵→马达。
回油路：
马达→Ia主阀→缓冲阀→背压阀→冷却器→油箱。
泵的另一出油口，由于电磁阀YV1b通电，其主阀不通，当工作压力超过系统设定压力17 MPa时，开启溢流。
3) YV1a通电时，其主阀不通，即马达制动；另一路经总溢流阀→背压阀→冷却器→油箱。
4) YV2通电时，用背压阀的压力来调整马达弹簧压紧的变速阀芯，达到液压马达换挡调速的目的，背压阀设定压力0.6～0.8 MPa。
3起重进给系统
3.1起重进给方式的选择
由于KP3500型全液压钻机设计钻孔直径3.5 m，孔深120m，整个钻具重量达数十吨，如果利用钢丝绳-滑轮倍增机构，游动滑车组结构复杂，单绳起重量大，还要增设卷场，刹车等附加装置；而深孔转盘钻机钻进时主要是在减压工况下工作，其钻压和进给速度的调节要人工通过升降机制动器和钢绳滑车系统来实现，人工调节精度低，同时容易引起精神上和体力上的疲劳，增强工人劳动强度。因此，利用液压缸代替卷扬机升降钻具，升降系统和进给系统合一，不仅起重量大，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。
进给系统是钻机的重要组成部分，直接影响钻进效率、质量和钻机的功率消耗。进给回路一般有节流进给，压力平衡进给和调压进给3种方式。调压进给回路能够调节钻头的压力，但在减压钻进时，系统损失较大，且不能控制进给速度；压力平衡进给回路的背压造成系统压力损失和发热；节流调速进给回路可控制进给速度快慢，回油背压的存在可使进给速度更加稳定，使钻速对钻压的波动的影响较小，从而减少了对钻头切削刃上的动载作用，延长钻头寿命。KP3500钻机采用回油路节流调速进给系统，为了减少功率损失和油液发热，可使系统依靠钻具及配重的重量无泵减压钻进。
3.2液压系统的确定
由于主机系统在变量过程中液压油易发热，且恒功率变量泵要求的过滤精度也比齿轮泵高。所以，起重进给系统单独采用定量齿轮泵-液压缸系统，齿轮泵结构简单紧凑，转速高，自吸性能好，对油液污染也不敏感；利用电液单向插装阀使系统具有4种功能：升降钻具，加压下降，在钻具自重作用下快速进给和慢速进给；其速度可根据实际情况设定；利用单向插装调速阀调整两液压缸使之同步动作，避免造成水龙头提梁倾斜；并联压力阀调节系统压力，同时也是溢流阀；可以使齿轮泵卸载间歇工作，提高功效(起重进给系统原理图如图3所示)。
1.插装溢流阀2、3、4、5、7、9.插装单向阀
6.插装单向节流阀8.节流阀10.插装调速阀11.单向阀
图3起重系统原理图
3.3油路分析(电磁换向阀动作顺序见表1)
注：○表示通电。
1) 液压缸上行进油路
a) YV1吸合，主溢流阀1的控制油口接背压阀，当压力升高超过背压阀设定压力(14 MPa)时，主阀1将开启溢流卸载。
b) YV2吸合，其主阀控制油口接油箱，主阀开启过流；YV3断开，其主阀控制油口接高压油，主阀闭合，同时单向插装阀4开启，液压缸有杆腔接油箱；阀5关闭。
c） YV4吸合，单向节流阀6开启通流，调节单向阀8可控制慢下速度；YV5吸合，单向阀7开启过流，单向阀9关闭，液压油通过插装调速阀进入液压缸无杆腔。
液压缸上行回油路：
液压缸有杆腔→节流阀→油箱。
2) 液压缸强制下行
进油路：
液压泵→插装阀3→液压缸有杆腔。
回油路：
液压缸无杆腔→单向阀9→阀7→阀6→阀5→油箱。
3) 液压缸自重快下
此时YV1断电，阀1控制油路接油箱，液压泵通过阀1卸载；液压缸无杆腔由于缸套及钻具自重，体积缩小，产生高压，高压油→阀9→阀7→阀6→阀5→油箱。液压缸有杆腔体积增大，产生真空，通过单向阀11补油，保证运行平稳。
4) 液压缸自重慢下
YV1断电，液压泵卸载 ，液压缸处于浮动位置；YV4断电，阀6关闭，液压缸无杆腔高压油→阀9→阀7→节流阀8→阀5→油箱。调节阀8的节流口大小，可以控制下行速度，同时使液压缸无杆腔的背压平衡部分钻具重量，可实现无泵减压钻进，其压力值可由压力表Ⅱ读出。
5) 钻具称重
将钻具提离孔 ，采用封闭法称重时，只有YV5通电，关闭节流阀8，压力表Ⅱ显示钻具重量。
4工业使用效果
几年来该钻机不仅在多项国家重大工程的基础施工中发挥重大作用，而且也为企业创造了显著的经济效益和良好的社会效益。实践证明该液压系统参数设计合理，钻进效率高，操作维护方便，故障率低，可满足基础施工需要。
5几点体会
1) 液压系统主要参数的确定，应注意元件参数的合理匹配，应使其尽量适应钻进过程中岩石的破碎机理，以提高钻机的工作效率和延长钻具的使用寿命。
2) 液压油的过滤精度对元件的使用寿命影响很大，从而影响整机的使用。因此，在条件允许的情况下，可选用过滤要求低的元件，而在系统的设计上，适当提高过滤精度，使设计和要求的过滤精度二者有一定裕度。
3) 为了确保全液压钻机的可靠性，选取优质可靠的液压元件极为重要，在系统方案确定后，对液压元件的选用，应进行广泛调研，通过综合对比分析，选用最优的元件。
4) 在设计管路系统时，应在采取合理结构的前提下，适当提高设计和装配的技术要求，以确保系统的密封质量。
6结束语
随着钻进工艺和技术的发展，KP3500型钻机液压系统也显露出一些不足。如：当转矩太大时，钻具不能自动抬起；加压钻进时，加压力不能随地层不同而自动调节等。我们将紧随液压技术和微电子技术的发展，利用新型液压元件(如电液比例阀，伺服阀等)和新颖的微机型智能仪器(如传感器，测压仪等)对系统不断加以改进，满足用户需要。
(end)
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(7/6/2004) |
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