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全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：何自如張友純田勝利張辭文檔來源：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)電學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月20日
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2015年2月
第43卷第4期
機(jī)床與液壓
MACHINE TO0L &amp;amp; HYDRAULICS
Feb．2015
Vo1．43 NO．4
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．04．022
全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計
何自如，張友純，田勝利，張辭
(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074)
摘要：根據(jù)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)，介紹了全液壓鉆機(jī)的工作過程。針對全液壓鉆機(jī)不同工作機(jī)構(gòu)的特點和工況要求，設(shè)計了液
壓控制系統(tǒng)，包括動力頭回轉(zhuǎn)回路、動力頭進(jìn)給回路、行走及卷揚(yáng)控制回路、泥漿泵回路、輔助液回路等。
關(guān)鍵詞：全液壓；鉆機(jī)；液壓回路
中圖分類號：TD421．3；TH137．7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-3881(2015)4-072-3
Design of Hydraulic System of Full-hydraulic Rig
HE Ziru 。ZHANG Youchun， TIAN Shengli， ZHANG Ci
(Faculty of Mechanical&amp;amp;Electronic Information，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan
Hubei 430074，China)
Abstract：According to the rig structure，the working process of the full hydraulic drilling rig was introduced．Aiming at the char—
acteristics and working conditions of full hydraulic drilling rig working mechanism，the hydraulic control system was designed，
including a power head rotating loop，power head feeding loop，walking and winch control loop，mud pump loop，auxiliary liquid loop．
Keywords：Full—hydraulic；Rig；Hydraulic circuit
文中通過對國內(nèi)外鉆機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究，
結(jié)合鉆探工藝，分析了巖心鉆機(jī)在不同地質(zhì)條件下
作業(yè)時的負(fù)載狀況，得出：鉆探工藝要求鉆機(jī)回轉(zhuǎn)
速度能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且當(dāng)外負(fù)載變化時，鉆
機(jī)回轉(zhuǎn)速度能夠自動適應(yīng)負(fù)載變化，轉(zhuǎn)速保持不變；
鉆機(jī)給進(jìn)負(fù)載變化范圍較大，其速度特點是當(dāng)鉆壓
鉆進(jìn)不同地層時，要求鉆機(jī)鉆壓能夠方便調(diào)節(jié)，鉆
機(jī)給進(jìn)速度要求能夠自適應(yīng)鉆速的需要；鉆機(jī)履帶
液壓控制系統(tǒng)應(yīng)該具有制動功能，避免在坡地或行
駛時液壓系統(tǒng)突然停止工作而發(fā)生事故，同時為了
避免鉆機(jī)在較大坡度坡面行駛時發(fā)生滑移，履帶行
走液壓系統(tǒng)應(yīng)該具有自鎖能力；鉆探過程中，泥漿
起著重要的作用，這要求其液壓控制系統(tǒng)輸出鉆速
和轉(zhuǎn)矩能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)。結(jié)合鉆探工藝以及鉆機(jī)
負(fù)載特性，設(shè)計了全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，設(shè)計了應(yīng)
用LUDV閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)、Ls閥前補(bǔ)償負(fù)載敏
感系統(tǒng)、遠(yuǎn)程流量控制系統(tǒng)的鉆機(jī)雙泵液壓控制
系統(tǒng)。
1 液壓系統(tǒng)設(shè)計
1．1 動力頭回轉(zhuǎn)液壓回路設(shè)計
設(shè)計的回轉(zhuǎn)液壓回路運(yùn)用了LS負(fù)載敏感系統(tǒng)，
它主要由以下幾個部分組成：主泵1為負(fù)載敏感泵，
此處主泵1為鉆機(jī)給進(jìn)與回轉(zhuǎn)回路所共用；為避免各
回路之間壓力及流量的干涉，元件2為具備負(fù)載反饋
及負(fù)載獨(dú)立流量分配功能的液控LUDV閥，從而組成
一個典型的泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)。如圖1所示，泵1為
力士樂負(fù)載敏感泵，多路閥2為液壓先導(dǎo)控制，閥塊
3的作用是避免鉆機(jī)啟停時氣蝕沖擊，元件4為手動
比例先導(dǎo)手柄，其工作壓力由蓄能器提供。在鉆機(jī)液
壓系統(tǒng)設(shè)計中，使用負(fù)載敏感控制技術(shù)，可以避免鉆
機(jī)負(fù)載變化對動力頭轉(zhuǎn)速的影響，從而提高鉆機(jī)液
壓系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)性，這樣便可以準(zhǔn)確控制執(zhí)行機(jī)
構(gòu)速度
l一負(fù)載敏感泵2一LuDv多路閥3一緩沖閥組4．1一手動液控比
例先導(dǎo)閣4．2一加壓閥4．卜蓄能器5一動力頭馬達(dá)
圖1 動力頭回轉(zhuǎn)回路
收稿日期：201～12—3O
作者簡介：何自如(1989一)，男，碩士，主要研究領(lǐng)域為機(jī)電一體化等。E～mail：772705460@qq．corn。
第4期 何自如等：全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計 ·73·
1．2 動力頭給進(jìn)回路
雖然LS控制有負(fù)載自適應(yīng)、節(jié)能的優(yōu)點，但是
其不足之處是：單泵多回路控制時，當(dāng)系統(tǒng)流量不
飽和時，供油不足的回路其壓力補(bǔ)償閥將失去作用，
此時液壓油將優(yōu)先滿足低壓回路，從而使得高壓回
路流量減小，更有甚者減為零，從而復(fù)合動作的兩
個回路之間的動作無法協(xié)調(diào)，因此負(fù)載敏感系統(tǒng)一
般設(shè)計成單泵單回路。這樣無疑增加了液壓系統(tǒng)成
本，增大了系統(tǒng)裝機(jī)功率。為了解決負(fù)載敏感系統(tǒng)
單泵多回路系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題，文中液壓系統(tǒng)采用負(fù)
載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)LUDV將給進(jìn)與回轉(zhuǎn)采用同一個
負(fù)載敏感泵，給進(jìn)回路液壓原理圖如圖2所示。
副泵
l一背壓平衡閥2-快速給進(jìn)控制閥3一減壓鉆進(jìn)吸油控制閥4一減
壓閥5一溢流閥6一加減壓鉆機(jī)控制閥7一動力頭浮動控制閥
圖2 鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)原理圖
加壓鉆進(jìn)時，控制三位四通閥2處于中位，此
時主泵為給進(jìn)油缸供油，同時，閥6推至左位，兩
位兩通閥3置于右位，通過減壓閥4控制給進(jìn)壓力。
減壓鉆進(jìn)時，兩位三通閥6置于右位，兩位兩通閥3
置于左位，此時通過溢流閥在給進(jìn)油缸無桿腔產(chǎn)生
背壓，從而抵消一部分鉆具自重。閥3的主要作用
是在鉆機(jī)減壓鉆進(jìn)時，給進(jìn)油缸吸油使用。三位兩通
換向閥7的主要作用是擰卸鉆機(jī)鉆桿時，控制動力頭
浮動。當(dāng)給進(jìn)機(jī)構(gòu)作為輔助提升機(jī)構(gòu)時，需要給進(jìn)
回路具有快速進(jìn)給能力，此系統(tǒng)通過三位四通閥2控
制主副泵合流，從而實現(xiàn)鉆機(jī)的快速起下鉆 J。
鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的速度控制具有負(fù)載獨(dú)立流量分
配功能的LUDV系統(tǒng)。泵的排量通過比例換向閥方
便調(diào)節(jié)，而且壓力損失小。其負(fù)載自適應(yīng)的特性避
免了負(fù)載突變引起的系統(tǒng)流量變化。負(fù)載敏感系統(tǒng)
中的壓力控制閥在負(fù)載達(dá)到設(shè)定值時，泵的排量減
少到只維持系統(tǒng)泄漏，減少因溢流而產(chǎn)生的能量
損耗。
1．3 行走及卷揚(yáng)控制回路
全液壓鉆機(jī)行走回路采用單油泵供油，左右兩
條履帶的行走分別由兩個馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動?？紤]到鉆
機(jī)在行走時，主副卷揚(yáng)不工作，所以在設(shè)計時，這幾
個回路共享一個泵。這樣行走回路也構(gòu)成一個典型
的LS回路。
鉆機(jī)履帶行走回路原理如圖3所示，左右兩片履
帶由手動液控比例先導(dǎo)閥3和兩聯(lián)液控比例多路閥2
控制。此外，為了解決履帶爬坡駐足，行走回路具有
停車自動鎖緊功能。多路換向閥選用M4-15閥。這種
設(shè)計可以提高履帶行走的負(fù)載適應(yīng)性以及流量分配
的協(xié)調(diào)性。手動液控比例先導(dǎo)閥由蓄能器6經(jīng)減壓閥
5調(diào)定后的壓力控制，兩位三通閥4的作用是控制液
壓馬達(dá)的工作壓力，這樣在鉆機(jī)鉆進(jìn)工作中避免誤
操作。
l一負(fù)載敏感泵2一閩前補(bǔ)償負(fù)載敏感閥卜手動液控比例先導(dǎo)閥
4__履帶鎖緊控制閥5-_減壓閥6__蓄能器7、8_．平衡閥 主
卷揚(yáng)控制馬達(dá)lO一副卷揚(yáng)控制馬達(dá)l1一履帶控制閥組
圖3 履帶行走回路液壓原理
卷揚(yáng)提升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)與行走回路共用主泵，
其基本組成與行走回路相似。其中閥7、8的作用是
在卷揚(yáng)沒有供油時提供一定的背壓以避免卷揚(yáng)轉(zhuǎn)動。
1．4 泥漿泵液壓回路設(shè)計
泥漿泵在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的主要作用： (1)通
過鉆井液循環(huán)將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的大量巖屑帶出孔
外；(2)泥漿循環(huán)可以冷卻鉆頭、潤滑鉆桿、減小
鉆桿與孑L壁的摩擦力。
泥漿泵液壓原理如圖4所示。
l[
1一遠(yuǎn)控變量泵卜遠(yuǎn)控閥卜背壓控制網(wǎng)4一蓄能器 泥漿泵
控制閥6一泥漿泵馬達(dá)
圖4 泥漿泵液壓原理
泥漿泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速采用遠(yuǎn)程流量控制變量泵為動
力源的容積調(diào)速回路，其中減壓閥的作用是調(diào)節(jié)蓄
能器4的壓力，為泵提供恒定為3．5 MPa工作壓力，
變量泵的流量由遠(yuǎn)控閥3(溢流閥)控制，控制壓力
為0．2～1．8 MPa。閥1．1控制系統(tǒng)流量，閥1．2控制
· 74· 機(jī)床與液壓 第4期
系統(tǒng)越權(quán)壓力(最高工作壓力)，斜盤控制油缸作用
于溢流閥上，在閥1．1左腔產(chǎn)生一個背壓，當(dāng)泵排
量最大時，背壓為最大，與遠(yuǎn)控閥最高壓力相同。
其工作原理是：當(dāng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)控閥2工作壓力變大時，
閥1．1右腔工作壓力大于左腔，閥1．1閥芯左移，
斜盤控制油缸無桿腔與油箱連接，泵斜盤控制油缸
右移，流量增大；當(dāng)斜盤控制油缸右移，會壓縮溢
流閥調(diào)節(jié)彈簧，閥1．1左腔壓力升高直至與右腔壓
力相同，泵此時處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，系統(tǒng)流量
保持不變；當(dāng)降低遠(yuǎn)控閥壓力時，過程與上面相
反，泵排量相應(yīng)減小。由于泥漿泵不反轉(zhuǎn)，所以采
用麗位兩通閥3控制泥漿泵的啟停。這樣的回路設(shè)
計具有泵量無極可調(diào)、沒有溢流和節(jié)流損失、節(jié)能
效果明顯等優(yōu)點。
1．5 輔助液壓回路設(shè)計
鉆機(jī)輔助機(jī)構(gòu)主要包括：變幅機(jī)構(gòu)(起塔)、鉆
桿扶正、滑架動作、卡夾機(jī)構(gòu)、機(jī)身俯仰、鉆機(jī)調(diào)平
等機(jī)構(gòu)的動作，除了卡夾機(jī)構(gòu)之外，其余機(jī)構(gòu)在鉆
機(jī)未進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時使用，所以共享比例變量泵，
這些機(jī)構(gòu)在開始鉆進(jìn)之前，已動作調(diào)整機(jī)身、鉆塔
的位置，以實現(xiàn)鉆機(jī)鉆進(jìn)不同角度的孔。由于此類
機(jī)構(gòu)的負(fù)載基本保持不變，工況相對較穩(wěn)定，所以
此類系統(tǒng)的設(shè)計要求相對較低，只要滿足一些基本
的要求即可。首先需要各回路工作壓力能夠驅(qū)動各
執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，且各機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度相對平穩(wěn)，不能
出現(xiàn)較大的速度波動；機(jī)身調(diào)平、鉆塔俯仰設(shè)置好
以后。需要設(shè)置自鎖功能，以保證其位置的可靠、穩(wěn)
固，特別需要注意的是，各關(guān)聯(lián)多路閥中位機(jī)能應(yīng)
該根據(jù)實際情況做正確的選擇。液壓輔助回路如圖5
所示
圖5 鉆機(jī)基本回路
為了減少鉆機(jī)操作人員的勞動強(qiáng)度，且盡量避
免由于鉆機(jī)控制不當(dāng)造成損失，同時為了減少倒桿
過程所占用的時間，在鉆機(jī)輔助回路中，考慮且設(shè)計
采用了卡夾聯(lián)動：
(1)回轉(zhuǎn)器正、反轉(zhuǎn)時，將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中一部分
壓力油流經(jīng)梭閥引入卡盤夾緊油缸抱緊鉆桿，常閉
式夾持器松開，從而動力頭回轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)動力頭與卡
盤的聯(lián)動；
(2)當(dāng)需要加鉆桿時，通過三位六通換向閥動
作，從而控制液控?fù)Q向閥打開，此時動力頭卡盤松
開，常閉式夾持器抱緊鉆桿。
(3)為避免夾持器夾緊鉆桿之前卡盤松開，在
卡盤卡緊回路設(shè)置延時回路。
(4)當(dāng)鉆機(jī)沒有配備大鉗、需要動力頭擰卸鉆
桿時，操作控制夾持器的兩位三通換向閥，可使得夾
持器與卡盤同時抱緊鉆桿。
2 結(jié)束語
設(shè)計了采用具有負(fù)載獨(dú)立流量分配特點的閥后
補(bǔ)償LUDV負(fù)載敏感系統(tǒng)作為鉆機(jī)動力頭進(jìn)與回轉(zhuǎn)控
制系統(tǒng)，分別確定了地盤行走回路、泥漿泵控制回路
以及其他輔助動作回路。該鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)方案
具有高效節(jié)能，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、控制方便、抗流量不
飽和能力強(qiáng)、系統(tǒng)裝機(jī)功率小等優(yōu)點，為煤礦事業(yè)做
出了重大貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]田宏亮．全液壓動力頭式鉆機(jī)液壓系統(tǒng)動態(tài)分析及控制
方法研究[D]．西安：中煤科工集團(tuán)西安研究院，2008．
[2]李祝民．全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計[J]．煤礦機(jī)械，2013，
34(3)：148—149．
[3]張紅軍，魏永辰，王慧基，等．全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)
計[J]．液壓與氣動，1999(5)：3-5．
[4]成大先．機(jī)械設(shè)計手冊：液壓傳動[M]．北京：化學(xué)工藝
出版社，2004：(37—3)一(37—4)．
[5]章宏甲，黃誼．液壓傳動[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，
2000：57-62．
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