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1、 全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)研究 —以ZDY3200S全液壓鉆機(jī)為例 摘 要 鉆機(jī)作為當(dāng)今我國(guó)鉆井作業(yè)中最為主要的設(shè)備，在我國(guó)的鉆井作業(yè)和礦物勘探等領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。論文根據(jù)國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，首先分析了目前傳統(tǒng)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)，其次介紹了目前國(guó)內(nèi)研究比較多的兩類(lèi)礦物勘探鉆機(jī)，煤礦坑道鉆機(jī)和全液壓鉆機(jī)，分析其各自液壓設(shè)計(jì)原理，最后通過(guò)對(duì)比總結(jié)， 可得到全液壓鉆機(jī)在液壓控制方面的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)仿真分析，對(duì)于改進(jìn)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)鉆機(jī)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)的指導(dǎo)。 關(guān)鍵詞　鉆機(jī)；液壓原理；分析 i Abstract Drill rig as the mos

2、t major equipment for drilling operation in today's China, areas such as drilling and mineral prospecting in our country occupies a pivotal position.According to the current situation of drilling rigs’ development in China and oversee, the paper analysis the traditional rigs’ hydraulic system first,

3、 and introduces the current coal mine tunnel drilling rigs’ hydraulic design principle, compare these two kinds of rigs’ hydraulic system to get the advantage of the hydraulic control and the direction of future development. Keywords　 drilling rigs; hydraulic principle; analysis

4、 ii 目錄 摘 要 i Abstract ii 第1章 緒論 5 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 1.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.2 鉆機(jī)的發(fā)展概況 6 1.2.1 臥式鉆機(jī)介紹 7 1.2.2 立式鉆機(jī)簡(jiǎn)介 7 1.3 鉆機(jī)中液壓原理的應(yīng)用現(xiàn)狀 8 第2章 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)功能與分析 9 2.1 常見(jiàn)鉆機(jī)液壓系統(tǒng) 9 2.1.1 單泵液壓系統(tǒng) 9 2.1.2 雙泵液壓系統(tǒng) 10 2.1.3 多泵液壓系統(tǒng) 10 2.2

5、 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路 11 2.2.1 回轉(zhuǎn)液壓回路 11 2.2.2 調(diào)壓限壓回路 11 2.2.3 調(diào)速回路 12 2.2.4 給進(jìn)液壓回路 13 2.2.5 壓力控制回路 13 2.2.6 速度控制回路 17 2.2.7 輔助液壓回路 17 2.2.8 控制機(jī)身起落的液壓回路 17 2.2.9 控制卡夾機(jī)構(gòu)的液壓回路 18 2.3 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓回路的特點(diǎn) 18 第3章 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 19 3.1 鉆頭回轉(zhuǎn)液壓回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 19 3.2 動(dòng)力鉆頭給進(jìn)回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 21 3.3 行走及卷場(chǎng)控制回路 22 3.4 泥漿泵液壓回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 23 第4

6、章 ZDY3200S型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)實(shí)例研究 25 4.1 適用范圍 25 4.2 型號(hào)含義 25 4.3 主要技術(shù)參數(shù) 25 4.4 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 27 4.4.1 回轉(zhuǎn)器 27 4.4.2 夾持器 28 4.4.3 給進(jìn)裝置 28 4.4.4 機(jī)架 28 4.5 操縱臺(tái) 29 4.6 泵站 29 4.7 液壓系統(tǒng)工作原理 30 第5章 總結(jié)與展望 32 5.1 總結(jié) 32 5.2 展望 32 參考文獻(xiàn) 34 致 謝 35

7、第1章 緒論 因此本文在總結(jié)和分析前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)于煤炭開(kāi)采用坑道鉆機(jī)的液壓原理應(yīng)用和全液壓鉆機(jī)中全新液壓原理的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹，以期通過(guò)本文，對(duì)鉆機(jī)中液壓原理的設(shè)計(jì)提出新的思路。 1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前，我們國(guó)產(chǎn)的鉆機(jī)依然沿用著定量泵和手控閥的液壓系統(tǒng)。這種液壓系統(tǒng)操作繁瑣且功能單一，技術(shù)較為落后。最主要的是，這種傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)不能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控環(huán)境的變化和地質(zhì)的變化，因此不能夠遙控或者調(diào)整工藝參數(shù)，不能夠適應(yīng)多種地質(zhì)條件的勘探。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案將重點(diǎn)放在了控制和參數(shù)調(diào)整方面，沒(méi)有針對(duì)能耗和效率問(wèn)題進(jìn)行深入研究。這樣既增加了一

8、次性投資，也因設(shè)計(jì)不當(dāng)使得能量損耗過(guò)大。當(dāng)前我國(guó)對(duì)于鉆機(jī)的應(yīng)用，大部分集中在煤炭的開(kāi)采上。由于煤炭是一種一次性的消費(fèi)品，且大多儲(chǔ)藏在地勢(shì)復(fù)雜的地區(qū)。因此在煤炭的開(kāi)采過(guò)程中，鉆機(jī)需要克服地勢(shì)、安全、采礦等多方面的要求，并能夠在地下進(jìn)行順暢的開(kāi)采任務(wù)。 1.1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 在上世紀(jì) 80 年代初，英國(guó)在煤礦井中最先應(yīng)用井底馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)，當(dāng)時(shí)鉆進(jìn)距離為1000米，但是如果去掉鉆進(jìn)工藝尺寸和煤層的尺寸，那么實(shí)際的鉆進(jìn)距離只有635米。從20 世紀(jì)中期開(kāi)始，澳大利亞將此技術(shù)發(fā)展到了瓦斯抽放井及地質(zhì)勘探井的施工中，并成為該井的主要技術(shù)，且有了顯著的效果。一般可以達(dá)到 700 米左右的井深，于

9、2002年達(dá)到 1761 米的最大井深。此技術(shù)有很強(qiáng)井眼軌跡控制能力，缺點(diǎn)為井底馬達(dá)的輸出的扭矩較小，井眼直井較小，且鉆井成本較高。 立式鉆機(jī)逐漸被取代發(fā)生在20世紀(jì)60年代，那時(shí)候國(guó)外的一些國(guó)家開(kāi)始研究全液壓式鉆機(jī)，并且逐漸將立式鉆機(jī)淘汰。在20世紀(jì)90年代，在原有的全液壓鉆機(jī)技術(shù)上，應(yīng)用了電液比例控制技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用，使得液壓鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力和其他能力都有了質(zhì)的飛躍。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，由于鉆機(jī)的人工操作不便于深井作業(yè)，且面臨著很大的危險(xiǎn)，因此此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)而發(fā)展到新型勘探鉆機(jī)領(lǐng)域中，并且快速擴(kuò)展適用鉆機(jī)的范圍，使得鉆機(jī)機(jī)電一體化，為接下來(lái)的鉆井工作提高了很大的效率。 35

10、 圖1-1 總得來(lái)說(shuō)，在鉆機(jī)的液壓元、部件的性能及選用方面國(guó)外煤礦坑比國(guó)內(nèi)水平要高，另外整體性能更好，更具備完善的功能。在當(dāng)今社會(huì)，勞動(dòng)力的成本正在不斷上漲，隨著科技的發(fā)展，人工智能的出現(xiàn)，電液比例技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，各大鉆探設(shè)備生產(chǎn)商開(kāi)始對(duì)智能鉆探設(shè)備進(jìn)行探究，電液比例技術(shù)開(kāi)始廣泛運(yùn)用于智能鉆探設(shè)備。 1.2 鉆機(jī)的發(fā)展概況 不管是立式鉆機(jī)還是臥式鉆機(jī)，在工作的過(guò)程中，都是由各個(gè)液壓系統(tǒng)組成并且控制其動(dòng)作的，因此液壓系統(tǒng)在鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中，是非常重要的。液壓系統(tǒng)的好壞直接影響著鉆機(jī)的能耗高低，性能高低和鉆機(jī)的壽命長(zhǎng)短等。 煤礦坑道鉆機(jī)在施工過(guò)程中，會(huì)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境

11、的變化而引起負(fù)載的變化，從而影響鉆進(jìn)的速度和效率，所以鉆機(jī)必須解決負(fù)責(zé)不穩(wěn)定性，且鉆進(jìn)時(shí)要滿(mǎn)足工藝要求，比如起鉆桿，接鉆桿等工藝。 1.2.1 臥式鉆機(jī)介紹 臥式鉆機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力鉆頭、液壓操縱臺(tái)、液壓站、輔助卡盤(pán)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。這種鉆機(jī)的動(dòng)作都是液壓驅(qū)動(dòng)的，如鉆桿旋轉(zhuǎn)、鉆桿升降、調(diào)整井架等。而全液壓式鉆機(jī)能夠更強(qiáng)的適應(yīng)各式工況，能夠根據(jù)工作環(huán)境的不同要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù) 。此外，臥式鉆機(jī)還具有鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，可進(jìn)行多種鉆進(jìn)工藝、單一機(jī)構(gòu)的多功能性，并且全液壓鉆機(jī)重量輕，轉(zhuǎn)速高，工作平穩(wěn)，操作也是方便安全，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 1.2.2 立式鉆機(jī)簡(jiǎn)介 目前市場(chǎng)上通用的立式鉆機(jī)，

12、一般是由電機(jī)、液壓系統(tǒng)、離合器、變速箱等部分構(gòu)成，其工作原理比較古老，偏向機(jī)械化。主要由電機(jī)先啟動(dòng)，然后拉動(dòng)變速箱，變速箱再傳至分動(dòng)箱，最后分動(dòng)箱帶動(dòng)回轉(zhuǎn)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，所以市場(chǎng)上也稱(chēng)為機(jī)械式鉆機(jī)。在立式鉆機(jī)中，有一個(gè)部分是很重要的，那就是液壓系統(tǒng)，其作用原理主要是通過(guò)改變壓強(qiáng)增大作用力，作用方式主要為控制液壓與輔助卡盤(pán)的松緊以及鉆桿的推進(jìn)。 圖1-2 其控制過(guò)程是這樣的，首先電機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，將液壓油輸入到液壓系統(tǒng)，將電能轉(zhuǎn)換為液壓能。然后通過(guò)液壓系統(tǒng)中各個(gè)元器件和液壓系統(tǒng)的各種回路，控制執(zhí)行元件的動(dòng)作。如在立式鉆機(jī)中，通過(guò)液壓缸內(nèi)部直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，來(lái)推動(dòng)立式鉆桿的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)

13、支撐油缸，可以固定立式鉆機(jī)，通過(guò)油缸的不斷運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)回轉(zhuǎn)器進(jìn)行微調(diào)。 1.3 鉆機(jī)中液壓原理的應(yīng)用現(xiàn)狀 液壓系統(tǒng)由信號(hào)控制和液壓動(dòng)力兩部分組成，主要進(jìn)行能量之間的轉(zhuǎn)換。由于其具有控制穩(wěn)定且輸出的能量較為可靠的特點(diǎn)，自從開(kāi)始應(yīng)用液壓系統(tǒng)以來(lái)，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。 現(xiàn)在，我國(guó)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)還停留在靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)的路線(xiàn)上，其基本內(nèi)容一般包括首先明確鉆機(jī)工作的環(huán)境，然后分析其環(huán)境和鉆進(jìn)條件對(duì)于鉆機(jī)的要求，包括動(dòng)作要求和動(dòng)力要求等，最后通過(guò)初步的設(shè)計(jì)，進(jìn)行逐漸深入的明細(xì)化設(shè)計(jì)，將各個(gè)元器件的參數(shù)，各個(gè)液壓回路進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)成一套完成的液壓系統(tǒng)。傳統(tǒng)的立式鉆機(jī)和臥式鉆機(jī)，其液壓

14、系統(tǒng)大多由手動(dòng)控制，控制較為簡(jiǎn)單，但是精度不高，不能根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)的參數(shù)設(shè)計(jì)和控制。鉆機(jī)在使用過(guò)程中，大多的動(dòng)作時(shí)由多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)共同完成的，其液壓系統(tǒng)在控制執(zhí)行元件進(jìn)行工作的過(guò)程中，不可避免的會(huì)發(fā)生泄漏，而液壓的泄漏將會(huì)導(dǎo)致壓力的流量等液壓參數(shù)的改變，而這些改變卻不能通過(guò)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)進(jìn)行適應(yīng)。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)和國(guó)外一些鉆機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較和學(xué)習(xí)，對(duì)傳統(tǒng)的液壓鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得新型的鉆機(jī)能夠根據(jù)環(huán)境的變化而適時(shí)的調(diào)整液壓的參數(shù)，保證鉆進(jìn)工作的正常進(jìn)行。 第2章 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)功能與分析 從不同的角度出發(fā)，液壓系統(tǒng)可以分成不同的形式。按油液的循

15、環(huán)方式，可分為開(kāi)始系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)；按液壓系統(tǒng)中液壓泵的數(shù)目，可分為單泵系統(tǒng)，雙泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)；按所用液壓泵形式的不同，可分為定量泵系統(tǒng)和變量泵系統(tǒng)；按向執(zhí)行元件供油方式的不同，可分為串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)；按用途的不同，可分為固定設(shè)備用系統(tǒng)和行走設(shè)備用系統(tǒng)；按主換向閥在中位時(shí)液壓泵的工作狀態(tài)，可分為中開(kāi)式系統(tǒng)和中閉式系統(tǒng)；除此之外，按工作特征的不同，還可分為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。 2.1 常見(jiàn)鉆機(jī)液壓系統(tǒng) 目前市場(chǎng)上普遍的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，主要區(qū)別就是液壓泵的數(shù)目不同，即是單泵系統(tǒng)、雙泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)。 2.1.1 單泵液壓系統(tǒng) 在小功率的鉆機(jī)中，由于變量泵液壓系統(tǒng)成本相對(duì)于定量泵液壓

16、系統(tǒng)偏高，且組成較為復(fù)雜，所以一般的生產(chǎn)商都會(huì)選擇定量泵液壓系統(tǒng)。 此型鉆機(jī)采用機(jī)械式調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度，比較多的小型鉆機(jī)采用壓力控制閥來(lái)調(diào)節(jié)壓力。此類(lèi)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單, 方便操作和維護(hù),但效率不高、能耗較大，比較典型的此類(lèi)液壓系統(tǒng)原理如下圖2-1所示。 圖2-1 單泵鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖 盡管定量泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但正是由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)致了全液壓鉆機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中不能高效率的進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，這主要是因?yàn)殂@機(jī)的各個(gè)部分在工作的時(shí)候，其變化區(qū)間較大，同時(shí)由于能量的大量流失，還會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)在使用的過(guò)程中溫度過(guò)高，使得在操作的過(guò)程中存在過(guò)高的危險(xiǎn)性。近年來(lái)，由于資源的減少

17、，能源成本在不斷的增加，所以鉆機(jī)生產(chǎn)商開(kāi)始將定量泵系統(tǒng)改為變量泵單泵系統(tǒng)，從而可以將能量損失避免掉，也進(jìn)一步減少了鉆機(jī)的能耗，也解決了油溫升高等問(wèn)題。 2.1.2 雙泵液壓系統(tǒng) 單泵系統(tǒng)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)在完成一些復(fù)合動(dòng)作之后，由于其使用的油源唯一，因此當(dāng)這兩個(gè)動(dòng)作回路之間發(fā)生較大的差別時(shí)或者某一個(gè)回路的負(fù)載發(fā)生突變的時(shí)候，會(huì)影響其他動(dòng)作。為了解決一個(gè)泵影響不同的回路問(wèn)題，采用兩個(gè)泵作為系統(tǒng)動(dòng)力源，這樣就避免了不同回路之間的相互影響。如圖2-2所示為雙泵液壓系統(tǒng)原理圖。 圖2-2 雙泵液壓原理圖 在雙泵液壓系統(tǒng)中，將大泵作為主泵，主要用于控制鉆機(jī)進(jìn)給鉆頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和鉆機(jī)的升降動(dòng)作，小排

18、量泵作為輔泵，主要用于控制鉆機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和其他輔助性的作業(yè)。采用了雙變量泵之后，鉆機(jī)的排量調(diào)節(jié)方便，且有很好的節(jié)能效果。 2.1.3 多泵液壓系統(tǒng) 一般將鉆機(jī)中采用三個(gè)或者三個(gè)以上泵的液壓系統(tǒng)，統(tǒng)稱(chēng)為多泵系統(tǒng)。多泵系統(tǒng)避免了泵與泵之間流量和壓力的相互干涉，如圖2-2所示為多泵液壓系統(tǒng)的原理圖。 圖2-3多泵液壓系統(tǒng)原理圖 2.2 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)基本回路 傳統(tǒng)鉆機(jī)的液壓回路主要由回轉(zhuǎn)液壓回路、給勁液壓回路和輔助液壓回路等組成。下面分別介紹這幾個(gè)回路在傳統(tǒng)鉆機(jī)中的應(yīng)用。 2.2.1 回轉(zhuǎn)液壓回路 在鉆機(jī)的液壓回路中，回轉(zhuǎn)液壓回路主要包括調(diào)壓限壓回路和調(diào)速回路?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，主要采用

19、變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主軸或用定量馬達(dá)通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)主軸。 2.2.2 調(diào)壓限壓回路 在常見(jiàn)的液壓回路中，系統(tǒng)壓力主要由泵口的溢流閥控制，當(dāng)系統(tǒng)壓力需要調(diào)節(jié)時(shí)，只需要調(diào)節(jié)溢流閥，使其能夠在系統(tǒng)壓力變化時(shí)，保證系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。在限壓和調(diào)壓回路中，主要通過(guò)調(diào)整溢流閥不同的壓力而實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)壓力。在限壓回路中，溢流閥調(diào)整的壓力是系統(tǒng)中的最大壓力，這意味著在鉆機(jī)正常工作的時(shí)候，調(diào)整溢流閥，液壓系統(tǒng)的壓力不再變化。而在調(diào)壓回路中，溢流閥調(diào)整的壓力是系統(tǒng)中的工作壓力。這意味著當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，由于鉆機(jī)所處的環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，或者煤層發(fā)生變化，或者鉆進(jìn)的過(guò)程中，鉆機(jī)受到的阻力等發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)所需壓力不同，

20、這個(gè)時(shí)候就需要調(diào)節(jié)溢流閥，調(diào)壓回路和限壓回路通常都能在系統(tǒng)中看到，但是為了系統(tǒng)的安全考慮，一般情況下在鉆機(jī)工作狀態(tài)下都是將調(diào)壓回路代替限壓回路，并且并聯(lián)兩個(gè)溢流閥安裝在液壓泵的出口處，一個(gè)調(diào)整系統(tǒng)壓力，一個(gè)調(diào)整系統(tǒng)最大壓力。 通常應(yīng)用了閉式系統(tǒng)的鉆機(jī)，其為了適應(yīng)油流的方向，所以溢流閥處于并聯(lián)狀態(tài)，如圖2-4所示。 圖2-4 閉式系統(tǒng)調(diào)壓回路 2.2.3 調(diào)速回路 通過(guò)調(diào)整調(diào)速回路的容積，可以對(duì)回路工作的速度進(jìn)行改變，速度調(diào)節(jié)回路主要有三種形式，一種形式的液壓系統(tǒng)是由變量泵和定量馬達(dá)來(lái)控制的，這種系統(tǒng)能夠輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，使得液壓系統(tǒng)能夠進(jìn)行恒速的轉(zhuǎn)動(dòng)。另一種是由定量泵和定量馬達(dá)組成

21、的液壓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠輸出恒定的功率，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行所需的功率。第三種液壓系統(tǒng)則是由變量泵與變量馬達(dá)組成的，這種系統(tǒng)擴(kuò)大了前兩種的轉(zhuǎn)矩和功率。 變量泵——雙定量馬達(dá)回路是變量泵——定量馬達(dá)容積調(diào)速的另一種型式，此型式即為將容積調(diào)速和有級(jí)調(diào)速結(jié)合起來(lái)。如圖2-5所示。通過(guò)能量守恒定律，即能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，總量保持不變，我們可以知道馬達(dá)的輸出功率等于泵的輸出功率乘以效率，也就是流量、壓力和效率的積。因?yàn)槭亲兞勘?，其流量和壓力都是不變的，所以功率不變，通變速保持恒? 圖2-5 變量泵-定量馬達(dá)調(diào)速回路 在鉆機(jī)的鉆進(jìn)進(jìn)給回路中，為了能夠保證鉆頭裝置的速度和動(dòng)力輸出，通常在動(dòng)力頭

22、的機(jī)械裝置中增加變速箱來(lái)調(diào)節(jié)其速度。通常情況下，需要對(duì)鉆進(jìn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和動(dòng)力性進(jìn)行測(cè)試，以便能夠在較復(fù)雜的鉆進(jìn)工藝情況下，依然能夠采用這種容積調(diào)速回路進(jìn)行工作和鉆進(jìn)支持。這樣調(diào)速回路，能夠提高回轉(zhuǎn)器的工作可靠性，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速和負(fù)載的需求。 2.2.4 給進(jìn)液壓回路 在全液壓的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)中，整體的運(yùn)動(dòng)是由局部趨向于整體的，所以液壓缸的給進(jìn)運(yùn)動(dòng)是由液壓缸的直接運(yùn)動(dòng)、液壓缸鏈條和液壓馬達(dá)鏈條的間接運(yùn)動(dòng)所組成的。 2.2.5 壓力控制回路 壓力控制回路，即利用各種壓力閥控制系統(tǒng)或系統(tǒng)某一部分油液壓力的回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、減壓、增壓、卸荷和多級(jí)壓力等控制，滿(mǎn)足執(zhí)行元件對(duì)力或轉(zhuǎn)矩的要求。面對(duì)不同的

23、液壓系統(tǒng)和工作情況，壓力控制回路的選擇也不同，通常主要為加壓和減壓。 在加壓鉆進(jìn)的壓力控制回路中，主要分為兩種，即溢流閥調(diào)壓回路和減壓回路。溢流閥調(diào)壓回路中所使用的溢流閥主要起定壓溢流的作用，在定量泵節(jié)流調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，定量泵提供的是恒定流量，當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，會(huì)使流量需求減小，此時(shí)溢流閥就會(huì)開(kāi)啟，使多余流量溢回油箱，保證溢流閥進(jìn)口壓力，從而使得有足夠穩(wěn)定的壓力來(lái)進(jìn)行鉆井。同樣，減壓回路中，溢流閥可作為卸荷閥來(lái)使用，主要起系統(tǒng)卸荷作用。 在常用的減壓回路中，馬達(dá)運(yùn)行的方式主要是由先導(dǎo)壓力和恒壓來(lái)進(jìn)行控制。但兩種控制方式不能同時(shí)進(jìn)行，在不同的條件下有不同的控制方式，當(dāng)馬達(dá)的壓力低于恒壓時(shí)

24、，其運(yùn)行主要通過(guò)先導(dǎo)壓力；當(dāng)馬達(dá)的壓力高于恒壓時(shí)，先導(dǎo)壓力無(wú)法對(duì)馬達(dá)進(jìn)行控制，由于恒壓的設(shè)定，馬達(dá)會(huì)被伺服閥自動(dòng)控制。如圖2-6所示，減壓閥可以隨時(shí)對(duì)工作壓力進(jìn)行控制，既方便又可以讓各回路的壓力互不干擾。 圖2-6 減壓回路 鉆機(jī)作為一種工程設(shè)備的存在，其需要對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境所適應(yīng)。因此鉆機(jī)制造商為了鉆機(jī)能夠一機(jī)多用，于是將多種壓力控制回路進(jìn)行組合，使得鉆機(jī)能夠在不同的要求下進(jìn)行相應(yīng)的工作。如圖2-7所示，為ZDY1900(MKD一5S)型鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)工作原理。 圖2-7 ZDY1900S型鉆機(jī)液壓系統(tǒng) 在背壓平衡回路中，將一個(gè)單向背壓閥串聯(lián)在回油的液壓回路中，如圖2-8所示

25、。在進(jìn)行減壓鉆機(jī)時(shí)，多路換向閥處于閑置位置，這樣能夠保證油箱與液壓油缸的兩腔聯(lián)通。為了能夠使得回油腔在工作中平衡一部分鉆機(jī)的自重，通常調(diào)整多路換向閥的位置，使其能夠產(chǎn)生一定的背壓，以此來(lái)達(dá)到減壓鉆進(jìn)的功能。這種回路的特點(diǎn)是能耗小，發(fā)熱少，能夠保證系統(tǒng)的功率需要和動(dòng)作穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，不但操作方便，也能夠較為容易的對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和實(shí)時(shí)監(jiān)控。加壓鉆機(jī)的時(shí)候，應(yīng)該將進(jìn)給油缸的回油回路打開(kāi)，使得其能夠釋放一部分的背壓，于是鉆機(jī)工作的進(jìn)給壓力恒定于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間。減壓的調(diào)節(jié)依然是通過(guò)對(duì)油缸中油的體積大小進(jìn)行調(diào)節(jié)而改變。 圖2-8 背壓平衡回路 將一個(gè)可調(diào)節(jié)的節(jié)流閥串在油缸的線(xiàn)路中，便組成了回油節(jié)

26、流調(diào)壓線(xiàn)路，如圖2-9所示。在實(shí)際中，這種回路比較常用，但在減壓鉆進(jìn)工況中，這種回路依然存在許多缺點(diǎn)。首先節(jié)流調(diào)速控制回路中，很難準(zhǔn)確控制壓力的大小，并且很難調(diào)整壓力的準(zhǔn)確值。相對(duì)于背壓的回路，這種回路的性?xún)r(jià)比不高，鉆進(jìn)速度過(guò)慢。當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)泄的時(shí)候，系統(tǒng)中的節(jié)流閥也會(huì)發(fā)生失效。 圖2-9 回油節(jié)流調(diào)壓原理圖 采用將調(diào)速閥串聯(lián)在給進(jìn)油缸的回油路上上的方法，即可得到利用調(diào)速閥控制減壓鉆進(jìn)的油路，如圖2-10所示, 在功率輸出相同的條件下，液壓系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，維修方便且液壓元件易于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行液壓系統(tǒng)的安裝和運(yùn)輸過(guò)程中，都較其他的系統(tǒng)有較大優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)多工況的要求。調(diào)速閥和節(jié)

27、流閥在這種回路中，有較大的差別。調(diào)速閥能夠保證系統(tǒng)的進(jìn)給油缸流量不隨系統(tǒng)負(fù)載的變化而改變，而節(jié)流閥則不具有這一優(yōu)點(diǎn)。只要閥口的開(kāi)口量改變，那么其流量很容易受到系統(tǒng)負(fù)載的影響。 圖2-10 調(diào)速閥控制減壓回路 2.2.6 速度控制回路 速度與流量是成正比的，被控制的對(duì)象雖然是流量，但反映出的效果則是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度變因此一般常把流量控制稱(chēng)為速度控制。按被控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式以及調(diào)節(jié)方法,速度控制回路有調(diào)速、制動(dòng)、限速和同步回路等。主要為差動(dòng)回路、雙泵合流調(diào)速等。 差動(dòng)回路是從無(wú)桿腔進(jìn)油，使有桿腔的油回到無(wú)桿腔。在同一壓強(qiáng)下，利用無(wú)桿腔和有桿腔的面積差，產(chǎn)生壓力差，從而驅(qū)

28、動(dòng)液壓缸伸出。因?yàn)橛袟U腔的油回到了無(wú)桿腔，所以液壓缸能以較快速度動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小流量高速度。盡管此回路速度有限，但是能夠比較經(jīng)濟(jì)的，不增加泵量的前提下，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作。 雙泵調(diào)速回路中，雙泵為一大一小，在進(jìn)行鉆井工作時(shí)，大泵提供旋轉(zhuǎn)的能量，小泵提供給進(jìn)系統(tǒng)工作的能量，雙泵共同合作，在鉆進(jìn)時(shí)慢速給進(jìn)，結(jié)束時(shí)可以進(jìn)行鉆具的快速起下。 以上的設(shè)計(jì)即考慮到液壓鉆機(jī)給進(jìn)時(shí)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)工作速度的要求，也考慮到起下鉆時(shí)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)工作速度的要求，可在保證給進(jìn)壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，還大大增加了鉆機(jī)的工作效率，減少成本。 2.2.7 輔助液壓回路 在鉆機(jī)的輔助液壓回路中，其主要功能是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)機(jī)身的調(diào)整，以

29、滿(mǎn)足多種傾角的鉆孔要求或者實(shí)現(xiàn)卡夾機(jī)構(gòu)的夾持和松開(kāi)等動(dòng)作，以滿(mǎn)足鉆進(jìn)在鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)于鉆桿的控制等。因此在鉆機(jī)中的輔助液壓回路主要可分為機(jī)身起落的液壓回路，壓控液壓回路和卡夾機(jī)構(gòu)液壓回路。 2.2.8 控制機(jī)身起落的液壓回路 控制機(jī)身起落的液壓回路，主要是由溢流閥來(lái)調(diào)整其所需的狀態(tài)壓力，因?yàn)槠溆捎透紫碌墓?jié)流閥來(lái)進(jìn)行工作速度的調(diào)節(jié)，所以此回路與給進(jìn)回路有許多共同的地方。在油缸的進(jìn)油口，串上一個(gè)液壓鎖，便可實(shí)現(xiàn)機(jī)身的鎖緊功能。由于機(jī)身的起落動(dòng)作，僅僅是在鉆機(jī)工作前后需要完成的調(diào)整動(dòng)作，需要很短的時(shí)間，對(duì)于鉆進(jìn)的過(guò)程也沒(méi)有什么大的影響，因此在大部分的鉆機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)這種液壓回路進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的

30、設(shè)計(jì)，而將此回路附帶在其他的液壓回路上，在工作的過(guò)程中需要用到起落功能的時(shí)候，再將此回路引入到工作中，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的起落。但是在引入的過(guò)程中，也許會(huì)發(fā)生油液的泄漏，所以為了更方便的操作，需要用到自封式快速接頭來(lái)對(duì)油管進(jìn)行連接。 2.2.9 控制卡夾機(jī)構(gòu)的液壓回路 卡夾的主要部分為卡盤(pán)和夾持器。在很多情況下，要使鉆機(jī)正常運(yùn)行，就需要卡盤(pán)之間的配合，比如鉆進(jìn)、升降鉆具等。除此之外，卡夾之間的配合還能使鉆機(jī)的動(dòng)作更為靈活，單獨(dú)一個(gè)元件和回路無(wú)法完成的。因此為了能夠使得這些動(dòng)作能夠完成的更協(xié)調(diào)，需要將卡夾機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制和調(diào)整。通常情況下，對(duì)于卡夾機(jī)構(gòu)的速度和力度等都有精確的要求?？▕A的形式多種多樣，

31、需要根據(jù)實(shí)際的工作狀況來(lái)進(jìn)行選用，通常分為常開(kāi)式、常閉式和全液壓松緊式等。當(dāng)前市場(chǎng)上通用的卡夾機(jī)構(gòu)主要是全液壓控制的。這樣的設(shè)計(jì)主要適用于一些大型的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)。近些年來(lái)，部分礦用瓦斯抽采鉆機(jī)也采用了以上的設(shè)計(jì), 如圖2-11的強(qiáng)力順煤層全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)所示，卡盤(pán)夾緊采用了蓄能器儲(chǔ)存的壓力油作用，這在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都比之甚少。 圖2-11強(qiáng)力順煤層全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖 2.3 傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓回路的特點(diǎn) 傳統(tǒng)的液壓鉆機(jī)有很多的缺點(diǎn)，我們知道為了能夠使得鉆機(jī)操作方便，并且具有很強(qiáng)的可操作性，我們將鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的很簡(jiǎn)單，主要由定量泵和手動(dòng)泵控制，這種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是自動(dòng)化程度不高，且

32、容易受環(huán)境影響，不容易在多變量的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作。即使在工作的時(shí)候，這類(lèi)鉆機(jī)工作性比較好，并且不容易出故障，但其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力偏低，在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的能量損耗，鉆井的效率偏低，容易受外界的影響，所以其有許多地方需要加強(qiáng)。 第3章 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)存在控制性能不穩(wěn)定、能耗大且鉆進(jìn)效率低下等缺點(diǎn)，因此本文試著對(duì)傳統(tǒng)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠在繼承傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)，在實(shí)際的工作應(yīng)用中，能夠提升鉆進(jìn)的效率，降低能耗。 3.1 鉆頭回轉(zhuǎn)液壓回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 現(xiàn)在我國(guó)大部分的鉆機(jī)工作在地形情況復(fù)雜多變的地帶，這

33、些地方地層情況多變，且負(fù)載變化頻繁，這對(duì)于傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)而言，無(wú)疑是無(wú)法克服的。由于負(fù)載的突變，使得鉆頭的回轉(zhuǎn)速度也發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化不僅影響鉆進(jìn)的效率，更會(huì)引起鉆機(jī)本身的振動(dòng)。因此要求鉆機(jī)在正常工作的時(shí)候，能夠保持其鉆頭的回轉(zhuǎn)速度在某個(gè)合適的數(shù)值范圍內(nèi)保持不變，并且能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的節(jié)流閥調(diào)速回路中，可以保證在負(fù)載不變前提下，保持鉆頭的穩(wěn)定速度輸出，但是一旦速度發(fā)生改變，則無(wú)法調(diào)整其速度。因此本文提出閥孔負(fù)載敏感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其目的是在負(fù)載變化時(shí)，也能保證節(jié)流閥口前后的壓力差不變或者變化極小。如圖3-1所示。 圖3-1 閥控負(fù)載敏感系統(tǒng) 從根本上來(lái)看，閥控負(fù)載敏感系統(tǒng)和

34、泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)有著相當(dāng)大的區(qū)別。閥控敏感系統(tǒng)中，LS信號(hào)會(huì)從溢流閥流出，這樣使得在溢流閥處存在著溢流損失。而泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)是將負(fù)載信號(hào)直接反饋至負(fù)載敏感泵,因此泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)相比閥控負(fù)載敏感系統(tǒng)沒(méi)有溢流損失，將全部能量都傳遞至下一元件，降低了系統(tǒng)的能耗，而且泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種負(fù)載的要求，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)中的流量不會(huì)發(fā)生較大變化，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，執(zhí)行元件便不會(huì)被外界的條件所影響，并且維持自身的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在單泵多回路系統(tǒng)中，LS負(fù)載敏感系統(tǒng)并不是完美無(wú)瑕的。因?yàn)樵谙到y(tǒng)的流量沒(méi)有達(dá)到飽和的時(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)便會(huì)失去平衡。這么看來(lái)，LS負(fù)載敏感系統(tǒng)，就只采用于單泵單系統(tǒng)。因此大

35、部分的鉆機(jī)，在其系統(tǒng)中所裝配的是雙泵獨(dú)立控制系統(tǒng)。這樣，鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)與給進(jìn)的時(shí)候，其流量的分配就會(huì)比較平衡，該多的時(shí)候就會(huì)多，少的時(shí)候就少。負(fù)載敏感系統(tǒng)，對(duì)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)有著很大的便捷性。比如在巖心鉆機(jī)中，其在工作的過(guò)程中有一個(gè)部分就是加壓鉆進(jìn)，但是要實(shí)現(xiàn)加壓鉆進(jìn)，就需要為系統(tǒng)增加一個(gè)獨(dú)立的泵，對(duì)鉆機(jī)的容量進(jìn)行一個(gè)增加，這樣鉆機(jī)的成本就會(huì)比較偏高。而加壓鉆進(jìn)所占工程時(shí)間的比例相對(duì)甚少，所以在鉆機(jī)的設(shè)計(jì)中加入負(fù)載敏感系統(tǒng)，能夠有效的使得鉆機(jī)在加壓鉆進(jìn)過(guò)程中的適應(yīng)性。如圖3-2所示。 圖3-2 動(dòng)力鉆頭回轉(zhuǎn)回路 3.2 動(dòng)力鉆頭給進(jìn)回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 隨著時(shí)代的發(fā)展，在保證鉆機(jī)能夠正常運(yùn)行的同時(shí)，工

36、程設(shè)計(jì)師們便開(kāi)始對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，減少其重量，使其更為方便快捷。所以鉆機(jī)的給進(jìn)設(shè)計(jì)通常為單液壓缸控制的動(dòng)力頭給進(jìn)。由于地球的巖石眾多，不同的巖層有著不同的結(jié)構(gòu)，所以鉆機(jī)的鉆頭需要產(chǎn)生不同的作用力去適應(yīng)不同的巖層。又由于在鉆機(jī)的給進(jìn)系統(tǒng)中，其鉆頭的速度是由流量來(lái)進(jìn)行控制，為防止流量速度與鉆進(jìn)速度的突變，因此鉆機(jī)的速度需要維持穩(wěn)定。在一些特殊的工作環(huán)境中，為防止負(fù)載超過(guò)安全范圍，所以需要在回路中設(shè)有安全控制閥。 如圖3-3所示，此為優(yōu)化過(guò)的鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)液壓原理，加壓鉆進(jìn)時(shí)，三個(gè)換向閥同時(shí)進(jìn)行工作，二調(diào)到中位。六調(diào)至左位。三調(diào)到右位。 圖3-3 鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖 通過(guò)減壓閥

37、4控制給進(jìn)的壓力。減壓給進(jìn)時(shí)，為了抵消鉆機(jī)的部分自重，通常將二位二通換向閥調(diào)整至左位，二位三通換向閥移到右位，同時(shí)溢流閥開(kāi)啟，為給進(jìn)油缸的無(wú)桿腔產(chǎn)生一個(gè)背壓。閥3為減壓控制吸油控制閥，作用在給進(jìn)油缸。閥7為動(dòng)力頭浮動(dòng)控制閥，主要控制動(dòng)力鉆頭的浮動(dòng)。 3.3 行走及卷場(chǎng)控制回路 鉆機(jī)的工作環(huán)境一般是較為復(fù)雜和較難行進(jìn)的野外地區(qū)。因此為了保證鉆機(jī)能夠在這樣復(fù)雜的地帶行進(jìn)，必須保證其履帶行進(jìn)速度的恒定性，如果一會(huì)快，一會(huì)慢，對(duì)于復(fù)雜路況來(lái)說(shuō)，將對(duì)鉆機(jī)的壽命和元件造成損壞。為了使鉆機(jī)適應(yīng)較差路面，還要求鉆機(jī)的兩個(gè)履帶速度保持一致，并且動(dòng)作保持統(tǒng)一。以防止兩個(gè)履帶的不同步，造成鉆機(jī)的突然改變行進(jìn)方

38、向等事故，同時(shí)鉆機(jī)的工作環(huán)境一般空間較小，設(shè)計(jì)鉆機(jī)時(shí)，應(yīng)該能夠保證其原地的轉(zhuǎn)向，鉆機(jī)在進(jìn)行爬坡動(dòng)作時(shí)，還應(yīng)該有自鎖功能保證其不會(huì)因?yàn)閯?dòng)力不足而滑下山坡。如下圖3-4所示，手動(dòng)液控比例先導(dǎo)閥和閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感閥相互配合，作用于兩片履帶使其運(yùn)動(dòng)。在履帶進(jìn)行山坡上坡時(shí)，為防止履帶進(jìn)行回轉(zhuǎn)，因此在軌道回路中進(jìn)行了自鎖設(shè)計(jì)，多路換向閥選用M4-15閥。為防止鉆機(jī)工作時(shí)突發(fā)的誤操作，需要由一個(gè)兩位三通的換向閥進(jìn)行控制液壓回路的工作壓力。 圖3-4 履帶行走回路液壓原理 3.4 泥漿泵液壓回路優(yōu)化設(shè)計(jì) 泥漿泵在鉆機(jī)過(guò)程中主要有兩方面的作用，一方面是將鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量巖屑，經(jīng)過(guò)鉆井冷卻液帶出鉆孔

39、外。另一方面是通過(guò)泥漿的循環(huán)，冷卻鉆頭，潤(rùn)滑鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭和巖壁，減小其摩擦作用，降低功耗，增大鉆進(jìn)的效率。 鉆機(jī)在較松軟的地層中鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆進(jìn)相對(duì)比較容易，鉆進(jìn)速度快，因此產(chǎn)生的巖屑較多，此時(shí)就需要采用大泵量將巖屑帶出孔外。如圖3-5所示，為泥漿泵液壓原理圖。 圖3-5 泥漿泵液壓原理 通過(guò)以上分析可以看出，驅(qū)動(dòng)泥漿泵的液壓回路系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先是這個(gè)液壓系統(tǒng)具有自我保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)的壓力超過(guò)了系統(tǒng)所需的最大壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作，這樣就能有效的保護(hù)鉆機(jī)其他元器件的穩(wěn)定。最后這樣的液壓系統(tǒng)去驅(qū)動(dòng)的液壓馬達(dá)具有極強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力，不但能夠保證動(dòng)力和動(dòng)作的準(zhǔn)確，還能夠?qū)崿F(xiàn)速度等

40、參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。 泥漿泵液壓原理3-5中所示，泥漿泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速通過(guò)容積調(diào)速回路進(jìn)行控制，容積調(diào)速回路主要是以變量泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的，其中通過(guò)減壓閥1來(lái)調(diào)節(jié)蓄能器4的壓力，蓄能器4可以保證系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定為3.5MPa，變量泵作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，受到遠(yuǎn)控閥3的調(diào)控。以保證其壓力適應(yīng)系統(tǒng)需要。系統(tǒng)的流量和極限壓力分別由閥1.1和1.2控制。泵的排量與系統(tǒng)的壓力相關(guān)，當(dāng)其增大時(shí)，系統(tǒng)的背壓增大。 圖3-6 坑道鉆機(jī)液壓原理圖 如圖 3-6所示，閥39是控制切換閥，其主要功能就是對(duì)鉆機(jī)的立臥狀態(tài)進(jìn)行切換。由于鉆機(jī)工作環(huán)境的不確定性，這種設(shè)計(jì)能夠大大的提高鉆機(jī)對(duì)復(fù)雜工作環(huán)境的適應(yīng)性。在兩種不同

41、的工作狀態(tài)下，鉆機(jī)有其不同的操作方式，其各自的操作說(shuō)明如下。 鉆機(jī)處于立式工作狀態(tài)時(shí)，首先應(yīng)該控制液壓回路，切斷夾持器和液壓卡盤(pán)的聯(lián)系，然后調(diào)整多路換向閥39至上位，然后調(diào)整多路換向閥8，控制油缸15以使雙桿移動(dòng)，這樣就可以調(diào)整動(dòng)力鉆頭的橫向位置。當(dāng)鉆頭的橫向位置確定后，再調(diào)整多路換向閥39，使其置于下位。這樣的調(diào)整使得鉆機(jī)能夠轉(zhuǎn)換為立式鉆機(jī)工作狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下，將電動(dòng)機(jī)1打開(kāi)，液壓泵工作，將液壓油加壓后進(jìn)入回路，并最終進(jìn)入多路換向閥8中。液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)由多路換向閥8控制，當(dāng)換向閥8置于中位時(shí)，液壓缸處于鎖緊狀態(tài)。立式工作狀態(tài)回路的聯(lián)通主要由立式工作狀態(tài)回路控制。當(dāng)多路換向閥8 不

42、處于中位，系統(tǒng)通過(guò)溢流閥 45 卸荷。 第4章 ZDY3200S型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)實(shí)例研究 4.1 適用范圍 ZDY3200S型鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，其適用性強(qiáng)，在各類(lèi)工程的應(yīng)用都較為廣泛。由于其轉(zhuǎn)速?gòu)V，扭矩大，對(duì)于各類(lèi)形式的鉆孔都實(shí)用，具有成孔速度快、鉆孔質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，在鐵路和公路橋梁、煤礦通風(fēng)井、港口碼頭及高層建筑等大型基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用都比較理想。 4.2 型號(hào)含義 4.3 主要技術(shù)參數(shù) a. 回轉(zhuǎn)裝置： 額定轉(zhuǎn)矩 N.m 3200 額定轉(zhuǎn)速

43、 r/min 220 油馬達(dá)型號(hào) A6V160MA 油馬達(dá)排量 ml/r 46～160 鉆桿直徑 mm 73 主軸通孔直徑 mm 75 b. 給進(jìn)裝置： 主軸傾角

44、 0～±90° 最大給進(jìn)力 kN 112 給進(jìn)速度 m/s 0～0.22 最大起拔力 kN 77 起拔速度 m/s 0～0.32 給進(jìn)/起拔行程 mm

45、 600 c. 泵站： 電動(dòng)機(jī)型號(hào) YBK2-225S-4 額定功率 kW 37 額定電壓 V 380/660 額定轉(zhuǎn)速 r/min 1480 主油泵型號(hào)

46、 A7V78MA（限量63ml/r） 額定壓力 MPa 35 主油泵排量 ml/r 0～63 主油泵流量 l/min 0～89 副油泵型號(hào) 10SCY14-1B 額定壓力 MPa

47、 31.5 副油泵排量 ml/r 0～10 副油泵流量 l/min 0～13 液壓系統(tǒng)額定壓力 MPa 主油泵 22 副油泵 22 油箱有效容積 L 180 d. 整機(jī)： 適用鉆孔深度 m

48、 350/100 終孔直徑 mm 150/200 主機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）mm 2300×1100×1560 鉆機(jī)質(zhì)量 kg 　　　 2040 4.4 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 此鉆機(jī)屬于組裝型設(shè)備，主要由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)三大組件組成，每個(gè)組件之間可進(jìn)行快速連接，其便于拆分與組裝，攜帶方便，可適用于不

49、同的工作情景，靈活性較強(qiáng)。主機(jī)主要由回轉(zhuǎn)器、夾持器等部分組成，組裝快速便捷，當(dāng)工作環(huán)境較為惡劣，不便于運(yùn)輸時(shí)，其還可以進(jìn)行再分解。 1.回轉(zhuǎn)器 2.給進(jìn)裝置 3.機(jī)架 4.夾持器 圖4-1 主機(jī) 4.4.1 回轉(zhuǎn)器 回轉(zhuǎn)器由斜軸式變量馬達(dá)、齒輪減速器和膠筒式液壓卡盤(pán)組成。馬達(dá)經(jīng)兩級(jí)齒輪減速，驅(qū)動(dòng)主軸及液壓卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)鉆具的回轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)馬達(dá)排量可以改變回轉(zhuǎn)器的輸出速度。主軸為通孔結(jié)構(gòu)，通孔直徑75mm，回轉(zhuǎn)器安裝在給進(jìn)機(jī)身的拖板上，借助給進(jìn)油缸沿機(jī)身導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆具的給進(jìn)或起拔?；剞D(zhuǎn)器具有側(cè)向開(kāi)合裝置。液壓卡盤(pán)采用液壓夾緊、彈簧松開(kāi)常開(kāi)式結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)對(duì)中，安全可靠、卡緊力

50、大等特點(diǎn)，它不但能保證正常鉆進(jìn)，還可用來(lái)升降鉆具、強(qiáng)力起拔等（卡盤(pán)可配用不同規(guī)格的鉆桿、更換卡瓦時(shí)，用專(zhuān)用工具壓縮卡瓦組的彈簧并將其放入膠筒內(nèi)）。 4.4.2 夾持器 夾持器采用碟形彈簧夾緊，油壓松開(kāi)的常閉式結(jié)構(gòu)。固定在給進(jìn)裝置機(jī)身的前端，用于夾持孔內(nèi)鉆具，還可配合回轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)機(jī)械擰卸鉆桿。夾持器卡瓦座落在卡瓦座上, 靠上下兩根銷(xiāo)桿限制卡瓦的退出。圓周方向靠卡瓦座上的一對(duì)平鍵固定。將兩根銷(xiāo)桿抽出，卡瓦就可以取出，夾持器通孔即可通過(guò)108mm的粗徑鉆具。 4.4.3 給進(jìn)裝置 給進(jìn)裝置采用油缸直接推進(jìn)。油缸體的尾部與機(jī)身固定，油缸的活塞桿與拖板相聯(lián)接。借助油缸活塞桿的伸縮，帶動(dòng)拖

51、板和回轉(zhuǎn)器沿機(jī)身導(dǎo)軌作往復(fù)移動(dòng)。 回轉(zhuǎn)器與拖板之間采用翻箱式結(jié)構(gòu)聯(lián)接。一邊用銷(xiāo)軸把拖板與回轉(zhuǎn)器穿在一起，另一邊用鉸式螺栓把回轉(zhuǎn)器壓在拖板上。起下粗徑鉆具時(shí)，將螺栓松開(kāi)，即可把回轉(zhuǎn)器搬向銷(xiāo)軸一側(cè)，讓開(kāi)孔口。給進(jìn)機(jī)身通過(guò)鎖緊卡瓦固定在機(jī)架的立柱及支撐桿的橫梁上。 4.4.4 機(jī)架 機(jī)架用于安裝給進(jìn)裝置和固定鉆機(jī)。機(jī)架由爬履式底座、立柱、支撐油缸及支撐桿等組成。給進(jìn)裝置在機(jī)架上可以調(diào)頭安裝，利用支撐油缸可調(diào)整傾角，滿(mǎn)足各種傾角的鉆孔。支撐桿采用二節(jié)式結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要配合使用。利用爬履式底座以常規(guī)方法可將鉆機(jī)安裝在基臺(tái)木上。

52、 圖4-2 操縱臺(tái) 4.5 操縱臺(tái) 操縱臺(tái)是鉆機(jī)的控制裝置。由各種控制閥、壓力表及管件組成。控制閥之間的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的不同功能，比如，回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、卡夾的聯(lián)動(dòng)等。 操縱臺(tái)上設(shè)有馬達(dá)回轉(zhuǎn)、支撐油缸、給進(jìn)起拔、起下鉆功能轉(zhuǎn)換、夾持器功能轉(zhuǎn)換，副油泵功能轉(zhuǎn)換六個(gè)操作手把。調(diào)壓溢流、減壓鉆進(jìn)、給進(jìn)背壓、起拔背壓四個(gè)調(diào)節(jié)手輪及指示主油泵系統(tǒng)壓力、給進(jìn)壓力、起拔壓力、副油泵系統(tǒng)壓力、回油壓力五塊壓力表。油管排列整齊，并有指示牌標(biāo)明連接方位。控制閥均安裝在操縱臺(tái)框架內(nèi)。油管安裝，采用A型扣壓式高壓膠管與自封式快速接頭組合，密封可靠，拆卸方便。各個(gè)手把的操縱方法也有標(biāo)

53、牌標(biāo)明。 4.6 泵站 泵站是鉆機(jī)的動(dòng)力源。主要由電動(dòng)機(jī)、雙聯(lián)齒輪泵、油箱、粗過(guò)濾器、精過(guò)濾器、冷卻器、溢流閥、空氣濾清器及底座等組成。電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器帶動(dòng)油泵工作，油泵從油箱吸油并輸出壓力油，進(jìn)而再輸出至操作臺(tái)進(jìn)行后后續(xù)操作。 油箱是液壓系統(tǒng)中儲(chǔ)存液壓油或液壓液的專(zhuān)用容器，通常位于油泵上端。在油箱上設(shè)有多種保護(hù)裝置。如：吸油濾油器、回油濾油器等。 圖4-3 泵站 綜上所述該鉆機(jī)有以下特點(diǎn)： a. 鉆機(jī)由三大件組成、即主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)。其便于拆分與組裝，攜帶方便，可適用于不同的工作情景，靈活性較強(qiáng)。 b. 機(jī)械自動(dòng)擰卸鉆具，夾持器卡瓦容易取出，自動(dòng)化的操作，降低了工

54、人的勞動(dòng)強(qiáng)度。通孔直徑的增大，對(duì)粗徑鉆具的裝卸更為輕松。 c. 單油缸直接給進(jìn)與起拔鉆具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，給進(jìn)、起拔能力大，提高了鉆機(jī)處理事故的能力。 d. 采用雙泵系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的泵進(jìn)行不同的參數(shù)調(diào)節(jié)，使其互不干擾，系統(tǒng)的運(yùn)行更為穩(wěn)定。變量油泵和變量馬達(dá)共同調(diào)速，擴(kuò)大轉(zhuǎn)速和扭矩的可調(diào)范圍，加強(qiáng)其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。 e. 回轉(zhuǎn)器通孔直徑大，更換不同直徑的卡瓦，可用于組裝不同直徑的鉆桿，便于鉆桿的切換，同時(shí)，鉆桿的長(zhǎng)度不受裝置本身的限制。 f. 用支撐油缸調(diào)整機(jī)身傾角方便省力，安全可靠。 g. 通過(guò)操縱臺(tái)進(jìn)行集中操作，使用者和鉆機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)保持在安全距離內(nèi)，保障了使用者

55、的人身安全。 h. 液壓系統(tǒng)保護(hù)裝置完備，加強(qiáng)了鉆機(jī)裝置的安全性，讓其工作更為穩(wěn)定。系統(tǒng)所采用的液壓元件，均為我國(guó)較為先進(jìn)的產(chǎn)品，因此其通用性較強(qiáng)。 4.7 液壓系統(tǒng)工作原理 鉆機(jī)采用回轉(zhuǎn)和給進(jìn)分別供油的雙泵開(kāi)式循環(huán)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)圖如圖4所示，工作原理如下： 　　電動(dòng)機(jī)(1)啟動(dòng)后，主油泵(2)經(jīng)濾油器(3)截止閥(4)吸入低壓油，輸出的高壓油進(jìn)入操縱臺(tái)多路換向閥(8)。副油泵(31)經(jīng)吸油濾油器(29)截止閥( 30) 吸入低壓油，輸出的高壓油先進(jìn)入副油泵油路板，再進(jìn)入多路換向閥(8) 的中聯(lián)。多路換向閥(8)由三聯(lián)閥組成，左邊一聯(lián)F1控制油馬達(dá)(11) 的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停

56、止；中間一聯(lián)F2控制支撐油缸的起落；右邊一聯(lián)F 3控制給進(jìn)油缸(15)的前進(jìn)、后退和停止。三聯(lián)閥都處于中位時(shí)主、副油泵均卸荷，油馬達(dá)(11)和油缸(15)處于浮動(dòng)狀態(tài)。操作閥F1，主油泵輸出的高壓油全部進(jìn)入回轉(zhuǎn)油路。副油泵的壓力油可根據(jù)鉆進(jìn)工況選擇有兩種方式：一種是油液全部進(jìn)入給進(jìn)回路由調(diào)壓溢流閥控制給進(jìn)壓力；另一種是油液分兩路一路進(jìn)入卡盤(pán)（或卡盤(pán)和夾持器）對(duì)卡盤(pán)實(shí)行高壓輸入，強(qiáng)力卡緊鉆桿。另一路經(jīng)減壓閥進(jìn)入給進(jìn)回路，由減壓閥控制給進(jìn)壓力。當(dāng)閥F1處于中位時(shí)，操作閥F2或F3，主、副油泵油液合流，實(shí)現(xiàn)快速提升。 為防止系統(tǒng)過(guò)載，主油泵的工作壓力由多路換向閥內(nèi)設(shè)的安全溢流閥限定，調(diào)定壓力

57、為22MPa，其值由壓力表(7)來(lái)監(jiān)視。副油泵的工作壓力由副油泵油路板上的安全溢流閥(32)控制，調(diào)定壓力為22MPa，其值由壓力表(9)監(jiān)視，使用時(shí)不得超調(diào)。 主油泵回油經(jīng)回油濾油器(5)和冷卻器(6)回到油箱，壓力表(25)指示回油的壓力大小，反映出回油濾油器的臟污程度。副油泵回油可進(jìn)入主油泵回油路，也可以經(jīng)油路板上的泄油路直接回到油箱。 圖4-4 液壓系統(tǒng)圖 第5章 總結(jié)與展望 5.1 總結(jié) 論文根據(jù)國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，首先分析了目前傳統(tǒng)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)，其次介紹了目前國(guó)內(nèi)研究比較多的煤礦坑道鉆機(jī)的液壓設(shè)計(jì)原理和全液壓鉆機(jī)的液壓設(shè)計(jì)原理，最后通過(guò)傳統(tǒng)鉆機(jī)和全液壓鉆機(jī)的液壓

58、原理的對(duì)比，可得到全液壓鉆機(jī)在液壓控制方面的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)仿真分析，對(duì)于改進(jìn)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)鉆機(jī)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)的指導(dǎo)。本文以全液壓鉆機(jī)為研究對(duì)象,在查閱了國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)液壓系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)和資料,并且根據(jù)自己實(shí)際的所學(xué)，向相關(guān)的老師進(jìn)行咨詢(xún)等，對(duì)鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究。 論文的成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）分析了國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展情況，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外最新的鉆機(jī)發(fā)展情況，對(duì)于把握當(dāng)前鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的最新發(fā)展方向有很大幫助。 （2）分析了傳統(tǒng)鉆機(jī)中的液壓系統(tǒng)和液壓回路，并且對(duì)其工作原理和液壓原理圖進(jìn)行了分析研究，對(duì)于以后鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 （3）通過(guò)分析傳

59、統(tǒng)鉆機(jī)中的液壓系統(tǒng)和液壓回路，對(duì)坑道鉆機(jī)中的一些液壓回路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得新的鉆機(jī)能夠在保證工作效率的前提下，降低工作能耗，使鉆機(jī)適應(yīng)變負(fù)載的工作環(huán)境。 5.2 展望 由于時(shí)間、資料等各方面的原因,筆者在學(xué)位論文撰寫(xiě)中仍有不足的地方。在今后的工作過(guò)程中，結(jié)合鉆機(jī)液壓系統(tǒng)研究以及學(xué)位論文撰寫(xiě)過(guò)程中的一些問(wèn)題,將進(jìn)一步從下面幾個(gè)方面開(kāi)展相應(yīng)工作: （1）創(chuàng)新型的卡盤(pán)和夾持器作為新型的液壓系統(tǒng)中的創(chuàng)新，應(yīng)該對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行仿真。 （2）由于作者能力有限，因此在本文中只是對(duì)進(jìn)給回路和回轉(zhuǎn)回路進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。因此在今后的研究中，應(yīng)該對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 （3）當(dāng)

60、創(chuàng)新型的液壓系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。以保證新型的液壓系統(tǒng)能夠正常工作。尤其是針對(duì)夾持器的性能的研究，因?yàn)閵A持器是鉆機(jī)機(jī)構(gòu)中最為重要的機(jī)構(gòu)。 （4）當(dāng)坑道鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)該對(duì)其性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試和監(jiān)測(cè)，主要有兩方面工作要做。一方面是對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，將不同鉆進(jìn)工藝條件下的液壓系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤記錄，如果發(fā)現(xiàn)有不完善的地方，應(yīng)該進(jìn)行繼續(xù)改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；兩一方面是對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)合鉆機(jī)的鉆進(jìn)表現(xiàn)，選擇最優(yōu)的液壓元件，以此來(lái)發(fā)揮液壓系統(tǒng)的最大作用。