地質(zhì)勘查鉆機(jī)電液比例液壓設(shè)計(jì)

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目前我國(guó)地質(zhì)勘查鉆機(jī)普遍采用定量泵與普通液壓閥組成的液壓系統(tǒng)，鉆進(jìn)功能單一，不適應(yīng)復(fù)雜地層鉆進(jìn)工藝要求。JDD一100型地質(zhì)勘查鉆機(jī)由液壓驅(qū)動(dòng)，具有回轉(zhuǎn)、振動(dòng)、沖擊、靜壓多種鉆進(jìn)功能，還可隨鉆測(cè)量地層電阻率、孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。鉆機(jī)如圖1所示。

1城市地質(zhì)勘查鉆機(jī)鉆進(jìn)性能要求

1．1優(yōu)化鉆進(jìn)

鉆進(jìn)過(guò)程中，各種地層有不同的最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與之對(duì)應(yīng)。鉆壓、轉(zhuǎn)速需穩(wěn)定保持在最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)附近，避免過(guò)大的波動(dòng)。鉆機(jī)始終以最優(yōu)規(guī)程參數(shù)鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。

1．2精確鉆進(jìn)

地質(zhì)勘查鉆孔深度較淺，但地層復(fù)雜多樣。一次鉆進(jìn)可遇到多種地層，鉆機(jī)須根據(jù)不同地層，及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與地層相適應(yīng)。

1．3高效鉆進(jìn)

鉆機(jī)須具有較高的鉆進(jìn)效率，自動(dòng)化程度高，可操作性好，縮短施工周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)功率損耗小，節(jié)能高效。JDD．100型地質(zhì)勘查鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用電液比例技術(shù)，可精確控制鉆壓、轉(zhuǎn)速。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)速度。給進(jìn)行程長(zhǎng)，調(diào)速范圍大。工作平穩(wěn)、易于操作、高效節(jié)能。該鉆機(jī)由給進(jìn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、起塔機(jī)柯、鉆桿夾持?jǐn)Q卸機(jī)構(gòu)、絞車升降機(jī)構(gòu)、靜力觸探機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)調(diào)平機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、泥漿循環(huán)機(jī)構(gòu)、液壓油散熱器等組成。其中給進(jìn)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制鉆進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)速度這兩項(xiàng)重要的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)。現(xiàn)針對(duì)給進(jìn)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

給進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)力頭上升或下降以達(dá)到提升鉆具或向下鉆進(jìn)的目的。給進(jìn)液壓缸采用長(zhǎng)行程雙作用液壓缸。液壓缸固定在鉆塔內(nèi)，活塞桿通過(guò)鏈條倍速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)力頭在鉆塔上滑動(dòng)。地質(zhì)勘查時(shí)，使用硬質(zhì)合金取心鉆頭鉆進(jìn)，碎巖機(jī)理主要是硬質(zhì)合金切削具的切削作用。鉆進(jìn)過(guò)程中如果給進(jìn)壓力過(guò)低，鉆頭切削具無(wú)法切入巖石，鉆進(jìn)速度將變慢甚至不進(jìn)尺。如果鉆進(jìn)壓力過(guò)大，會(huì)加速鉆頭切削具磨損，縮短鉆頭壽命。在軟地層鉆進(jìn)，鉆壓過(guò)大會(huì)出現(xiàn)鉆頭泥包現(xiàn)象，降低鉆進(jìn)效率。給進(jìn)機(jī)構(gòu)的主要作用是提供準(zhǔn)確的鉆進(jìn)壓力。同時(shí)變量泵根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，使流量與工作負(fù)載相適應(yīng)。鉆進(jìn)速度受負(fù)載的影響實(shí)時(shí)變化。鉆進(jìn)速度慢，負(fù)載大時(shí)需要小的給進(jìn)流量。鉆進(jìn)速度快，負(fù)載小時(shí)需要大的給進(jìn)流量，同時(shí)需保持鉆進(jìn)壓力恒定。選用電液比例遙控恒壓泵控系統(tǒng)可滿足上述要求。電液比例遙控恒壓泵控系統(tǒng)原理圖如圖2所示。給進(jìn)壓力由電液比例壓力閥4調(diào)節(jié)，壓力閥由預(yù)先設(shè)定好的程序輸出信號(hào)控制，從而實(shí)現(xiàn)給進(jìn)壓力的自動(dòng)控制。電磁換向閥6控制給進(jìn)液壓缸5給進(jìn)與提升等動(dòng)作。該系統(tǒng)不存在中位卸荷回路。換向閥中位機(jī)能為“0”型，給進(jìn)液壓缸活塞桿，即動(dòng)力頭可懸停在鉆塔上的任意位置。當(dāng)電磁換向閥處于中位時(shí)，變量泵壓力升高，輸出流量很小，僅維持泵內(nèi)部的泄漏量，處于高壓等待狀態(tài)，能量無(wú)溢流損失，具有節(jié)能效果。

2．2給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)計(jì)算

液壓缸選取為處理孔內(nèi)事故等特殊工況，鉆機(jī)需具有較大的強(qiáng)力起拔鉆具能力。設(shè)計(jì)要求鉆機(jī)動(dòng)力頭起拔力為65kN，給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用液壓缸鏈條倍速機(jī)構(gòu)，則液壓缸起拔力應(yīng)為130kN，設(shè)系統(tǒng)壓力P=16MPa，管路壓力損失卸=2MPa，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油。

3回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由電液比例變量泵、液壓馬達(dá)、減速箱、主軸等組成。兩個(gè)液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)動(dòng)力頭主軸回轉(zhuǎn)。通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的程序，調(diào)節(jié)電液比例變量泵排量，對(duì)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度無(wú)級(jí)調(diào)速。

3．1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

地質(zhì)勘查鉆孔深度100m，硬質(zhì)合金取心鉆頭大多在粘土、粉土、砂土類軟至中硬巖層鉆進(jìn)。施工過(guò)程中，回轉(zhuǎn)速度過(guò)小會(huì)降低鉆進(jìn)速度，影響鉆進(jìn)效率。回轉(zhuǎn)速度過(guò)大將使鉆頭過(guò)度磨損，縮短鉆頭壽命。同時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)克服鉆頭與巖石，鉆具與沖洗液、孔壁之間的摩擦力，向鉆具提供足夠大的轉(zhuǎn)矩。動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的作用是向鉆具提供相應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)矩，同時(shí)回轉(zhuǎn)速度不隨工作負(fù)載的改變而變化。鉆進(jìn)過(guò)程中由于地層等各種復(fù)雜因素的影響，工作負(fù)載實(shí)時(shí)變化，由于負(fù)載不穩(wěn)定，使鉆具轉(zhuǎn)矩值處于波動(dòng)中，進(jìn)而影響到回轉(zhuǎn)速度。在一種地層中鉆進(jìn)時(shí)要求回轉(zhuǎn)速度恒定，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)需具有較好的硬機(jī)械特性，不受負(fù)載波動(dòng)的影響，保證以最優(yōu)轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。電液比例變量泵控系統(tǒng)可滿足上述要求。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。為增加回轉(zhuǎn)系統(tǒng)鉆進(jìn)負(fù)載適應(yīng)能力，動(dòng)力頭由液壓馬達(dá)1與液壓馬達(dá)2驅(qū)動(dòng)。除了使用電液比例變量泵6無(wú)級(jí)調(diào)速外，還可以通過(guò)兩個(gè)液壓馬達(dá)串并聯(lián)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)負(fù)載大時(shí)，動(dòng)力頭開(kāi)低轉(zhuǎn)速，換向閥5處于右位，兩馬達(dá)并聯(lián)，對(duì)電液比例變量泵提供的液壓油進(jìn)行分流，降低動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速，提供大轉(zhuǎn)矩。鉆進(jìn)負(fù)載小時(shí)，動(dòng)力頭開(kāi)高轉(zhuǎn)速，換向閥5處于中位，馬達(dá)串聯(lián)，提高動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度，輸出較小的轉(zhuǎn)矩。

3．2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)計(jì)算

液壓馬達(dá)選取液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)。動(dòng)力頭傳動(dòng)比為當(dāng)兩個(gè)液壓馬達(dá)并聯(lián)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩較大，設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)矩值為4500N•m，則單個(gè)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為。鉆機(jī)加工完成后進(jìn)行了實(shí)鉆測(cè)試。試驗(yàn)表明該鉆機(jī)液壓系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，給進(jìn)力、轉(zhuǎn)速等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。給進(jìn)與回轉(zhuǎn)電液比例液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

5結(jié)論

(1)鉆機(jī)采用電液比例控制技術(shù)，達(dá)到了優(yōu)化、精確、高效鉆進(jìn)的目的；

(2)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)采用電液比例變量泵控技術(shù)，對(duì)回轉(zhuǎn)速度閉環(huán)反饋控制，負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速恒定，具有較好的硬機(jī)械特性；

(3)給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用電液比例遙控恒壓泵控技術(shù)，鉆壓由工控機(jī)自動(dòng)控制，可保持恒定，與負(fù)載無(wú)關(guān)，同時(shí)給進(jìn)流量與負(fù)載相適應(yīng)，無(wú)溢流損失，減少系統(tǒng)發(fā)熱，具有節(jié)能作用；

(4)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)變量泵為小流量輸出，降低了柴油機(jī)的啟動(dòng)力矩，液壓系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)特性。