地質勘查鉆機電液比例液壓設計

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目前我國地質勘查鉆機普遍采用定量泵與普通液壓閥組成的液壓系統，鉆進功能單一，不適應復雜地層鉆進工藝要求。JDD一100型地質勘查鉆機由液壓驅動，具有回轉、振動、沖擊、靜壓多種鉆進功能，還可隨鉆測量地層電阻率、孔隙度等地質參數。鉆機如圖1所示。

1城市地質勘查鉆機鉆進性能要求

1．1優化鉆進

鉆進過程中，各種地層有不同的最優鉆進規程參數與之對應。鉆壓、轉速需穩定保持在最優鉆進規程參數附近，避免過大的波動。鉆機始終以最優規程參數鉆進，提高鉆進效率。

1．2精確鉆進

地質勘查鉆孔深度較淺，但地層復雜多樣。一次鉆進可遇到多種地層，鉆機須根據不同地層，及時、準確地調整鉆壓、轉速等參數，使鉆進規程參數與地層相適應。

1．3高效鉆進

鉆機須具有較高的鉆進效率，自動化程度高，可操作性好，縮短施工周期，提高經濟效益。同時功率損耗小，節能高效。JDD．100型地質勘查鉆機液壓系統采用電液比例技術，可精確控制鉆壓、轉速。無級調節鉆進壓力、回轉速度。給進行程長，調速范圍大。工作平穩、易于操作、高效節能。該鉆機由給進機構、回轉機構、振動機構、起塔機柯、鉆桿夾持擰卸機構、絞車升降機構、靜力觸探機構、鉆機調平機構、鎖緊機構、泥漿循環機構、液壓油散熱器等組成。其中給進機構與回轉機構控制鉆進壓力和回轉速度這兩項重要的鉆進規程參數?，F針對給進與回轉機構的液壓系統進行分析。

2給進機構液壓系統設計

2．1給進機構液壓系統設計要求

給進機構帶動動力頭上升或下降以達到提升鉆具或向下鉆進的目的。給進液壓缸采用長行程雙作用液壓缸。液壓缸固定在鉆塔內，活塞桿通過鏈條倍速機構帶動動力頭在鉆塔上滑動。地質勘查時，使用硬質合金取心鉆頭鉆進，碎巖機理主要是硬質合金切削具的切削作用。鉆進過程中如果給進壓力過低，鉆頭切削具無法切入巖石，鉆進速度將變慢甚至不進尺。如果鉆進壓力過大，會加速鉆頭切削具磨損，縮短鉆頭壽命。在軟地層鉆進，鉆壓過大會出現鉆頭泥包現象，降低鉆進效率。給進機構的主要作用是提供準確的鉆進壓力。同時變量泵根據負載的變化自動調節流量，使流量與工作負載相適應。鉆進速度受負載的影響實時變化。鉆進速度慢，負載大時需要小的給進流量。鉆進速度快，負載小時需要大的給進流量，同時需保持鉆進壓力恒定。選用電液比例遙控恒壓泵控系統可滿足上述要求。電液比例遙控恒壓泵控系統原理圖如圖2所示。給進壓力由電液比例壓力閥4調節，壓力閥由預先設定好的程序輸出信號控制，從而實現給進壓力的自動控制。電磁換向閥6控制給進液壓缸5給進與提升等動作。該系統不存在中位卸荷回路。換向閥中位機能為“0”型，給進液壓缸活塞桿，即動力頭可懸停在鉆塔上的任意位置。當電磁換向閥處于中位時，變量泵壓力升高，輸出流量很小，僅維持泵內部的泄漏量，處于高壓等待狀態，能量無溢流損失，具有節能效果。

2．2給進機構液壓系統計算

液壓缸選取為處理孔內事故等特殊工況，鉆機需具有較大的強力起拔鉆具能力。設計要求鉆機動力頭起拔力為65kN，給進機構采用液壓缸鏈條倍速機構，則液壓缸起拔力應為130kN，設系統壓力P=16MPa，管路壓力損失卸=2MPa，液壓缸無桿腔進油。

3回轉機構液壓系統設計

動力頭回轉機構主要由電液比例變量泵、液壓馬達、減速箱、主軸等組成。兩個液壓馬達直接帶動動力頭主軸回轉。通過預先設定好的程序，調節電液比例變量泵排量，對動力頭回轉速度無級調速。

3．1回轉機構液壓系統設計要求

地質勘查鉆孔深度100m，硬質合金取心鉆頭大多在粘土、粉土、砂土類軟至中硬巖層鉆進。施工過程中，回轉速度過小會降低鉆進速度，影響鉆進效率。回轉速度過大將使鉆頭過度磨損，縮短鉆頭壽命。同時回轉機構克服鉆頭與巖石，鉆具與沖洗液、孔壁之間的摩擦力，向鉆具提供足夠大的轉矩。動力頭回轉機構液壓系統的作用是向鉆具提供相應的回轉速度與轉矩，同時回轉速度不隨工作負載的改變而變化。鉆進過程中由于地層等各種復雜因素的影響，工作負載實時變化，由于負載不穩定，使鉆具轉矩值處于波動中，進而影響到回轉速度。在一種地層中鉆進時要求回轉速度恒定，回轉機構液壓系統需具有較好的硬機械特性，不受負載波動的影響，保證以最優轉速鉆進。電液比例變量泵控系統可滿足上述要求。回轉機構液壓系統原理圖如圖3所示。為增加回轉系統鉆進負載適應能力，動力頭由液壓馬達1與液壓馬達2驅動。除了使用電液比例變量泵6無級調速外，還可以通過兩個液壓馬達串并聯調節動力頭轉速。鉆進負載大時，動力頭開低轉速，換向閥5處于右位，兩馬達并聯，對電液比例變量泵提供的液壓油進行分流，降低動力頭轉速，提供大轉矩。鉆進負載小時，動力頭開高轉速，換向閥5處于中位，馬達串聯，提高動力頭回轉速度，輸出較小的轉矩。

3．2回轉機構液壓系統計算

液壓馬達選取液壓馬達直接驅動動力頭回轉。動力頭傳動比為當兩個液壓馬達并聯時輸出轉矩較大，設計最大轉矩值為4500N•m，則單個液壓馬達輸出轉矩為。鉆機加工完成后進行了實鉆測試。試驗表明該鉆機液壓系統運行情況良好，給進力、轉速等技術指標達到了設計要求。給進與回轉電液比例液壓系統實驗數據如表2、表3所示。

5結論

(1)鉆機采用電液比例控制技術，達到了優化、精確、高效鉆進的目的；

(2)回轉機構液壓系統采用電液比例變量泵控技術，對回轉速度閉環反饋控制，負載變化時，轉速恒定，具有較好的硬機械特性；

(3)給進機構采用電液比例遙控恒壓泵控技術，鉆壓由工控機自動控制，可保持恒定，與負載無關，同時給進流量與負載相適應，無溢流損失，減少系統發熱，具有節能作用；

(4)柴油機啟動時變量泵為小流量輸出，降低了柴油機的啟動力矩，液壓系統具有良好的啟動特性。