地质勘查钻机电液比例液压设计

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目前我国地质勘查钻机普遍采用定量泵与普通液压阀组成的液压系统，钻进功能单一，不适应复杂地层钻进工艺要求。JDD一100型地质勘查钻机由液压驱动，具有回转、振动、冲击、静压多种钻进功能，还可随钻测量地层电阻率、孔隙度等地质参数。钻机如图1所示。

1城市地质勘查钻机钻进性能要求

1．1优化钻进

钻进过程中，各种地层有不同的最优钻进规程参数与之对应。钻压、转速需稳定保持在最优钻进规程参数附近，避免过大的波动。钻机始终以最优规程参数钻进，提高钻进效率。

1．2精确钻进

地质勘查钻孔深度较浅，但地层复杂多样。一次钻进可遇到多种地层，钻机须根据不同地层，及时、准确地调整钻压、转速等参数，使钻进规程参数与地层相适应。

1．3高效钻进

钻机须具有较高的钻进效率，自动化程度高，可操作性好，缩短施工周期，提高经济效益。同时功率损耗小，节能高效。JDD．100型地质勘查钻机液压系统采用电液比例技术，可精确控制钻压、转速。无级调节钻进压力、回转速度。给进行程长，调速范围大。工作平稳、易于操作、高效节能。该钻机由给进机构、回转机构、振动机构、起塔机柯、钻杆夹持拧卸机构、绞车升降机构、静力触探机构、钻机调平机构、锁紧机构、泥浆循环机构、液压油散热器等组成。其中给进机构与回转机构控制钻进压力和回转速度这两项重要的钻进规程参数。现针对给进与回转机构的液压系统进行分析。

2给进机构液压系统设计

2．1给进机构液压系统设计要求

给进机构带动动力头上升或下降以达到提升钻具或向下钻进的目的。给进液压缸采用长行程双作用液压缸。液压缸固定在钻塔内，活塞杆通过链条倍速机构带动动力头在钻塔上滑动。地质勘查时，使用硬质合金取心钻头钻进，碎岩机理主要是硬质合金切削具的切削作用。钻进过程中如果给进压力过低，钻头切削具无法切入岩石，钻进速度将变慢甚至不进尺。如果钻进压力过大，会加速钻头切削具磨损，缩短钻头寿命。在软地层钻进，钻压过大会出现钻头泥包现象，降低钻进效率。给进机构的主要作用是提供准确的钻进压力。同时变量泵根据负载的变化自动调节流量，使流量与工作负载相适应。钻进速度受负载的影响实时变化。钻进速度慢，负载大时需要小的给进流量。钻进速度快，负载小时需要大的给进流量，同时需保持钻进压力恒定。选用电液比例遥控恒压泵控系统可满足上述要求。电液比例遥控恒压泵控系统原理图如图2所示。给进压力由电液比例压力阀4调节，压力阀由预先设定好的程序输出信号控制，从而实现给进压力的自动控制。电磁换向阀6控制给进液压缸5给进与提升等动作。该系统不存在中位卸荷回路。换向阀中位机能为“0”型，给进液压缸活塞杆，即动力头可悬停在钻塔上的任意位置。当电磁换向阀处于中位时，变量泵压力升高，输出流量很小，仅维持泵内部的泄漏量，处于高压等待状态，能量无溢流损失，具有节能效果。

2．2给进机构液压系统计算

液压缸选取为处理孔内事故等特殊工况，钻机需具有较大的强力起拔钻具能力。设计要求钻机动力头起拔力为65kN，给进机构采用液压缸链条倍速机构，则液压缸起拔力应为130kN，设系统压力P=16MPa，管路压力损失卸=2MPa，液压缸无杆腔进油。

3回转机构液压系统设计

动力头回转机构主要由电液比例变量泵、液压马达、减速箱、主轴等组成。两个液压马达直接带动动力头主轴回转。通过预先设定好的程序，调节电液比例变量泵排量，对动力头回转速度无级调速。

3．1回转机构液压系统设计要求

地质勘查钻孔深度100m，硬质合金取心钻头大多在粘土、粉土、砂土类软至中硬岩层钻进。施工过程中，回转速度过小会降低钻进速度，影响钻进效率。回转速度过大将使钻头过度磨损，缩短钻头寿命。同时回转机构克服钻头与岩石，钻具与冲洗液、孔壁之间的摩擦力，向钻具提供足够大的转矩。动力头回转机构液压系统的作用是向钻具提供相应的回转速度与转矩，同时回转速度不随工作负载的改变而变化。钻进过程中由于地层等各种复杂因素的影响，工作负载实时变化，由于负载不稳定，使钻具转矩值处于波动中，进而影响到回转速度。在一种地层中钻进时要求回转速度恒定，回转机构液压系统需具有较好的硬机械特性，不受负载波动的影响，保证以最优转速钻进。电液比例变量泵控系统可满足上述要求。回转机构液压系统原理图如图3所示。为增加回转系统钻进负载适应能力，动力头由液压马达1与液压马达2驱动。除了使用电液比例变量泵6无级调速外，还可以通过两个液压马达串并联调节动力头转速。钻进负载大时，动力头开低转速，换向阀5处于右位，两马达并联，对电液比例变量泵提供的液压油进行分流，降低动力头转速，提供大转矩。钻进负载小时，动力头开高转速，换向阀5处于中位，马达串联，提高动力头回转速度，输出较小的转矩。

3．2回转机构液压系统计算

液压马达选取液压马达直接驱动动力头回转。动力头传动比为当两个液压马达并联时输出转矩较大，设计最大转矩值为4500N•m，则单个液压马达输出转矩为。钻机加工完成后进行了实钻测试。试验表明该钻机液压系统运行情况良好，给进力、转速等技术指标达到了设计要求。给进与回转电液比例液压系统实验数据如表2、表3所示。

5结论

(1)钻机采用电液比例控制技术，达到了优化、精确、高效钻进的目的；

(2)回转机构液压系统采用电液比例变量泵控技术，对回转速度闭环反馈控制，负载变化时，转速恒定，具有较好的硬机械特性；

(3)给进机构采用电液比例遥控恒压泵控技术，钻压由工控机自动控制，可保持恒定，与负载无关，同时给进流量与负载相适应，无溢流损失，减少系统发热，具有节能作用；

(4)柴油机启动时变量泵为小流量输出，降低了柴油机的启动力矩，液压系统具有良好的启动特性。