XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機電液控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉旭光，盛海星，王 敏

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西西安710089)

0 引言

20世紀(jì)70年代，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展和液壓元件水平的提高，出現(xiàn)了全液壓頂驅(qū)型動力頭式鉆機，許多國家將全液壓頂驅(qū)型動力頭式的巖心鉆機作為主要鉆探設(shè)備，來進行礦產(chǎn)勘查工作，從淺孔(100 m)到深孔(3000 m)都能使用，其使用范圍很寬。隨著電液比例控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達國家的勘探設(shè)備制造公司將電液比例控制技術(shù)應(yīng)用到了鉆機開發(fā)當(dāng)中。電液比例控制技術(shù)作為一種新型的液壓傳動控制技術(shù)，在全液壓鉆機的液壓傳動系統(tǒng)中取得了比較好的使用效果。通過這項技術(shù)，可以將液壓系統(tǒng)的控制功能集成在電液比例控制器內(nèi)，簡化液壓系統(tǒng)的構(gòu)成，提高液壓系統(tǒng)動作的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機復(fù)雜的控制功能，提高鉆機的自動化程度，提高工作效率，降低能耗和工人勞動強度。

XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機是我廠在多年的設(shè)計、生產(chǎn)全液壓巖心鉆機的基礎(chǔ)上研制出來的，使用了電液比例控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)，具有很高的自動化水平和工作效率。

1 XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機簡介

XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機(見圖1)專門針對山區(qū)丘陵地帶固體礦藏地表取心作業(yè)而設(shè)計，適用于金剛石繩索取心等多種鉆探工藝，適用于地質(zhì)、冶金、煤炭、石油、天然氣、地下水等行業(yè)。整機采用模塊化設(shè)計，拆卸、安裝搬遷方便，省時省力，單個模塊質(zhì)量≯200 kg，完全適用于交通不便的山區(qū)丘陵環(huán)境。采用電控操作方式，取代了以前的機械式手柄操作，改善了工人的工作環(huán)境。具有恒壓隨鉆控制系統(tǒng)，根據(jù)工況，設(shè)定壓力，自動恒壓鉆進，提高鉆進效率。動力頭回轉(zhuǎn)速度采用電液比例控制技術(shù)，可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級變速。采用傳感器檢測技術(shù)對動力頭扭矩、回轉(zhuǎn)速度、提升速度、液壓系統(tǒng)壓力及柴油機轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)進行采集并實時顯示，使機手能夠及時掌握鉆機和孔內(nèi)的工作狀況。

鉆機的主要技術(shù)參數(shù)如下。

圖1 XDQ－1200型全液壓輕型鉆機

(2)主卷揚:空鼓提拔力75 kN;速度(空鼓)50 m/min;裝繩量60 m/22 mm。

(3)副卷揚:空鼓提拔力12 kN;滿鼓提拔力4.5 kN;速度(空鼓)100 m/min;速度(滿鼓)270 m/min;裝繩量1200 m/5 mm。

(4)桅桿/給進:行程1.7 m;給進速度為快—慢無級變速;給進力60 kN;提拔力120 kN;鉆進角度0°～90°。

(5)發(fā)動機:品牌 Perkins;型號403D－15T;輸出功率30 kW×3;轉(zhuǎn)速2600 r/min;渦輪增壓后冷式柴油發(fā)動機。

(6)動力頭:最大通徑94 mm;轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min。

(7)卡盤:彈簧夾緊液壓型;打開夾持力392 kN。

2 主要功能電液控設(shè)計

2．1 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計

2．1．1 動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖2為動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的液壓原理圖，動力頭采用大扭矩的變量馬達驅(qū)動，使用變量泵—比例換向閥—變量馬達調(diào)速回路，具有很大的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。其中比例換向閥和變量馬達使用電液比例控制，通過控制電流的大小，控制閥和馬達的流量從而調(diào)節(jié)動力頭轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)動力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。該動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的變量泵采用的是負載敏感系統(tǒng)，泵可以根據(jù)動力的負載情況調(diào)節(jié)排量，降低鉆機能耗。

2．1．2 電比例變量馬達的特性

圖2 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖

電比例變量馬達可以按照程序給出的PWM量無級控制馬達排量，實現(xiàn)馬達的無級調(diào)速功能。馬達排量與電磁鐵吸力成正比，即與控制電流的大小成正比。變量活塞的控制力由比例電磁鐵產(chǎn)生。變量馬達液壓原理見圖3。

圖3 變量馬達液壓原理圖

整個系統(tǒng)的供電電壓為24 V，由圖4看出控制比例電磁鐵的電流范圍為200～600 mA。變量的起點為200 mA，此時變量馬達為最大排量;變量的終點為600 mA，此時變量馬達為最小排量。

圖4 流量與電流控制圖

2．1．3 電液比例換向閥特性

電液比例換向閥與電比例變量馬達控制相似，電液比例換向閥每一油路的閥的開口大小通過一個電液恒壓比例減壓閥控制，電流通過控制恒壓比例減壓閥的電磁鐵，產(chǎn)生一個成比例的壓力，從而控制閥心的開口大小，調(diào)節(jié)閥的流量。

整個系統(tǒng)的供電電壓為24 V，由圖5看出控制比例電磁鐵的電流范圍為425～800 mA。變量的起點為425 mA，此時變量閥為最小排量;變量的終點為800 mA，此時變量閥為最大排量。

圖5 流量與電流關(guān)系

2．2 動力頭給進系統(tǒng)的設(shè)計

圖6為給進系統(tǒng)的液壓原理圖，給進系統(tǒng)分快速提升給進和慢速提升給進，在提鉆或下鉆的時候使用快速提升給進，這樣可以提高提鉆和下鉆的速度，提高工作效率。當(dāng)液壓油通過A1和B1口來接通驅(qū)動給進油缸時，這時候為快速提升和給進的工作狀態(tài)。當(dāng)正常鉆進需要慢速給進，并且此時需要控制給進油缸的給進力，實現(xiàn)孔底恒壓鉆進的功能。當(dāng)P口和T口為進出油口來驅(qū)動給進油缸時為慢速給進工作狀態(tài)，通過控制恒壓比例減壓閥，可以控制給進油缸的給進力。恒壓比例減壓閥是電液比例控制閥，根據(jù)控制電流的大小來控制恒壓比例減壓閥的壓力，從而控制給進系統(tǒng)的給進壓力，實現(xiàn)恒壓鉆進。

圖6 動力頭給進系統(tǒng)液壓原理圖

2．3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

由于PLC控制器具有可靠性高、靈活性強、易于擴展、通用性和抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛用于機械、冶金、汽車、航空航天等領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用派芬公司的HE202和TTC公司的TTC60控制器作為系統(tǒng)的控制運算中心。整個電氣系統(tǒng)設(shè)計方案如圖7所示。

圖7 鉆機整體電氣控制系統(tǒng)

由于XDQ－1200型鉆機采用的是模塊化設(shè)計，鉆機的操作臺和鉆機主體部分是分離的。為了減少兩模塊之間的連接線路，分別在每個模塊上裝有一個PLC控制器，通過CANopen總線連接通信。由于CANopen具有很高的可靠性、實時性、低成本、抗干擾性、兼容能力等方面的優(yōu)勢，CANopen廣泛用于工業(yè)控制中。PLC控制器1(HE202)安裝在操作臺位置，采集工人發(fā)出的操作指令。PLC控制器2(TTC60)安裝在鉆機的主體部分上，采集鉆機的各種參數(shù)，例如液壓泵的實時壓力、動力頭的實時轉(zhuǎn)速、動力頭的進尺速度，同時根據(jù)PLC控制器1傳遞過來的操作指令和PLC控制2采集的各種參數(shù)，經(jīng)過PLC控制器2計算，控制相應(yīng)的比例閥和電磁閥做出相應(yīng)的動作。

本系統(tǒng)可以同時將采集到的指令、參數(shù)、發(fā)出的動作指令實時的顯示在顯示屏上，使操作工人能夠時刻監(jiān)測鉆機的運行狀態(tài)和監(jiān)測動作的正確與否。

3 全液壓輕型巖心鉆機的生產(chǎn)試驗

2014年7月XDQ－1200型巖心鉆機在陜西省安康市紫陽山區(qū)進行生產(chǎn)試驗。紫陽縣地區(qū)屬于秦嶺南麓山區(qū)，孔位定在山頂位置，山高大約在1000 m。上山的路基本上是一條彎彎曲曲的羊腸小路，徒步上山大約要4 h。

試驗孔的設(shè)計傾角為75°，設(shè)計深度為600 m，鉆進方向主要是沿著山體的地表鉆進。采用89 mm鉆頭開孔，鉆進20 m后，下89 mm的套管。沖洗液使用清水。此時動力頭轉(zhuǎn)速為200～500 r/min，給進壓力為5 kN，柴油機運轉(zhuǎn)臺數(shù)為1臺，柴油機運轉(zhuǎn)速度為2000 r/min。此階段鉆機無故障。下完套管之后，采用73 mm鉆桿、75 mm金剛石鉆頭進行鉆進，最終成孔深度為531.3 m。沖洗液使用清水，由于鉆進方向是沿著地表鉆進，地層的裂隙比較多，整個鉆進過程中基本上是全孔漏水。在此階段，動力頭轉(zhuǎn)速為500～700 r/min，給進壓力在8～15 kN，柴油機運轉(zhuǎn)臺數(shù)為2臺，柴油機轉(zhuǎn)速為2000 r/min。

最終終孔的原因是已經(jīng)穿過礦層，按照相關(guān)規(guī)定要求進行終孔。并且基本完成了對鉆機的各項性能參數(shù)進行地全面檢測。

該鉆機順利完成了野外生產(chǎn)性試驗。通過試驗，驗證了鉆機的各項性能參數(shù)可以用于生產(chǎn)。同時，也發(fā)現(xiàn)了不足:(1)主卷揚固定板薄弱，在生產(chǎn)中被拉變形;(2)主卷揚提升和下方速度比較慢，提下鉆效率偏低;(3)柴油機儀表安裝板薄弱，由于柴油機工作時的震動頻率很高，使得儀表安裝板撕裂。

4 結(jié)語

鉆機采用全液壓動力頭式設(shè)計，鉆進效率高。鉆機采用模塊化設(shè)計，無論是液壓油管還是電器的連接線路，都是即插即用，方便快捷，便于鉆機的拆卸安裝，便于在山區(qū)搬遷。動力頭旋轉(zhuǎn)和主卷揚控制采用電手柄控制，省去了機械式的手柄控制方式，可以大大降低操作工人的勞動強度，也可以嚴(yán)格精確地控制動力頭旋轉(zhuǎn)速度和主卷揚的提升下放速度。恒壓鉆進過程中，操作者可以通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，可以精確地控制孔底的給進壓力，防止壓力過高發(fā)生事故或者壓力過低浪費資源，提高鉆進效率和可靠性。鉆機的顯示器可以顯示鉆機的性能參數(shù)，是操作者直觀精確地掌握鉆機和鉆進的工作狀況。

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