地質(zhì)勘探常用液壓鉆機(jī)動力設(shè)備的特性與選擇

閆鵬飛，雷明善

1.吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所,吉林 長春市 130103；2.吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，吉林長春 130061

0 引言

動力設(shè)備是液壓鉆機(jī)主要動力系統(tǒng)。它作為液壓鉆機(jī)一切動力的來源而成為整個液壓鉆機(jī)最為重要的裝置。液壓鉆機(jī)由于型號、用途、工作環(huán)境等因素的不同，對動力系統(tǒng)的輸入和輸出形式以及轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩等有著不同的要求。因此為了讓液壓鉆機(jī)具有更好的工作性能和更高的鉆探效率，為了提高液壓鉆機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力和減少動力故障。在設(shè)計液壓鉆機(jī)過程中，對動力設(shè)備特性的了解與選擇就顯得尤為重要。

1 動力設(shè)備的基本類型

液壓鉆機(jī)動力設(shè)備一般采用交流異步電動、柴油機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、變頻電驅(qū)動等設(shè)備產(chǎn)生動力，通過液壓傳動裝置轉(zhuǎn)換來滿足工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行所需動力。上述動力設(shè)備中最常采用的是交流異步電動、柴油機(jī)。本文著重介紹交流異步電動機(jī)、柴油機(jī)的特性和選擇。

2 動力設(shè)備的特性

2.1 交流異步電動機(jī)的特性

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系如圖1所示。由圖可見，當(dāng)n=n0時，轉(zhuǎn)矩達(dá)最大值Tmax；n0稱為臨界轉(zhuǎn)速。假設(shè)電動機(jī)運(yùn)行于n0～n1區(qū)域內(nèi)a 點(diǎn)，若電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與工作負(fù)載Tf大小相等，雙方處于平衡狀態(tài)，電動機(jī)以轉(zhuǎn)速n 勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)工作負(fù)載變化，使Tf增大到Tf’， 工作負(fù)載大于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，工作點(diǎn)移至a’。此時，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的下降而增加。直至電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與工作負(fù)載相等，電動機(jī)又處于平衡狀態(tài)。反之，當(dāng)工作負(fù)載減小時電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化過程則與上述相反，工作點(diǎn)移至a’’點(diǎn)。因此，在n0～n1的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。此區(qū)域稱為穩(wěn)定區(qū)。

假設(shè)電動機(jī)運(yùn)行于0～n0區(qū)域內(nèi)b點(diǎn)，雖然它也具有相同的電磁轉(zhuǎn)矩T，但是，當(dāng)負(fù)載增大引起轉(zhuǎn)速下降時，電磁轉(zhuǎn)矩反而減小了，從而引起轉(zhuǎn)速的再度下降。持續(xù)下去會導(dǎo)致電動機(jī)停機(jī)。反之，

圖 1 交流異步電動機(jī)輸出特性曲線Fig.1 Output characteristic curve of AC asynchronous motor

柴油機(jī)的外特性曲線，包括間歇功率外特性和持續(xù)功率外特性。

鉆機(jī)工作中應(yīng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)按持續(xù)功率外特性選擇。圖2為某型號柴油機(jī)的性能曲線圖，由圖可知，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)定在1 600 r/min時輸出轉(zhuǎn)矩最大，比油耗最小。若負(fù)載變小，由于轉(zhuǎn)速的升高導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增大，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高，直到轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速n0后，工作點(diǎn)進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)為止。因此，在0～n0轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大而增加。此區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)。

由上述分析可知，電動機(jī)正常工作于n0～n1曲線之間，其最低運(yùn)行速度為n0，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍是很小的，相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩的變化卻較大，通常其超載系數(shù)可達(dá)1.8～2.2。即，異步電動機(jī)具有硬的機(jī)械特性。

對應(yīng)于圖中n=0時的轉(zhuǎn)矩Tq，稱為電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩。若起動轉(zhuǎn)矩Tq大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并不斷提高轉(zhuǎn)速，最后進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。相反，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于起動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)不能起動。此時過大的起動電流長時間通過定子繞組，會燒毀定子。因此，生產(chǎn)過程中，必須讓電動機(jī)空載起動，以確保電動機(jī)的安全。

2.2 柴油機(jī)的特性

2.2.1 調(diào)速范圍

柴油機(jī)的調(diào)速范圍R，是指最高工作轉(zhuǎn)速與最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速之比。利用R，可以使液壓鉆機(jī)的液壓泵輸出軸與負(fù)載大小與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。中速柴油機(jī)（800～1 200 r/min）R為1.3～1.8，高速柴油機(jī)（1 500～2 500 r/min）的R更小，而低速柴油機(jī)（500～750 r/min）的R大些。一般采用中高速柴油機(jī)。

2.2.2 特性選擇

圖 2 某型號柴油機(jī)性能曲線Fig.2 Performance curve of a certain type of diesel engine

圖 3為調(diào)速特性曲線。在鉆機(jī)連續(xù)長期鉆孔時，應(yīng)將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速放在偏低位置，使其在不超過其最大功率75%的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。對于卷揚(yáng)機(jī)提升作業(yè)，負(fù)載時間不長，轉(zhuǎn)速可偏高，但其功率不宜超過其最大功率的80%。

2.2.3 工作點(diǎn)的穩(wěn)定性

圖 3 柴油機(jī)的調(diào)速特性Fig.3 Governor control characteristics of diesel engine

圖 4 工作點(diǎn)的穩(wěn)定性Fig.4 Working point stability

負(fù)載與柴油機(jī)的調(diào)速特性或外特性的交點(diǎn)為工作點(diǎn)（圖 4）。當(dāng)該點(diǎn)處于調(diào)速特性傾斜線上時，工作穩(wěn)定，同一柴油機(jī)對于不同的載荷曲線有不同的工作點(diǎn)。在圖4中的1、2、3三個工作點(diǎn)，從工作點(diǎn)的位置看出負(fù)載與動力是否匹配穩(wěn)定。在低于最大功率轉(zhuǎn)矩或額定轉(zhuǎn)矩Te以下的載荷工作點(diǎn)是穩(wěn)定的，在高于額定轉(zhuǎn)矩，但不大于最大轉(zhuǎn)矩Tmax時，尚可工作，但不穩(wěn)定。超過Tmax，柴油機(jī)停機(jī)。柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為適應(yīng)系數(shù)K，其值一般為：

K值不大，說明它的過載能力不強(qiáng)，柴油機(jī)不能帶負(fù)載起動。

3 動力設(shè)備的選擇

使用交流電動機(jī)能滿足鉆機(jī)工作要求且具備相應(yīng)的電源情況下應(yīng)優(yōu)先選用交流電動機(jī)。

交流電動機(jī)較內(nèi)燃機(jī)有較高的驅(qū)動效率，而籠型電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、耐用、易維修，起動、制動、反向控制簡便，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測量和控制。便于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。

采用變頻電系統(tǒng)可實現(xiàn)無級調(diào)速。但鉆機(jī)常因缺乏所需電源而不能選用。

鉆機(jī)如需用柴油機(jī)驅(qū)動或柴油機(jī)發(fā)電站的電驅(qū)動，只需足夠的燃油和潤滑油料就可工作。

選擇柴油機(jī)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）對于負(fù)荷特性來說，一般希望柴油機(jī)每循環(huán)的標(biāo)定供油量都能限定在冒煙界限和最低燃油消耗點(diǎn)之間，這是追經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行點(diǎn)。對于鉆機(jī)經(jīng)常接近滿負(fù)荷工作，為了提高經(jīng)濟(jì)性、柴油機(jī)的有效燃油消耗了ge 曲線應(yīng)隨負(fù)荷變化要求比較平坦，即在負(fù)荷變化較寬的范圍內(nèi)，能保持較好的燃料經(jīng)濟(jì)性。

（2）在速度特性中，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù) 是一個很重要的系數(shù)。鉆機(jī)鉆孔工作時，經(jīng)常遇到外界阻力突然增大的情況，為了克服短期超負(fù)荷，要求轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而增加較大。選擇的柴油機(jī) 值越大，表明柴油機(jī)克服短期超負(fù)荷的能力越強(qiáng)。

[1] 《中國選礦設(shè)備手冊》編委會.中國選礦設(shè)備手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所,吉林省探礦機(jī)械廠.JDZ-5型液壓巖心鉆機(jī)使用說明書[Z].