全液壓鉆機液壓合流設(shè)計與分析

羅詩偉，焦紅軍

(1.陜西核昌機電裝備有限公司，陜西 咸陽 712000；2. 西安力克得液壓技術(shù)有限公司，西安 710075)

全液壓鉆機液壓合流設(shè)計與分析

羅詩偉1，焦紅軍2

(1.陜西核昌機電裝備有限公司，陜西 咸陽 712000；2. 西安力克得液壓技術(shù)有限公司，西安 710075)

本文介紹了HQY-500全液壓鉆機的液壓合流設(shè)計和合流的基本條件，提出了科學(xué)的合流可降低液壓系統(tǒng)流量脈動，提高工作機構(gòu)的速度穩(wěn)定性和使用效率。文章還分析了鉆機在合流設(shè)計和裝配中所遇到的問題，并提出了解決方法，以及自己對合流的一點體會。

鉆機；便攜式；液壓系統(tǒng)；合流

0 前言

目前，很多鉆探設(shè)備及工程機械都采用了液壓合流技術(shù)來提高系統(tǒng)的能量利用率，從而達到節(jié)能減排的目的。液壓合流技術(shù)，簡單地說就是指兩個或兩個以上的不同的液壓系統(tǒng)分別有自己的動力源和獨立的液壓泵，當(dāng)某一個系統(tǒng)不需要供油時或不能完全使用全部流量時，就有兩個液壓泵均對另一個液壓系統(tǒng)進行供油。HQY-500全液壓鉆機就采用了液壓合流技術(shù)。此鉆機在設(shè)計初期就設(shè)定了主打便攜、利于搬遷的目的，為了使整機的最大部件質(zhì)量不超過175kg，在動力選擇上采用小功率動力單元并聯(lián)形式，由三臺柴油機帶動三組液壓泵工作，為系統(tǒng)提供液壓能輸入，經(jīng)合流后，再分別輸出給各動力執(zhí)行單元[1]。多余的流量合流后，一方面加快了執(zhí)行元件的工作速度，提高了系統(tǒng)工作效率；另一方面減少了能量損失，降低發(fā)熱，而且還可以將柴油機的功率和齒輪泵的排量選得小一點，減輕鉆機的解體部件重量，滿足搬遷的需要。

1 鉆機液壓系統(tǒng)合流設(shè)計與分析

1.1 工作原理

圖1為HQY-500全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)合流簡圖。三臺柴油機帶動三臺齒輪泵，產(chǎn)生液壓能，為整個系統(tǒng)提供動力輸入，其具體的工作原理如下：

(1)動力頭馬達工作的時候，泥漿泵、給進油缸三者可以同時工作，也可以分開單獨工作；

(2)液壓絞車工作時，動力頭馬達不工作，夾持油缸工作，泥漿泵不工作；

(3)動力頭馬達工作的時候，液壓絞車不工作，夾持油缸可工作也可不工作；

(4)可控制馬達轉(zhuǎn)速，方便實現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)；

(5)實現(xiàn)給進缸的慢速給進和退回控制以及快速進給和退回；

(6)控制泥漿泵輸入流量的大小及夾持油缸運行速度。

1.2 基本操作

鉆機液壓合流后的基本操作為：

(1)根據(jù)鉆進深度和地層的不同，調(diào)節(jié)優(yōu)先調(diào)速閥和泥漿泵的調(diào)壓開關(guān)，可以調(diào)整泥漿泵的輸出水量和水壓。

(2)調(diào)整動力頭馬達調(diào)壓開關(guān)，使其達到所需的壓力，開動多路閥控制手柄，控制馬達的正反轉(zhuǎn)?？刂剖直拈y塊是比例閥，手動控制流量并可以鋼球定位，隨著操作者手壓的力度，開合的流量也不同，壓到終位時定位，流量一定。

(3)操作手柄控制給進油缸的進給，通過調(diào)整操作臺上的進給壓力操作手柄，調(diào)整進給壓力。當(dāng)需要快速起拔或快速回退時，可以操作操作臺上的快進/快退手柄，達到較快的速度。

(4)調(diào)節(jié)優(yōu)先調(diào)速閥，使夾持器卡瓦的夾緊或松開速度達到合適的速度，通過調(diào)節(jié)操作臺上的夾持壓力的調(diào)整手柄，控制夾持力的大小。

圖1 全液壓鉆機液壓系統(tǒng)簡圖

三個液壓系統(tǒng)合流后, 由于充分利用了各系統(tǒng)的多余流量, 使進給油缸的工作速度、動力頭馬達的旋轉(zhuǎn)、泥漿泵流量等都得到提高。但是液壓泵在排油過程中，瞬時流量是不均勻的，隨時間而變化。但是，在液壓泵連續(xù)轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)中各瞬時的流量卻按同一規(guī)律重復(fù)變化，這種現(xiàn)象稱為液壓泵的流量脈動[2]。液壓泵的流量脈動會引起壓力脈動，從而使管道、閥等元件產(chǎn)生振動和噪聲。而且，由于流量脈動致使泵的輸出流量不穩(wěn)定，影響工作部件的運動穩(wěn)定性。

為了減小泵脈動度對泵輸出特性的影響，就需要對外嚙合漸開線齒輪泵合流前后的輸出特性進行理論分析，但是如果能夠合理采用合流技術(shù), 則對于改善液壓系統(tǒng)流量特性有很大作用。見圖2所示為外嚙合齒輪泵工作示意圖。

圖2 外嚙合齒輪泵工作示意圖

當(dāng)主動齒輪1在dt時間內(nèi)轉(zhuǎn)過dφ1角時，被動齒輪2轉(zhuǎn)過dφ2 角, 則根據(jù)齒輪嚙合基本定律可以算出齒輪1和齒輪2的角速度ω1和ω2。當(dāng)主動齒輪1轉(zhuǎn)過dφ1角度時, 齒輪1包圍壓油腔的齒面所掃過的容積dV1等于其曲線所掃過的面積乘以齒寬B, 同理, 從動齒輪2包圍壓油腔的齒面所掃過的容積為dV2，所以, 從壓油腔排出的容積dV為(見公式1)：

dV=dV1+dV2

(1)

齒輪泵瞬時流量Q(L/min)見公式(2)：

(2)

式中：Re1、Re2—齒輪1和齒輪2的齒頂圓半徑，mm；

Rc1、Rc2—齒輪1和齒輪2的嚙合半徑，mm；

B—齒輪1和齒輪2的齒寬，mm；

ω1—齒輪1的角速度；

R1、R2—齒輪1和齒輪2的節(jié)圓半徑，mm。

由于漸開線齒廓能較全面地滿足傳動要求，因而齒輪泵絕大多數(shù)都采用漸開線齒廓。對于漸開線齒廓, 齒輪嚙合點到兩齒廓公法線上節(jié)點之間的距離f=Rφ1[3]，經(jīng)微積分運算及利用三角函數(shù)關(guān)系對公式(2)中兩個變量Rc1和Rc2進行簡化[3]，可得到齒輪瞬時流量Q關(guān)于主動齒輪轉(zhuǎn)角的公式(3)，即:

其中

(3)

式中：ha1、ha2—齒輪1和齒輪2的齒頂高，mm；

Rj1—齒輪1公法線節(jié)點半徑，mm；

φ1—齒輪1旋轉(zhuǎn)過的角度；

Z—齒輪1的齒數(shù)。

綜上所述，不論兩個齒輪直徑是否相同，漸開線齒輪的瞬時流量均隨齒輪的轉(zhuǎn)角按拋物線規(guī)律變化。經(jīng)雙泵合流后系統(tǒng)的流量脈動頻率比單泵供油高1倍左右, 流量脈動系數(shù)卻降低了很多[4]。由此可見, 泵合流對于改善液壓系統(tǒng)流量脈動, 提高工作機構(gòu)工作效率和速度穩(wěn)定性, 提高液壓系統(tǒng)脈動頻率, 降低液壓系統(tǒng)噪聲有重大意義。

2 液壓系統(tǒng)合流的基本條件

油泵合流技術(shù)有很大的優(yōu)勢，既能提高工作機構(gòu)的穩(wěn)定性，又有節(jié)能的效果，所以很是令人向往，但并不是任何系統(tǒng)都可以應(yīng)用合流技術(shù)，雙泵合流系統(tǒng)目前有兩種類型，一類為配置優(yōu)先閥的雙泵合流系統(tǒng)；另一類為配置等值卸荷閥的雙泵合流系統(tǒng)。這兩種類型的雙泵合流系統(tǒng)在性能上有著根本的不同。但要實現(xiàn)合流必須要滿足以下條件：

(1)兩個液壓系統(tǒng)的工作壓力基本相同；

(2)兩個液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)不同時或很少同時處于工作狀態(tài)；

(3)其中一個系統(tǒng)常有多余壓力油通過溢流閥溢流的情況。

3 同工況合流設(shè)計及裝配要領(lǐng)

兩個相同的外嚙合漸開線齒輪泵合流能減小流量的脈動，但對于不同的泵合流，需要建立相應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。通常情況下，液壓泵由柴油發(fā)動機或電動機提供動力。HQY-500全液壓鉆機就是采用三臺柴油機提供動力，柴油機的轉(zhuǎn)速并不一樣，因此液壓系統(tǒng)中各泵的工況并不完全對稱，這就需要采用措施來保證所設(shè)計的泵符合優(yōu)化設(shè)計中的相位關(guān)系。

如圖3所示，可知當(dāng)操縱手柄時，三臺柴油機的油門拉線同時控制，確保了柴油機的旋轉(zhuǎn)速度是一樣的，這樣保證了三臺油泵是同頻率旋轉(zhuǎn)的，若選用相同排量的齒輪泵就可解決相位問題。

圖3 解決柴油機相同轉(zhuǎn)速的機構(gòu)

實踐證明，該機構(gòu)很好的解決了柴油機轉(zhuǎn)速不同而引起的工況不同，從而避免由于系統(tǒng)流量脈動的疊加給液壓系統(tǒng)帶來損害。見圖1所示，泵1和泵2是同排量的，連接形式及結(jié)構(gòu)都是一樣的，柴油機的調(diào)速機構(gòu)也是并聯(lián)在一起的，從而保證了同工況工作，合流后就能減少流量脈動，提高系統(tǒng)的能量利用率。

另外, 對于合流設(shè)計還需要注意一點，裝配時確保油門拉線的安裝及張緊度要一致，不可位置不一，松緊不一，否則會使系統(tǒng)的流量脈動幅度增大。

4 結(jié)論和體會

液壓系統(tǒng)的合流不僅需要進行優(yōu)化設(shè)計，還要掌握一定的裝配要領(lǐng), 才能保證合流獲得較為理想的效果。通過合流技術(shù)在HQY-500全液壓鉆機上的應(yīng)用，證實了此鉆機采用該技術(shù)是可行的，并有如下的一點心得體會：

(1)合流充分利用了系統(tǒng)多余壓力油，提高了系統(tǒng)的能量利用率，達到節(jié)能的目的。

(2)最好選用排量和規(guī)格一致的油泵進行合流。

(3)在兩泵的出口處需加上兩個單向閥。當(dāng)某一系統(tǒng)產(chǎn)生壓力超調(diào)時，單向閥可使泵免受高超調(diào)壓力損壞，從而提高了雙定量泵回路的工作可靠性。

(4)合流技術(shù)的應(yīng)用，可選擇小功率和小排量的油泵，從而降低系統(tǒng)成本，減輕單件的解體部件重量。

(5)合理的設(shè)計和裝配可以降低液壓系統(tǒng)的流量脈動幅度, 提高系統(tǒng)的流量脈動頻率。

[1] 羅詩偉，張聯(lián)庫.HQY-500型全液壓鉆機的研制[J].探礦工程，2011(3):46-49.

[2] 何存興.液壓元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[3] 吳克堅，等.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4] 梁曉東，馮茂林，孫芬.液壓系統(tǒng)雙泵合流技術(shù)探究[J].有色設(shè)備，2011(1):14-17.

Design and Analysis of Hydraulic Confluence for Hydraulic Drilling Machine

LUO Shiwei1，JIAO Hongjun2

(1. Shanxi Hechang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd.，Xianyang, Shanxi 712000, China;2. Xian Rexricher Hydraulic Technology Co., Ltd.，Xian, Shanxi 710075, China)

Scientific hydraulic confluence can reduce the flow pulsation in hydraulic system, improve the speed stability and efficiency of working mechanism. In this paper, the authors introduce the design of hydraulic confluence for HQY-500 full-hydraulic drilling rig and the basic condition for confluence, analyze the problems encountered in the confluence design and assembly of drilling rig, and put forward the solving methods and some experience.

drilling machine; portable; hydraulic system; confluence technology

2015-05-22

羅詩偉(1978-)，男(漢族)，本科，新疆昌吉州人，學(xué)士學(xué)位，高級工程師、注冊建造師，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，主要從事鉆探機械的研發(fā)、砼制品機械的設(shè)計制造以及對外技術(shù)合作，Tel：13992021347，E-mail：anuov@163.com。

P634.31

A

1009-282X(2015)05-0011-04