千米定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)在井下鉆探中的性能分析

黃紅飛

(新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

千米定向鉆機(jī)是進(jìn)行井下長鉆孔作業(yè)的主要機(jī)械設(shè)備，除了要具有對(duì)超千米深孔進(jìn)行穩(wěn)定鉆機(jī)的性能，還要良好地適應(yīng)各類地質(zhì)條件。這對(duì)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)提出了很高要求，但目前對(duì)于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般主要關(guān)注功能實(shí)現(xiàn)，未能充分考慮負(fù)載發(fā)生變化后系統(tǒng)運(yùn)行所受到的影響，因此研究千米定向鉆機(jī)在井下鉆探中對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)性，是提升設(shè)備性能的重要課題。

1 概述

1.1 千米定向鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩、適于大直徑近水平深孔鉆進(jìn)的自行式全液壓動(dòng)力頭式坑道鉆機(jī)。該鉆機(jī)為煤礦井下大口徑瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工提供了必要的技術(shù)裝備。鉆機(jī)為整體式布局，如圖1所示，由履帶車體、主機(jī)、泵站和操縱臺(tái)4大部分組成，主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)之間用高壓膠管連接，共同安裝在履帶車體之上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于井下搬遷運(yùn)輸。

1.2 千米定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

對(duì)千米定向鉆機(jī)而言，其動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別是回轉(zhuǎn)裝置和給進(jìn)裝置。回轉(zhuǎn)裝置組成部分包括：液壓馬達(dá)、減速機(jī)構(gòu)(行星輪與斜齒輪)、卡盤和主軸。在減速機(jī)構(gòu)的作用下變量馬達(dá)向主軸不斷傳遞動(dòng)力，卡盤使鉆桿和主軸同時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)。而給進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)主要為雙液壓缸，其活塞桿保持固定，當(dāng)缸體移動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)器，實(shí)現(xiàn)鉆桿給進(jìn)和起拔。

1-履帶車體；2-泵站；3-主機(jī)；4-操縱臺(tái)圖1 ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

在對(duì)超千米深孔進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，為良好適應(yīng)不同地層，鉆機(jī)應(yīng)有較寬的調(diào)速范圍，并且波動(dòng)不宜過大，這就要求系統(tǒng)應(yīng)不斷提供給進(jìn)力，以及能和回轉(zhuǎn)負(fù)載良好匹配的回轉(zhuǎn)壓力。因負(fù)載敏感系統(tǒng)可使流量保持恒定，便于調(diào)速，且壓力和負(fù)載能夠良好適應(yīng)，變量泵可在給進(jìn)時(shí)始終保持一定的壓力，同時(shí)在進(jìn)入過載狀態(tài)后能立即降低流量，起到保護(hù)鉆具的作用，所以開發(fā)出恒壓變量與負(fù)載敏感充分結(jié)合的新型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要由基本回路和輔助回路構(gòu)成，其中基本回路為回轉(zhuǎn)回路與給進(jìn)回路：回轉(zhuǎn)回路作用在于提供充足回轉(zhuǎn)動(dòng)力，確保鉆具能夠克服負(fù)載阻力矩；而給進(jìn)回路的作用在于提供鉆桿給進(jìn)力與起拔力[1]。以上兩回路如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出，該回路組成部分包括：負(fù)載敏感泵、液壓馬達(dá)與換向閥，采用遠(yuǎn)控手柄對(duì)負(fù)載敏感閥進(jìn)行控制，從而使馬達(dá)完成正反轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)。從圖2(b)中可以看出，該回路組成部分包括：變量泵、雙作用油缸、減壓閥、浮動(dòng)控制閥、補(bǔ)油回路、三位八通閥。采用遠(yuǎn)控手柄對(duì)三位八通閥進(jìn)行控制，使雙作用油缸完成前后移位與停止，以此實(shí)現(xiàn)鉆桿給進(jìn)及起拔。系統(tǒng)液壓給進(jìn)回路當(dāng)中，浮動(dòng)控制閥及減壓閥對(duì)油缸浮動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)與鉆桿的加卸相配合，防止絲扣受到損傷；鉆進(jìn)時(shí)補(bǔ)油回路提供液壓油，使鉆進(jìn)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)；處于限壓閥之后的減壓閥能使鉆機(jī)完成減壓給進(jìn)，并確保卡盤正常發(fā)揮夾緊作用[2]。

a-液壓回轉(zhuǎn)回路；b-液壓給進(jìn)回路圖2 千米定向鉆機(jī)液壓回路

2 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)性能分析

2.1 液壓回轉(zhuǎn)回路

如前所述，系統(tǒng)液壓回轉(zhuǎn)回路主要具有負(fù)載敏感特性。為便于分析，需構(gòu)建相應(yīng)的仿真模型。對(duì)回路的負(fù)載敏感閥，仿真是可借助可控節(jié)流口進(jìn)行模擬，如果系統(tǒng)壓力有明顯變化，則壓力油經(jīng)限壓閥及負(fù)載敏感閥對(duì)泵排量進(jìn)行調(diào)整，從而完成對(duì)泵壓的有效調(diào)整。將處于變化狀態(tài)的負(fù)載阻力矩施加到這一模型當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)泵口與馬達(dá)入口發(fā)生的壓力變化情況和負(fù)載阻力矩發(fā)生的變化情況基本相同，同時(shí)壓差也保持固定。此外，從鉆桿鉆速發(fā)生的變化可以看出，系統(tǒng)處于帶載啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)短暫波動(dòng)，之后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。通過仿真分析得出，該回路有著十分顯著的負(fù)載敏感特性，同時(shí)處于負(fù)載變化狀態(tài)時(shí)，鉆桿回轉(zhuǎn)速度未出現(xiàn)太大波動(dòng)，說明系統(tǒng)具備良好的剛性[3]。

2.2 液壓給進(jìn)回路

如前所述，系統(tǒng)液壓給進(jìn)回路主要具有恒壓變量特性，該回路給油主要采用變量泵，給進(jìn)油缸主要受控于減壓閥，以此來完成加壓鉆進(jìn)和減壓鉆進(jìn)。為便于分析，同樣要構(gòu)建相應(yīng)的仿真模型。該模型的鉆桿數(shù)量擬定為400根，每根質(zhì)量在32 kg左右?；芈诽幵诔跏紶顟B(tài)時(shí)，其換向閥處于左端，即給進(jìn)雙缸左腔進(jìn)油，此時(shí)活塞桿保持固定，整個(gè)缸體開始向右端發(fā)生移動(dòng)。通過對(duì)鉆桿給進(jìn)時(shí)的負(fù)載變化，以及泵口流量、液壓缸實(shí)際位移和泵口壓力等的分析發(fā)現(xiàn)，給進(jìn)時(shí)缸筒發(fā)生的位移變化趨于平穩(wěn)，且泵口流量達(dá)到最大，壓力穩(wěn)定，為2.68 MPa；在缸筒位移達(dá)到最大以后，泵口流量幾乎為零，而壓力可以提高到最大值。通過更深一步的分析看出，這一回路在給進(jìn)時(shí)壓力能保持相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)給進(jìn)完畢，或者處于過載狀態(tài)時(shí)，流量可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至保持內(nèi)泄的狀態(tài)，這對(duì)能量損耗的控制十分有利[4]。

2.3 液壓系統(tǒng)性能測(cè)試

千米定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)測(cè)試需在專業(yè)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上完成。按要求施加一定轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在189～6 576 N·m范圍內(nèi)，每運(yùn)行1 min進(jìn)行1次采樣，共完成20次采集。從系統(tǒng)壓力與轉(zhuǎn)速試驗(yàn)輸出結(jié)果可知，泵壓實(shí)際輸出除了具有和施加的阻力矩基本一致的變化情況，還能穩(wěn)定在27 MPa左右，即額定壓力；轉(zhuǎn)速實(shí)際輸出變化能達(dá)到相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。因此，該系統(tǒng)負(fù)載敏感特性十分顯著[5]。

3 結(jié)論

(1)基于千米定向鉆機(jī)對(duì)超千米深孔進(jìn)行穩(wěn)定鉆進(jìn)，以及良好適應(yīng)工作負(fù)載不穩(wěn)定變化的實(shí)際要求，通過對(duì)恒壓變量控制與負(fù)載敏感的合理應(yīng)用來改造液壓系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)兩大回路，以此對(duì)二者進(jìn)行分組控制。液壓回轉(zhuǎn)回路以負(fù)載敏感泵、液壓馬達(dá)與換向閥為主；液壓給進(jìn)回路則以變量泵、雙作用油缸、減壓閥、浮動(dòng)控制閥、補(bǔ)油回路、三位八通閥為主。

(2)在分析掌握液壓系統(tǒng)構(gòu)成、特性與機(jī)理的前提下，采用仿真法進(jìn)一步探究系統(tǒng)性能，不同回路有著不同的特性，對(duì)回轉(zhuǎn)回路而言，其特性為負(fù)載敏感，而給進(jìn)回路則為恒壓變量。從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)負(fù)載持續(xù)變化時(shí)，液壓回轉(zhuǎn)回路具有十分顯著的特性，即負(fù)載敏感；而液壓給進(jìn)回路可在給進(jìn)時(shí)確保壓力處于恒定狀態(tài)，同時(shí)給進(jìn)完畢，或者處于過載狀態(tài)時(shí)，流量可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至保持內(nèi)泄的狀態(tài)，這對(duì)能量損耗的控制十分有利。

(3)在專業(yè)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明被測(cè)系統(tǒng)剛性良好，且特性顯著。通過井下鉆探實(shí)踐，這種液壓系統(tǒng)完全可行、動(dòng)作可靠，除了可以減少由于負(fù)載發(fā)生波動(dòng)而對(duì)鉆機(jī)自身造成的沖擊，還能避免過剩壓力及過剩流量的產(chǎn)生，節(jié)能效果顯著。