鉆機(jī)回轉(zhuǎn)超壓保護(hù)液壓閥塊設(shè)計(jì)與仿真研究

張 剛，姚亞峰，宋海濤，彭 濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

1 概述

通常，把鉆探施工過程中發(fā)生的，中斷鉆孔內(nèi)正常鉆進(jìn)的各種故障統(tǒng)稱為孔內(nèi)事故，主要分為埋鉆、卡鉆、燒鉆、斷鉆、落物及套管事故等。雖然這些事故不會直接造成人員傷亡，但孔內(nèi)事故往往引起一系列其他損害，如人力、財力、物力、工期的浪費(fèi)，鉆探設(shè)備的損壞、人員的傷亡，質(zhì)量事故的發(fā)生，環(huán)境的污染等[1]。因此，對于孔內(nèi)事故的預(yù)防尤其重要，孔內(nèi)事故的發(fā)生通常有自然和人為兩大因素。自然因素是指特殊的地層地質(zhì)條件，一般人力難以改變，而人為因素中，鉆機(jī)操作人員的現(xiàn)場操作與判斷處理是最直接預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生的關(guān)鍵因素。由于孔內(nèi)事故的發(fā)生往往具有偶然、突發(fā)性，而鉆機(jī)操作人員長時間工作，當(dāng)剛出現(xiàn)孔內(nèi)事故表征時，精神力及體力往往不足以及時做出正確的操作[2]。因此針對大多數(shù)孔內(nèi)事故將發(fā)生時，負(fù)載增大，鉆機(jī)主軸回轉(zhuǎn)壓力必定升高這一特性，本文介紹了一種鉆進(jìn)時回轉(zhuǎn)超壓保護(hù)液壓閥塊，將其嵌入鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中，使鉆機(jī)自身能夠?qū)變?nèi)事故做出及時的反應(yīng)，有效地降低孔內(nèi)事故的發(fā)生。

2 回轉(zhuǎn)超壓保護(hù)液壓閥塊

回轉(zhuǎn)超壓保護(hù)液壓閥塊（圖1a）由閥體、邏輯閥、液控閥、螺堵等組成。其中邏輯閥、液控閥都為螺紋插裝閥，均采用錐面密封，具有良好的密封性。該液壓閥塊最大工作流量120L/min,最大工作壓力350bar，具有以下幾個特點(diǎn)：①整體尺寸小，拆裝方便；②插裝閥互換性好，便于維修；③集成化程度高，省去傳統(tǒng)液壓回路的管路連接件[3-5]。

該液壓閥塊結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時，（圖1b）中二位四通閥芯在彈簧作用下置于左位，P口與A口、B口與T口連通，二位三通閥芯在彈簧作用下置于右位，C口和D口均不連通；當(dāng)鉆孔內(nèi)即將發(fā)生孔內(nèi)事故時，鉆機(jī)正轉(zhuǎn)壓力升高，而液壓閥塊C口和正轉(zhuǎn)油路連通與其壓力相同，當(dāng)C口壓力超過（圖1b）中二位三通閥彈簧設(shè)定壓力時，其控制油推動閥芯向右，則C口來油進(jìn)入液壓閥快內(nèi)部推動二位四通閥芯向左運(yùn)動，此時P口與B口、T口與A口連通，P口高壓油進(jìn)入給進(jìn)起拔油缸起拔口，動力頭快速后退，直到正轉(zhuǎn)壓力下降到設(shè)定壓力以下，閥芯回到初始位置繼續(xù)鉆進(jìn)或停鉆，防止孔內(nèi)事故的發(fā)生。

3 液壓閥塊建模與動作特性仿真

3.1 設(shè)定工況

設(shè)定當(dāng)孔內(nèi)負(fù)載使回轉(zhuǎn)壓力P超過200bar時，會發(fā)生孔內(nèi)事故，給進(jìn)油缸行程900mm，活塞初始位置在450mm處，液壓閥塊插裝閥閥芯工作行程-2～2mm[6-8]。

3.2 構(gòu)建液壓系統(tǒng)回路

要研究液壓閥塊的動作特性，必須將液壓閥塊嵌入鉆機(jī)液壓系統(tǒng)回路中，模擬其鉆進(jìn)工況，建立如圖2所示鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)回路。

3.3 AMEsim建模

由于本文主要研究該液壓閥塊的動態(tài)特性，因此利用AMEsim中的HCD庫元件搭建液壓閥塊模型，其他液壓元件在Hydraulic庫中選取，建立液壓系統(tǒng)回路模型如圖3所示。

3.4 仿真分析

仿真時間設(shè)定為10s，孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力信號輸入設(shè)為0～2s時，輸入壓力0～200bar線性遞增，2～7s時，孔內(nèi)出現(xiàn)事故，正轉(zhuǎn)壓力由200bar線性遞增，7s時遞減到200bar，7～10s時，輸入壓力遞減到200bar以下，仿真曲線如圖4～圖6所示。

由圖4所示可知，當(dāng)孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力在2s時達(dá)到200bar時，給進(jìn)油缸帶動動力頭迅速回退，但孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力仍未下降，當(dāng)孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力在7s時下降到200bar以下，給進(jìn)油缸帶動動力頭繼續(xù)正常鉆進(jìn)。而由圖5、圖6可知，在2s和7s時，液壓閥快內(nèi)二位四通和二位三通閥芯同時換向，控制給進(jìn)油缸快速回退與給進(jìn)。

通過仿真發(fā)現(xiàn)該液壓閥塊對負(fù)載壓力變化敏感、迅速，可保證鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)壓力突增時，動力頭及時回退，預(yù)防大多數(shù)孔內(nèi)事故的發(fā)生。

4 總結(jié)

本文介紹了一種回轉(zhuǎn)超壓保護(hù)液壓閥塊，將其嵌入鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中，能夠起到預(yù)防孔內(nèi)鉆探事故的作用。通過模擬鉆機(jī)鉆進(jìn)施工實(shí)際工況，利用AMEsim軟件對液壓閥塊進(jìn)行建模與仿真，分析發(fā)現(xiàn)其工作動作特性與理論設(shè)計(jì)一致，為鉆探施工過程中預(yù)防孔內(nèi)事故提供了新方法和新思路。