液壓節(jié)能策略在鉆機開發(fā)中的應用

王士昭，王克虎，程林，孔令滬，張益男，朱立強，解少朋，王浩，薛滋苗

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081; 2.河北石探機械制造有限責任公司，石家莊 050081)

0 引言

鉆機是地質勘探及工程施工等領域的重要設備，在鉆機設計時，只有提高機電液節(jié)能控制技術，才能保證設備的運行質量，從而整體提高設備品質。基于上述思路來指導機械產品的設計，才能夠符合當前社會的發(fā)展需求。

我單位研制的多功能取樣鉆機以高頻沖擊進行直推取樣和回轉鉆進螺旋取樣兩種方式確保取樣率及樣品符合標準。該鉆機以內燃發(fā)動機為動力源，通過液壓系統(tǒng)驅動液壓沖擊及動力頭回轉，實施取樣作業(yè)。據(jù)此，我們針對該鉆機動力匹配系統(tǒng)，合理設置了發(fā)動機負荷率，通過調整液壓系統(tǒng)的參數(shù)來適應鉆進工況的變化[1]，使發(fā)動機始終工作在最佳油耗點，提高發(fā)動機的燃油利用率，達到節(jié)能減排的目的。

1 發(fā)動機的節(jié)能分析

1.1 發(fā)動機負荷特性

負荷特性是指維持發(fā)動機轉速不變，其燃油經(jīng)濟性指標隨負載而變化的關系[2]。當發(fā)動機保持固定轉速，通過調整噴油泵齒條或拉桿位置，改變每循環(huán)供油量時，有效燃油消耗率be隨負荷扭矩T變化的關系即為發(fā)動機負荷特性[3]。

當發(fā)動機空轉時，be為無窮大，隨著負荷Ttq增加，每循環(huán)的供油量增加，be下降，供油量增加到點1位置時，be達到最低值，再繼續(xù)增加負荷和供油量時，由于過量空氣系數(shù)的減少，燃燒惡化，不完全燃燒及補燃增加，be升高；當供油量增加到點2的位置(該轉速下最大扭矩)時，排氣冒黑煙，達到國家法規(guī)規(guī)定的煙度限值，繼續(xù)增加油量已為公害[2]，見圖1。

圖1 發(fā)動機負荷特性曲線

由負荷特性曲線可見，耗油率be隨負荷增加而降低，在接近全負荷(常在80%負荷率左右)時，be達到最小。因此，提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的關鍵是為發(fā)動機匹配到合適的負荷率，從而降低發(fā)動機的燃油消耗[2]。

基于以上分析，發(fā)動機外特性與目標值負荷間的關系曲線如圖2所示。當轉速在發(fā)動機怠速至最大轉矩轉速之間時，負荷率設置為 80%或略微低一些。其中，曲線A-B-C為發(fā)動機的外特性轉矩曲線(油門全開)，曲線F-D-E-C為外負載經(jīng)傳動裝置轉換后所需要的轉矩曲線。n0為發(fā)動機怠速，n1為液壓泵的啟動轉速，n2為發(fā)動機最大轉矩時的轉速，n3為發(fā)動機的額定轉速。按圖2所示的負荷率工作，既滿足了復合動力裝置高效率、高動力性的要求，又使發(fā)動機有一定的儲備功率，有利于提高加速性能并且在遇到突發(fā)載荷而控制裝置因慣性滯后調節(jié)時可以防止發(fā)動機熄火[4]。

圖2 發(fā)動機扭矩特性與目標值負荷率曲線

1.2 發(fā)動機節(jié)能設計

鉆機在實際作業(yè)中，將外負載以扭矩和轉速的形式反饋到發(fā)動機主軸，其中扭矩T的大小由外負載和傳動比決定。

發(fā)動機工作中的輸出扭矩應在曲線A-B-C以下，如果負載扭矩過界，發(fā)動機將冒黑煙熄火，如果負載扭矩過低將造成負荷率過低、燃油利用率過低的情況發(fā)生。如果將發(fā)動機負荷點設置在A-B-C和D-E-C之間，則發(fā)動機抗過載能力偏差，在鉆機主軸負荷稍微增大時，發(fā)動機就可能熄火。故鉆機負荷率應沿D-E-C曲線來設置，這樣即使鉆機在運行中負荷有過載的情況，由于D-E-C與A-B-C間的余量存在，也會避免因負載突變造成的發(fā)動機熄火。

2 液壓傳動系統(tǒng)的節(jié)能策略

變量泵變量馬達的容積調速回路的主要優(yōu)點是沒有節(jié)流調速中通過溢流閥和節(jié)流閥的溢流功率損失和節(jié)流功率損失，所以發(fā)熱少、效率高，更節(jié)能。轉盤鉆機的機械式變速箱調速范圍不夠寬廣，且不能實現(xiàn)無級調速，致使發(fā)動機經(jīng)常使用負荷過低，燃油經(jīng)濟性極差。

由變量泵變量馬達組成的液壓傳動系統(tǒng)，除了實現(xiàn)無級調速外，更重要的是可以根據(jù)鉆機實際工況實時調節(jié)發(fā)動機負荷扭矩，使發(fā)動機穩(wěn)定在最佳油耗區(qū)工作，動態(tài)調節(jié)發(fā)動機、液壓系統(tǒng)和主軸工況的參數(shù)，使其匹配更趨科學合理。

泵通過法蘭聯(lián)軸器與發(fā)動機飛輪相連，故泵的轉速與發(fā)動機轉速相等，泵的輸入轉矩與發(fā)動機的輸出扭矩相等。要實現(xiàn)發(fā)動機的節(jié)能減排，提高燃油利用率，發(fā)動機應在該轉速下的最佳負荷率下運行，在該轉速下其輸出轉矩應為一固定值，該固定值應按照圖2中D-E-C曲線選定。

液壓泵的輸入轉矩根據(jù)下式計算：

(1)

式中：Mb為泵的輸入轉矩，N·m；pb為泵出口進口壓差，MPa；qb為泵的排量，mL/r。其中，pb取決于負載，當負載變化時，引起pb和Mb變化，在液壓控制系統(tǒng)不干預的情況下，當Mb偏離最佳工作點時，發(fā)動機燃油經(jīng)濟性將急劇下降，且有過載熄火的可能。此時主控制器根據(jù)壓力傳感器反饋的壓力信號，判斷出鉆機動力頭液壓馬達內壓力升高或者降低，通過發(fā)出控制信號來改變變量柱塞泵的斜盤擺角，來調節(jié)泵的排量qb以穩(wěn)定Mb為一定值，使發(fā)動機和液壓泵之間實現(xiàn)扭矩的匹配。

雖然鉆機負載隨實際工況在實時變化，但是通過控制系統(tǒng)對液壓元件參數(shù)的調節(jié)，可以實現(xiàn)發(fā)動機恒轉速恒扭矩的輸出，保證了發(fā)動機有效燃油消耗率始終處于最佳狀態(tài)。

3 發(fā)動機—液壓系統(tǒng)節(jié)能策略的實現(xiàn)

為了使鉆機在最佳工況點運行，從而降低鉆機的燃油消耗，最理想的控制方式是利用控制器根據(jù)鉆進工況，組合控制發(fā)動機轉速及液壓元件參數(shù)，使發(fā)動機根據(jù)不同工況穩(wěn)定在理想負荷率下工作。如圖3所示，通過速度傳感器和壓力傳感器感知負載變化，通過控制機構調節(jié)液壓馬達和液壓泵的排量來調節(jié)傳動比平衡負載變化，確保發(fā)動機在最佳油耗點運轉。

圖3 電液比例功率匹配控制系統(tǒng)

當鉆進至堅硬巖層，主軸所需扭矩增加，根據(jù)傳感器反饋信號，以及如下公式計算馬達輸出轉矩：

(2)

式中：Tm為馬達輸出的轉矩，N·m；pm為馬達出口進口壓差，MPa；qm為馬達的排量，mL/r。

主軸所需扭矩即為馬達輸出扭矩，當Tm增大，馬達進出口壓差pm增大，如果pm增大在液壓泵排量不變的情況下，液壓泵所需扭矩Mb將會變大，發(fā)動機工作點將飄移出最佳工作點，為了阻止pm增大，故主控將增大馬達的排量qm來使pm保持原值不變，通過降速增扭的方式來平衡Tm的增大，以使發(fā)動機負荷維持在最佳油耗點。

4 結語

由于地層情況復雜多樣，多功能取樣鉆機在回轉鉆進螺旋建井過程中主軸負載多變，采用發(fā)動機—液壓系統(tǒng)—負載的聯(lián)合控制策略既能充分發(fā)揮發(fā)動機的動力，又能提高有效燃油消耗率，節(jié)能減排。改善鉆機鉆進作業(yè)經(jīng)濟性的關鍵是改善傳動系統(tǒng)與發(fā)動機的匹配，其本質是維持發(fā)動機的最佳負荷率。