負(fù)載敏感閥在小型履帶鉆機(jī)中的應(yīng)用

盧 倩

（北京探礦工程研究所，北京 100086）

1 概述

國(guó)外新型鉆機(jī)的自動(dòng)化、智能化已從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)并得到了較為廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)新地質(zhì)巖芯鉆探方法，推動(dòng)地質(zhì)勘查領(lǐng)域正在發(fā)生的智能、綠色為特征的技術(shù)創(chuàng)新。帶動(dòng)行業(yè)的進(jìn)步，使鉆探技術(shù)行業(yè)的總體水平與國(guó)際基本同步[1-3]?，F(xiàn)在進(jìn)入了鉆機(jī)發(fā)展的智能化(自動(dòng)化)階段。國(guó)外智能化鉆機(jī)研制起始于20世紀(jì)90年代中期，已研發(fā)了三代并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。瑞典海格比(HAGBY)公司開發(fā)成功的ONRAM系列全自動(dòng)巖芯鉆機(jī)(ComputerControlledDrill),該系列鉆機(jī)可以采集和記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的13種參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)顯示鉆速和其他鉆進(jìn)參數(shù)為科學(xué)鉆探提供了保障,為各種新工藝及器具的進(jìn)一步優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)[4-5]。鉆機(jī)具有近機(jī)操作和遠(yuǎn)程控制兩套操作系統(tǒng)，任何一套操作系統(tǒng)都可以完全操作鉆機(jī)工作[6]。其中，動(dòng)力頭輸出扭矩采用直接測(cè)量的方式，數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。在完成上述超級(jí)鉆參儀功能的同時(shí)也可以智能控制鉆進(jìn)過(guò)程中的給進(jìn)力（速度）、轉(zhuǎn)速、泵量三個(gè)重要參數(shù)。系統(tǒng)對(duì)三個(gè)參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)參數(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)定值控制相應(yīng)執(zhí)行器的動(dòng)作，使相應(yīng)參數(shù)的輸出值可以高精度地匹配設(shè)定值[7-8]。給進(jìn)系統(tǒng)控制中，系統(tǒng)具有恒壓給進(jìn)和恒速給進(jìn)兩種工作模式，兩種模式下的壓力和速度值都可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，十分利于鉆探相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的開展[9-10]。

在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中急需小型履帶式輕便鉆機(jī)。該鉆機(jī)采用了負(fù)載敏感閥動(dòng)力頭式設(shè)計(jì)。可遙控可手動(dòng)操作。

負(fù)載敏感閥的特點(diǎn)：

（1）執(zhí)行元件的速度僅與比例換向閥開度有關(guān),而與負(fù)載壓力無(wú)關(guān),從而真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速。

（2）液壓系統(tǒng)效率高,節(jié)能效果好。在普通定量泵液壓系統(tǒng)中,如果工作中要求執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度減小一半,則將有一半功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的熱量損耗,這些熱量被液壓系統(tǒng)吸收或通過(guò)液壓油冷卻器散發(fā)。而在負(fù)載敏感控制系統(tǒng)中情況就不同了,液壓泵可根據(jù)執(zhí)行元件工況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)提供所需的流量,只有少量的能量損耗。

（3）負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中,單一的液壓泵可滿足多個(gè)回路的壓力—流量需求。而在普通的定量泵液壓系統(tǒng)中,為滿足同一系統(tǒng)中不同支路的工作要求,必須采用多聯(lián)泵、流量分配器、流量控制閥或壓力控制閥聯(lián)合控制等等,系統(tǒng)較復(fù)雜。

(4)負(fù)載敏感液壓泵和比例換向閥集成化程度高,系統(tǒng)外接油路簡(jiǎn)單。

(5)操作控制方式多樣化,可以手動(dòng)控制、電動(dòng)控制、液壓控制。

2 鉆機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 鉆機(jī)整體特點(diǎn)

當(dāng)出現(xiàn)流量飽和時(shí),不能滿足各執(zhí)行元件流量的需要,較合理的解決方法是各執(zhí)行元件都相應(yīng)地減少供油量,對(duì)應(yīng)各閥桿操縱行程按比例分配流量。這種系統(tǒng)稱為分流比負(fù)載敏感閥系統(tǒng)。

通常負(fù)載敏感閥系統(tǒng)的特點(diǎn)是各操縱閥由獨(dú)立的壓力補(bǔ)償器來(lái)設(shè)定的閥桿進(jìn)口壓力和出口壓力之差是一定的。各閥桿的補(bǔ)償壓力可以設(shè)定為不相同，閥桿進(jìn)出口壓差由彈簧力所決定。其主要問(wèn)題是要起補(bǔ)償作用必須由流經(jīng)操縱閥產(chǎn)生的壓降達(dá)到補(bǔ)償壓力，而在并聯(lián)油路中油優(yōu)先流向低負(fù)荷執(zhí)行器，當(dāng)流量不足時(shí),高負(fù)荷執(zhí)行器得不到足夠流量，因此不能起補(bǔ)償作用。為了解決此問(wèn)題,將壓力補(bǔ)償器進(jìn)行改進(jìn),讓它起負(fù)荷均衡器作用,低負(fù)荷執(zhí)行器通過(guò)壓力補(bǔ)償器的節(jié)流使它與高負(fù)荷執(zhí)行器的負(fù)荷壓力相同，這樣各路負(fù)荷相等，就避免了油優(yōu)先流向低負(fù)荷執(zhí)行器問(wèn)題。

（1）取樣鉆總重量不超過(guò)1000kg，攜帶方便，適用于高山、無(wú)電源、無(wú)風(fēng)壓設(shè)備的地區(qū)和流動(dòng)性較大的臨時(shí)性工程尤為適合。發(fā)動(dòng)機(jī)給12V電瓶充電，給遠(yuǎn)程控制信號(hào)接收器供電，所有電磁鐵均采用12V的，無(wú)需再額外充電。

（2）遠(yuǎn)程控制部分主要由發(fā)射器也稱遙控器、天線和接收器組成。遙控器自帶兩塊6V電池和充電器，可以交替單獨(dú)使用，滿足24h不間斷使用。

2.2 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)采用18馬力汽油機(jī)泵站，全液壓系統(tǒng)。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)具有如下性能（圖1）：

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

（1）中位機(jī)能采用的是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，與機(jī)械手冊(cè)不一致。左右行走的H型相當(dāng)于機(jī)械手冊(cè)的Y型，P口不通，T口和A、B口相通。一般馬達(dá)采用這個(gè)中位機(jī)能，可以防止不工作時(shí)的沖擊。因?yàn)槲覀兊奶厥庑枨?，加了平衡閥，壓力只要小于200bar，都可以穩(wěn)定在這個(gè)壓力，不會(huì)溜車，可以停在斜坡上。左行走和右行走采用L中位機(jī)能，不加平衡閥。在現(xiàn)有5路基礎(chǔ)上再增加2路：夾持器H中位機(jī)能，絞車L中位機(jī)能。L相當(dāng)于機(jī)械手冊(cè)的O型，中位機(jī)能P、T、A、B全不通，一般油缸采用這個(gè)中位機(jī)能，可以使機(jī)構(gòu)停在任意位置；

（2）行走、起塔與其他動(dòng)作隔開了，具有互鎖，防止誤操作；

（3）因?yàn)樨?fù)載敏感閥對(duì)液壓油液清潔度的要求較高，所以在油箱與閥之間設(shè)置了液壓油的過(guò)濾器，避免閥芯受到液壓系統(tǒng)細(xì)小顆粒的影響，在閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生研磨現(xiàn)象時(shí)，造成間隙過(guò)大，形成泄漏，出現(xiàn)工作壓力不穩(wěn)定或逐漸下降的情況；

（4）鉆進(jìn)遇到阻礙時(shí)，加裝先導(dǎo)調(diào)壓閥塊，可以手動(dòng)緩慢泄壓；

（5）一定的抗腐蝕能力，主要是耐大氣和礦物的腐蝕；

（6）夾持器常閉，手柄自動(dòng)復(fù)位：夾持器摩擦定位容易造成掉鉆事故，這也是為什么夾持器要設(shè)計(jì)常閉的原因，只有提鉆和擰卸鉆桿的過(guò)程中需要打開夾持器。為了防止誤操作和掉鉆事故夾持器設(shè)計(jì)成常閉式、自動(dòng)復(fù)位的。而且常閉式夾持器采用摩擦定位，夾持器油路及液壓系統(tǒng)一直處于溢流狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)都是最高壓力，系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。

2.3 鉆桿鉆具設(shè)計(jì)

按照先成孔，后取芯的設(shè)計(jì)方案，鉆頭主要有錐形沖擊鉆頭和合金取芯鉆頭兩種。取芯鉆頭安裝在單管取芯鉆具上。單管取芯鉆具設(shè)計(jì)了普通單管和槽型單管兩種形式。

鉆桿要求耐磨性好，承受傳遞能量所需的高強(qiáng)度等。由于該鉆桿在疲勞載荷下使用，因此還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)鋼的一般性能。在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿承受高峰值、高頻率的沖擊載荷作用，導(dǎo)致快速的疲勞破壞。此外，鉆桿還將受到扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮等多種復(fù)合應(yīng)力的作用，并在回轉(zhuǎn)、碰撞的環(huán)境下經(jīng)受巖石、巖粉等工作介質(zhì)的磨蝕作用，鉆桿強(qiáng)度大，螺紋連接處有一橫置圓柱銷與鉆桿構(gòu)成整體（圖2）。

圖2 鉆桿

2.4 遠(yuǎn)程控制部分

遠(yuǎn)程控制部分遙控器自帶兩塊鎳氫電池和充電器，可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷供電。遙控器手柄間的距離要控制好，防止誤觸。遙控器上起塔進(jìn)給手柄中心距是3cm，起塔與行走中心距是7cm（圖3）。

圖3 發(fā)射器面板布局圖

夾持器加上摩擦定位，不采用自動(dòng)復(fù)位，不然鉆工太辛苦，理想的情況是夾持器能夠和給進(jìn)提升和鉆進(jìn)聯(lián)動(dòng)，方案二是摩擦定位，沒(méi)有程序控制的情況下，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)非常困難，本機(jī)采用摩擦定位。

接收器部分需要12～30VDC電源供電，采用發(fā)動(dòng)機(jī)12V啟動(dòng)電瓶。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)只有啟動(dòng)時(shí)需要電打火，正常工作后還可以反充給電瓶。如此可以保證接收器部分正常供電。為避免接收器部分持續(xù)工作耗電嚴(yán)重，在電瓶處設(shè)置開關(guān)。接收器安裝位置必須遠(yuǎn)離熱源、變頻器、馬達(dá)及其他大功率設(shè)備，以避免接受信號(hào)受到干擾，適當(dāng)?shù)钠帘未胧┛梢愿纳苹蛲耆@種干擾對(duì)接收器的影響。且應(yīng)做好減震處理。

有效控制距離：標(biāo)配100m（空曠無(wú)障礙）。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與改進(jìn)

設(shè)備及電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，不建議立即推動(dòng)遠(yuǎn)程控制手柄，使負(fù)載敏感閥和泵馬上進(jìn)入工作狀態(tài)。應(yīng)讓負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)處于低壓待機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間后，待液壓元件、液壓管路、油缸等存在的空氣排凈，油液循環(huán)正常，系統(tǒng)溫度合適后，再進(jìn)入工作狀態(tài)和加載調(diào)試。

鉆機(jī)僅需一人遙控即可行走和進(jìn)行鉆進(jìn)工作。沖擊速度很快，半分鐘即可沖擊1m。工作效率高。小履帶底盤可以爬入廂式貨車中進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。沖擊完成后，用鋼絲繩套住沖擊接頭的臺(tái)階，另一頭套住沖擊頭上，油缸上行即可實(shí)現(xiàn)起拔，且起拔力較大，運(yùn)行平穩(wěn)，優(yōu)于其他的結(jié)構(gòu)形式（圖4）。所取樣品如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖5 所取樣品

4 總結(jié)

本機(jī)克服現(xiàn)有技術(shù)中鉆機(jī)體積笨重且功能單一不能適應(yīng)淺表地層的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。適用于較軟的松散地層，不適用于堅(jiān)硬（含礫石）致密完整的巖石地層?？墒褂没剞D(zhuǎn)動(dòng)力頭替換沖擊頭實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

解放了部分的工人勞動(dòng)，工人可遠(yuǎn)離鉆機(jī)作業(yè)，安全舒適噪音小，可多視角觀察，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

因?yàn)樾枰と藬Q卸鉆桿和更換繩套提升，目前鉆進(jìn)作業(yè)不能實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)線遙控，需考慮結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，采用中空動(dòng)力頭、機(jī)械手、液壓擰卸鉆桿等才能最終實(shí)現(xiàn)全無(wú)線遙控作業(yè)。

未來(lái)人類將有越來(lái)越多自己無(wú)法到達(dá)，但希望鉆機(jī)可以到達(dá)去取樣的地區(qū)，因此無(wú)人鉆機(jī)的研發(fā)需求將越來(lái)越大。隨著智能化自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人鉆機(jī)將逐漸成為可能，代替人類，作為先鋒，到達(dá)人類尚不能到達(dá)的地區(qū)實(shí)行鉆探作業(yè)。