地質勘探常用液壓鉆機動力設備的特性與選擇

閆鵬飛，雷明善

1.吉林省地質技術裝備研究所,吉林 長春市 130103；2.吉林省地質礦產勘查開發局，吉林長春 130061

0 引言

動力設備是液壓鉆機主要動力系統。它作為液壓鉆機一切動力的來源而成為整個液壓鉆機最為重要的裝置。液壓鉆機由于型號、用途、工作環境等因素的不同，對動力系統的輸入和輸出形式以及轉速、調速范圍、轉矩等有著不同的要求。因此為了讓液壓鉆機具有更好的工作性能和更高的鉆探效率，為了提高液壓鉆機的環境適應能力和減少動力故障。在設計液壓鉆機過程中，對動力設備特性的了解與選擇就顯得尤為重要。

1 動力設備的基本類型

液壓鉆機動力設備一般采用交流異步電動、柴油機、內燃機、變頻電驅動等設備產生動力，通過液壓傳動裝置轉換來滿足工作機構運行所需動力。上述動力設備中最常采用的是交流異步電動、柴油機。本文著重介紹交流異步電動機、柴油機的特性和選擇。

2 動力設備的特性

2.1 交流異步電動機的特性

交流異步電動機的轉矩T與轉速n 的關系如圖1所示。由圖可見，當n=n0時，轉矩達最大值Tmax；n0稱為臨界轉速。假設電動機運行于n0～n1區域內a 點，若電動機的轉矩T與工作負載Tf大小相等，雙方處于平衡狀態，電動機以轉速n 勻速轉動。當工作負載變化，使Tf增大到Tf’， 工作負載大于電動機轉矩，工作點移至a’。此時，電動機轉矩隨轉速的下降而增加。直至電動機轉矩與工作負載相等，電動機又處于平衡狀態。反之，當工作負載減小時電動機轉速的變化過程則與上述相反，工作點移至a’’點。因此，在n0～n1的轉速范圍內，轉矩隨轉速的增加而減小。此區域稱為穩定區。

假設電動機運行于0～n0區域內b點，雖然它也具有相同的電磁轉矩T，但是，當負載增大引起轉速下降時，電磁轉矩反而減小了，從而引起轉速的再度下降。持續下去會導致電動機停機。反之，

圖 1 交流異步電動機輸出特性曲線Fig.1 Output characteristic curve of AC asynchronous motor

柴油機的外特性曲線，包括間歇功率外特性和持續功率外特性。

鉆機工作中應持續運轉，應按持續功率外特性選擇。圖2為某型號柴油機的性能曲線圖，由圖可知，當柴油機轉速調定在1 600 r/min時輸出轉矩最大，比油耗最小。若負載變小，由于轉速的升高導致轉矩增大，使電動機轉速不斷升高，直到轉速超過臨界轉速n0后，工作點進入穩定區為止。因此，在0～n0轉速范圍內，轉矩隨轉速的增大而增加。此區域稱為不穩定區。

由上述分析可知，電動機正常工作于n0～n1曲線之間，其最低運行速度為n0，此時電動機轉速變化范圍是很小的，相對應的轉矩的變化卻較大，通常其超載系數可達1.8～2.2。即，異步電動機具有硬的機械特性。

對應于圖中n=0時的轉矩Tq，稱為電動機的起動轉矩。若起動轉矩Tq大于負載轉矩Tf，電動機運轉并不斷提高轉速，最后進入穩定區。相反，若負載轉矩大于起動轉矩，電動機不能起動。此時過大的起動電流長時間通過定子繞組，會燒毀定子。因此，生產過程中，必須讓電動機空載起動，以確保電動機的安全。

2.2 柴油機的特性

2.2.1 調速范圍

柴油機的調速范圍R，是指最高工作轉速與最低穩定工作轉速之比。利用R，可以使液壓鉆機的液壓泵輸出軸與負載大小與轉速相適應。中速柴油機（800～1 200 r/min）R為1.3～1.8，高速柴油機（1 500～2 500 r/min）的R更小，而低速柴油機（500～750 r/min）的R大些。一般采用中高速柴油機。

2.2.2 特性選擇

圖 2 某型號柴油機性能曲線Fig.2 Performance curve of a certain type of diesel engine

圖 3為調速特性曲線。在鉆機連續長期鉆孔時，應將柴油機轉速放在偏低位置，使其在不超過其最大功率75%的工況下運轉。對于卷揚機提升作業，負載時間不長，轉速可偏高，但其功率不宜超過其最大功率的80%。

2.2.3 工作點的穩定性

圖 3 柴油機的調速特性Fig.3 Governor control characteristics of diesel engine

圖 4 工作點的穩定性Fig.4 Working point stability

負載與柴油機的調速特性或外特性的交點為工作點（圖 4）。當該點處于調速特性傾斜線上時，工作穩定，同一柴油機對于不同的載荷曲線有不同的工作點。在圖4中的1、2、3三個工作點，從工作點的位置看出負載與動力是否匹配穩定。在低于最大功率轉矩或額定轉矩Te以下的載荷工作點是穩定的，在高于額定轉矩，但不大于最大轉矩Tmax時，尚可工作，但不穩定。超過Tmax，柴油機停機。柴油機的最大轉矩與額定轉矩之比稱為適應系數K，其值一般為：

K值不大，說明它的過載能力不強，柴油機不能帶負載起動。

3 動力設備的選擇

使用交流電動機能滿足鉆機工作要求且具備相應的電源情況下應優先選用交流電動機。

交流電動機較內燃機有較高的驅動效率，而籠型電動機結構簡單、耐用、易維修，起動、制動、反向控制簡便，可以實現遠距離的測量和控制。便于實現生產過程的自動化。

采用變頻電系統可實現無級調速。但鉆機常因缺乏所需電源而不能選用。

鉆機如需用柴油機驅動或柴油機發電站的電驅動，只需足夠的燃油和潤滑油料就可工作。

選擇柴油機應注意以下幾點：

（1）對于負荷特性來說，一般希望柴油機每循環的標定供油量都能限定在冒煙界限和最低燃油消耗點之間，這是追經濟的運行點。對于鉆機經常接近滿負荷工作，為了提高經濟性、柴油機的有效燃油消耗了ge 曲線應隨負荷變化要求比較平坦，即在負荷變化較寬的范圍內，能保持較好的燃料經濟性。

（2）在速度特性中，轉矩儲備系數 是一個很重要的系數。鉆機鉆孔工作時，經常遇到外界阻力突然增大的情況，為了克服短期超負荷，要求轉矩隨轉速下降而增加較大。選擇的柴油機 值越大，表明柴油機克服短期超負荷的能力越強。

[1] 《中國選礦設備手冊》編委會.中國選礦設備手冊[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 吉林省地質技術裝備研究所,吉林省探礦機械廠.JDZ-5型液壓巖心鉆機使用說明書[Z].