架柱式鉆機全液壓自動控制裝置的研究

張戚

(北汽福田汽車股份有限公司，北京101400)

架柱式液壓回轉鉆機是近年來廣泛應用于煤礦、勘探等工程現場的主要施工裝備之一，適用于放頂炮孔、放水孔、瓦斯抽放孔、注漿孔、地址勘探孔及其他工程用孔，適用于巖石堅固性系統f≤10 的各種煤層、巖層。鉆機可在基本參數表中規定的方位角和傾角范圍內任意鉆孔，可配多種形式及規格的鉆具使用，適用不同鉆探要求。

它采用全液壓驅動無極變速，鉆機破巖速度快，鉆程長且省時省力，主要由泵站、主機、操作臺等部分組成。其中主機主要包括液壓推進、液壓頂緊及液壓旋轉等部分。圖1 為架柱式液壓回轉鉆機實物圖。

圖1 架柱式液壓回轉鉆機實物圖

泵站通過防爆電動機驅動油泵轉動，將電能轉換成頂緊油路、旋轉油路和進給油路的液壓能(壓力油)，再通過操縱臺上的單向閥和換向閥組將壓力油輸送到液壓執行機構，從而實現鉆機的各種功能，具體動作原理參見圖2。

圖2 原架柱式鉆機液壓原理圖

這是一種架柱式鉆機現有市場產品普遍采用的技術，結構簡單、施工效率高，且操作方便、實用，由于采用了全液壓驅動系統及防爆電機，整機不存在電信號控制，因而杜絕了電火花產生的可能，滿足了高瓦斯地下坑道施工的環境要求。

架柱式鉆機在驅動旋轉頭向前做進給時，立柱頂緊裝置必須頂緊坑道頂、底面而固定，要求頂緊油缸頂緊且其液壓系統壓力必須大于一定值，以確保整個鉆機在前向鉆孔作業時不會發生傾倒翻機事故。頂緊液壓系統壓力由操作臺上的一只液壓表顯示，嚴格要求操作人員在對鉆機進給油缸系統的操作施工中，要時刻注意鉆機頂緊裝置液壓系統的壓力表值變化，當其壓力低于一定值時，務必人工先給頂緊裝置液壓系統進行充壓操作。這就增加了施工人員操作負擔，在惡劣的施工環境下也極易因疏忽造成整機傾倒的翻機事故。

1 架柱式鉆機液壓自動切換原理

針對架柱式鉆機存在的上述問題，文中利用螺紋插裝閥等常用液壓元件，研究出了一種能實現架柱式鉆機頂緊油缸系統充壓及其進給油缸系統工作這兩種狀態全液壓自動切換控制的裝置。圖3 顯示了該自動切換裝置在架柱式鉆機系統中的具體應用。

圖3 架柱式鉆機液壓新系統原理圖

比較圖2 與圖3 可知:架柱式鉆機液壓新系統中僅增用了一個全液壓控制的自動切換閥組。該全液壓自動切換閥組是由常用的幾種Vickers 閥組合而成，見圖4。

圖4 自動切換閥組原理圖

現結合圖3、圖4 說明全液壓自動切換閥組的工作原理。當施工人員完成鉆機的移動、安裝后，首先操作操作臺上的頂緊操作閥，立柱上的頂緊油缸伸展，使立柱撐固住施工坑道的頂、底板，再使頂緊操作閥復中位，這時雙聯齒輪泵中小泵開始通過頂緊操作閥中位向自動切換閥組供油，自動切換閥開始進入下述工況:

(1)初始充液工況。這時單向閥5 后的頂緊油缸系統壓力低于低壓調節壓力值p頂＜p低壓，說明立柱頂緊坑道頂、底板力量不足，不能啟動進給油缸進給施工，閥1 開啟，閥2、閥3、閥4 在彈簧力作用下均工作在左位，切換閥向頂緊油缸系統供油充壓。

(2)充液向進給切換的工況。由于切換閥向頂緊油缸系統充壓，單向閥5 后的頂緊油缸內壓力持續上升，當p低壓＜p頂＜p高壓時，閥1 斷開，但單向閥5后的壓力仍可以通過閥3、閥2 作用到閥4 左彈簧腔，彈簧力作用下閥4 仍處于左位，切換閥繼續向頂緊油缸系統供油充壓，p頂繼續上升，當p低壓＜p高壓＜P頂時，閥1 斷開，閥2 工作在右位，閥3、閥4 左彈簧腔通過閥2 泄油，閥3、閥4 工作到右位，這時，自動切換閥斷開向頂緊油缸系統的充壓供油，切換到向進給系統供油的工況，由于單向閥5 的作用，頂緊油缸系統將長時間保壓。

(3)進給向充液切換的工況。保壓中的頂緊油缸系統，由于內、外泄漏的客觀存在，實際系統壓力p頂將緩緩下降，當p低壓＜p頂＜p高壓時，閥2 由右位切換到左位，但閥1、閥3 仍然處于斷開狀態，閥3、閥4 的左端彈簧腔壓力依然為0，閥4 依然工作在右位，繼續向進給油缸系統工作供油、不給頂緊油缸系統充壓供油。當p頂繼續下降至p頂＜p低壓＜p高壓時，閥1 由斷開切換到接通狀態，單向閥5 后的液壓壓力通過閥1 作用到閥3、閥4 兩閥左端彈簧腔，在彈簧力作用下閥3 再次接通，而閥4 的閥芯切換為左位，自動切換閥將向頂緊油缸系統供油充壓，同時斷開向進給油缸系統的工作供油。

(4)充液再次向進給切換的工況。自動切換閥向頂緊油缸系統充壓，頂緊油缸內壓力p頂將再次上升，當p低壓＜p頂＜p高壓時，閥1 斷開，但單向閥5 后的壓力仍可以通過閥3、閥2 作用到閥4 左彈簧腔，彈簧力作用下閥4 仍處于左位，切換閥繼續向頂緊油缸系統供油充壓，p頂繼續上升，當p低壓＜p高壓＜p頂時，閥1 斷開，閥2 工作在右位，閥3、閥4 左彈簧腔通過閥2 泄油，閥3、閥4 工作到右位，于是自動切換閥斷開向頂緊油缸系統的充壓供油，再次切換到向進給系統供油的工況。

全液壓自動切換閥的上述工作原理，可用表1 所列的各閥工作狀態表來概括。

表1 各閥工作狀態表

2 架柱式鉆機自動切換裝置及功能

2.1 全液壓自動切換裝置

架柱式鉆機全液壓自動切換裝置充分利用市場常用液壓元件來實現，閥1、閥2、閥3、閥5 均采用Vickers 螺紋插裝閥，而閥4 采用了Vickers 板式安裝的液控換向閥。圖5 為全液壓自動切換閥組圖，圖6為全液壓自動切換閥組內部結構。

圖5 全液壓自動切換閥組圖

圖6 全液壓自動切換閥組A－A 剖視圖

2.2 自動切換裝置應用回路功率特性p－Q 圖

圖3 所示的自動切換裝置能完成對頂緊油缸系統加載、卸載，同時能自動切換成給進給油缸系統供油工作，相應回路的功率特性可用圖7 所示的p－Q 圖進行圖解分析。

圖7 中p、Qp分別為液壓泵的輸出壓力和流量;其中的點A 為液壓泵對頂緊油缸系統充壓結束、切換為向進給油缸供油工作的臨界狀態工作點 (Qp、p高壓);點B 為液壓泵停止對進給油缸系統供油、切換為向頂緊油缸系統供油充壓的臨界狀態工作點(Qp、p低壓);點C 為液壓泵在各操作多路閥中位卸荷時的工作點 (Qp、p0);線段BA 為液壓泵向頂緊油缸系統供油沖壓工況工作點軌跡;pm為液壓泵在充壓工況的平均輸出壓力。則不難得出液壓泵在向頂緊油缸系統充壓、向進給油缸系統供油工作及油泵卸荷，這3 種工況下所耗功率分別為:

圖7 裝置應用回路工作狀態p－Q 圖

N1=S0Qp21

N2=S0QpDp進給

N3=S0QpCp0

在人工充壓不能自動切換到進給供油的狀態下，能節省的功率ΔN 為

ΔN=N1－N3=SCp012

而在實現自動切換功能后，當液壓泵給頂緊油缸系統充壓完成后將立即切換到向進給油缸系統供油工作，此時液壓油泵所耗功率N2依然為工作的有效功率，這種情況下能節省的功率ΔN'

ΔN' = N1=S0Qp21

顯然，自動切換裝置的應用將使系統節省更多的功率。由于兩種工況是自動無間隔切換，比人工切換控制在效率上也將有所提高。

3 裝置回路主要功能及與傳統回路比較

3.1 全液壓自動切換裝置的主要功能

全液壓自動切換裝置的主要功能如下:

(1)自動檢測頂緊油缸液壓系統的壓力，與頂緊油缸系統構成自動充壓回路，無需人工控制。

(2)頂緊油缸系統壓力區間任意控制，壓力區間Δp=p高壓－p低壓，p高壓及p低壓均可調節。

(3)實現頂緊油缸系統供油充壓與進給油缸系統供油工作液壓上的互鎖功能，消除了安全隱患。

這種全液壓自動切換裝置，與頂緊油缸系統、進給油缸系統構成的自動充壓及進給工作系統，不僅能使頂緊油缸系統在設定的p低壓到p高壓壓力區間內工作，避免了人工對頂緊油缸系統頻繁的充壓操作，提高了生產效率，也由于兩系統在液壓上的互鎖，避免了由于操作疏忽造成翻機傾覆的可能，提高了安全可靠性。控制的壓力區間任意可調、自動切換進給與充壓、進給與充壓液壓鎖定成為此裝置的3 個顯著特點。

3.2 回路比較

圖8 是采用雙壓力繼電器與電磁換向閥配合，實現頂緊油缸系統壓力可調式自動切換系統。此回路的工作原理是:工作時，液壓泵首先向頂緊油缸系統充壓，壓力將逐漸上升，低壓力繼電器、高壓力繼電器將逐個動作，當低、高壓力繼電器均發出動作信號時，電磁換向閥切換，油泵向進給油缸系統供油工作;頂緊油缸系統壓力在保壓的過程中，壓力將緩緩下降，當低、高壓力繼電器均不發出動作信號時，電磁換向閥再次切換，油泵向頂緊油缸系統供油充壓。

圖8 雙壓力繼電器自動切換系統

此控制回路的特點是靠兩壓力繼電器的電氣動作發出控制信號來實現自動切換，屬電、液聯合控制回路。下面以表2 所列內容，對圖4、圖8 兩個自動切換回路作簡單比較。

表2 兩回路工作特性比較

4 結論

針對架柱式液壓回轉鉆機現有技術所存在的問題，利用市場常用的液壓元件，研究出一種全液壓自動控制裝置，反應靈敏、工作可靠、安全性好、效率高，全液壓控制也適應高防爆要求場地施工，因此，該自動切換裝置技術必定具有較強的實際應用價值。

［1］成大先．液壓傳動:機械設計手冊單行本［M］．北京:化學工業出版社，2004．

［2］徐灝．機械設計手冊［M］．北京:機械工業出版社，1997．

［3］章宏甲，黃誼，王積偉．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業出版社，2002．