千米定向鉆機液壓系統在井下鉆探中的性能分析

黃紅飛

(新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

千米定向鉆機是進行井下長鉆孔作業的主要機械設備，除了要具有對超千米深孔進行穩定鉆機的性能，還要良好地適應各類地質條件。這對鉆機液壓系統提出了很高要求，但目前對于液壓系統的設計一般主要關注功能實現，未能充分考慮負載發生變化后系統運行所受到的影響，因此研究千米定向鉆機在井下鉆探中對負載變化的適應性，是提升設備性能的重要課題。

1 概述

1.1 千米定向鉆機結構

ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是一種低轉速大轉矩、適于大直徑近水平深孔鉆進的自行式全液壓動力頭式坑道鉆機。該鉆機為煤礦井下大口徑瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工提供了必要的技術裝備。鉆機為整體式布局，如圖1所示，由履帶車體、主機、泵站和操縱臺4大部分組成，主機、泵站、操縱臺之間用高壓膠管連接，共同安裝在履帶車體之上，結構緊湊，便于井下搬遷運輸。

1.2 千米定向鉆機液壓系統

對千米定向鉆機而言，其動作執行機構分別是回轉裝置和給進裝置。回轉裝置組成部分包括：液壓馬達、減速機構(行星輪與斜齒輪)、卡盤和主軸。在減速機構的作用下變量馬達向主軸不斷傳遞動力，卡盤使鉆桿和主軸同時進行回轉。而給進裝置的結構主要為雙液壓缸，其活塞桿保持固定，當缸體移動時，會帶動回轉器，實現鉆桿給進和起拔。

1-履帶車體；2-泵站；3-主機；4-操縱臺圖1 ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機結構

在對超千米深孔進行鉆進時，為良好適應不同地層，鉆機應有較寬的調速范圍，并且波動不宜過大，這就要求系統應不斷提供給進力，以及能和回轉負載良好匹配的回轉壓力。因負載敏感系統可使流量保持恒定，便于調速，且壓力和負載能夠良好適應，變量泵可在給進時始終保持一定的壓力，同時在進入過載狀態后能立即降低流量，起到保護鉆具的作用，所以開發出恒壓變量與負載敏感充分結合的新型鉆機液壓系統。這一系統主要由基本回路和輔助回路構成，其中基本回路為回轉回路與給進回路：回轉回路作用在于提供充足回轉動力，確保鉆具能夠克服負載阻力矩；而給進回路的作用在于提供鉆桿給進力與起拔力[1]。以上兩回路如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出，該回路組成部分包括：負載敏感泵、液壓馬達與換向閥，采用遠控手柄對負載敏感閥進行控制，從而使馬達完成正反轉與停轉。從圖2(b)中可以看出，該回路組成部分包括：變量泵、雙作用油缸、減壓閥、浮動控制閥、補油回路、三位八通閥。采用遠控手柄對三位八通閥進行控制，使雙作用油缸完成前后移位與停止，以此實現鉆桿給進及起拔。系統液壓給進回路當中，浮動控制閥及減壓閥對油缸浮動進行控制，同時與鉆桿的加卸相配合，防止絲扣受到損傷；鉆進時補油回路提供液壓油，使鉆進達到平穩狀態；處于限壓閥之后的減壓閥能使鉆機完成減壓給進，并確?？ūP正常發揮夾緊作用[2]。

a-液壓回轉回路；b-液壓給進回路圖2 千米定向鉆機液壓回路

2 鉆機液壓系統性能分析

2.1 液壓回轉回路

如前所述，系統液壓回轉回路主要具有負載敏感特性。為便于分析，需構建相應的仿真模型。對回路的負載敏感閥，仿真是可借助可控節流口進行模擬，如果系統壓力有明顯變化，則壓力油經限壓閥及負載敏感閥對泵排量進行調整，從而完成對泵壓的有效調整。將處于變化狀態的負載阻力矩施加到這一模型當中，可以發現泵口與馬達入口發生的壓力變化情況和負載阻力矩發生的變化情況基本相同，同時壓差也保持固定。此外，從鉆桿鉆速發生的變化可以看出，系統處于帶載啟動狀態時，轉速出現短暫波動，之后進入相對穩定的狀態。通過仿真分析得出，該回路有著十分顯著的負載敏感特性，同時處于負載變化狀態時，鉆桿回轉速度未出現太大波動，說明系統具備良好的剛性[3]。

2.2 液壓給進回路

如前所述，系統液壓給進回路主要具有恒壓變量特性，該回路給油主要采用變量泵，給進油缸主要受控于減壓閥，以此來完成加壓鉆進和減壓鉆進。為便于分析，同樣要構建相應的仿真模型。該模型的鉆桿數量擬定為400根，每根質量在32 kg左右。回路處在初始狀態時，其換向閥處于左端，即給進雙缸左腔進油，此時活塞桿保持固定，整個缸體開始向右端發生移動。通過對鉆桿給進時的負載變化，以及泵口流量、液壓缸實際位移和泵口壓力等的分析發現，給進時缸筒發生的位移變化趨于平穩，且泵口流量達到最大，壓力穩定，為2.68 MPa；在缸筒位移達到最大以后，泵口流量幾乎為零，而壓力可以提高到最大值。通過更深一步的分析看出，這一回路在給進時壓力能保持相對穩定，同時給進完畢，或者處于過載狀態時，流量可在短時間內恢復至保持內泄的狀態，這對能量損耗的控制十分有利[4]。

2.3 液壓系統性能測試

千米定向鉆機液壓系統測試需在專業檢測試驗臺上完成。按要求施加一定轉矩負載，在189～6 576 N·m范圍內，每運行1 min進行1次采樣，共完成20次采集。從系統壓力與轉速試驗輸出結果可知，泵壓實際輸出除了具有和施加的阻力矩基本一致的變化情況，還能穩定在27 MPa左右，即額定壓力；轉速實際輸出變化能達到相對平穩的狀態。因此，該系統負載敏感特性十分顯著[5]。

3 結論

(1)基于千米定向鉆機對超千米深孔進行穩定鉆進，以及良好適應工作負載不穩定變化的實際要求，通過對恒壓變量控制與負載敏感的合理應用來改造液壓系統的回轉、給進兩大回路，以此對二者進行分組控制。液壓回轉回路以負載敏感泵、液壓馬達與換向閥為主；液壓給進回路則以變量泵、雙作用油缸、減壓閥、浮動控制閥、補油回路、三位八通閥為主。

(2)在分析掌握液壓系統構成、特性與機理的前提下，采用仿真法進一步探究系統性能，不同回路有著不同的特性，對回轉回路而言，其特性為負載敏感，而給進回路則為恒壓變量。從仿真結果中可以看出，當負載持續變化時，液壓回轉回路具有十分顯著的特性，即負載敏感；而液壓給進回路可在給進時確保壓力處于恒定狀態，同時給進完畢，或者處于過載狀態時，流量可在短時間內恢復至保持內泄的狀態，這對能量損耗的控制十分有利。

(3)在專業檢測試驗臺上對液壓系統進行性能測試，結果表明被測系統剛性良好，且特性顯著。通過井下鉆探實踐，這種液壓系統完全可行、動作可靠，除了可以減少由于負載發生波動而對鉆機自身造成的沖擊，還能避免過剩壓力及過剩流量的產生，節能效果顯著。