履帶鉆機負載敏感液壓系統的研究

摘 要：目前，國內采用的鉆機大都是閥控式的液壓控制系統，因為該系統嚴重損失能量，隨著新技術的發展履帶式鉆機開始逐漸取代原系統，新系統履帶式敏感負載鉆機所具有的優勢明顯，具體包括：運行平穩、結構嚴謹、操作方便等優點。本論文根據履帶式鉆機敏感負載液壓控制系統的基本原理，以系統動態的特征為重點，與履帶式抽采瓦斯鉆機液壓控制系統相結合，從數字式仿真及理論型建模兩方面進行研究，并且對系統的動態特征開展仿真式研究，為設計敏感負載液壓控制系統提供依據，為應用數字式仿真對敏感液壓控制系統動態的特征進行深入研究打下基礎。

關鍵詞：履帶式鉆機;敏感負載液壓閥;模型

由于全液壓式鉆機具備平穩傳動、操作方便、結構嚴謹、易于實現無級化變速等諸多優點，被廣泛用于地質勘測、工程建設、抽采瓦斯等施工領域。

1 履帶式鉆機的液壓控制系統研究

1.1 關于幾種鉆機液壓控制系統的分析

鉆機全液壓系統的構成主要包括給進液壓及回轉液兩部分系統構成，隨著液壓的元件制造工藝及設計能力的不斷提高，開發了一批具備節能功能的變量泵及閥等鉆機液壓用元件。液壓式鉆機系統當中的變量泵取代定量泵，對降低鉆機能量的損耗起到了一定作用。如今我國鉆機大部分使用的是手動式變量泵，需要手動對泵排量進行調節用以達到鉆探要求。但由于操作繁瑣，效率沒有得到有效提高，依然出現較大的損耗能量，油溫也會很快升高[1]。

1.1.1 閥控式液壓的傳動控制系統

閥控式液壓的傳動控制系統指的是壓力閥對系統的壓力控制，靠方向閥對液流的方向加以控制，靠流量閥對流量加以控制，實現可調速的控制傳動系統。然而，并非所有液壓控制系統均具備以上控制的功能。閥控式液壓控制系統是古老又普遍的控制液壓系統，在閥控式液壓控制系統工作運行時，損耗功率較大，能耗也較高，系統溫度升高，系統運行的成本有所增加。

1.1.2 泵排量的自動控制系統

泵排量的控制自動系統被統稱為泵控式系統，是指在系統滿足設定的壓力時，溢流的高壓油不通過溢流閥，是通過降低泵流量的輸出方式保護系統安全，因為該液壓系統需要進行液流換向，因此安裝雙向式變量泵。如果需要系統減速或是加速時，可通過減少或是增加泵的輸出流量實現，因此，系統不再安裝節流閥，同時系統所受的阻力的損失也有所降低[2]。

1.1.3 泵轉速的控制自動系統

泵轉速電液控制自動系統回路為定量泵調速變頻液壓系統，泵轉速液壓控制系統也叫調速泵變頻系統，通過對泵轉速的改變完成對泵流量的輸出控制，從而實現對系統流量的調節，最終實現系統的節能。使用伺服式馬達及變頻式電機對液壓泵的轉速進行控制的節能效果明顯，具有低噪音、便于實現、結構簡單等優點，應用范圍廣闊。

1.2 鉆探技術對液壓式鉆機系統的相關要求

鉆機動力的傳動控制系統作為鉆機液壓的傳動控制系統，即要符合液壓的一般傳動要求，又要符合一些鉆探技術的特別要求：

①執行型機構運動的速度、輸出的轉矩及作用力可同鉆探技術改變加以無級性調節，而且調節的范圍比較廣泛;

②對機構運動的方向加以改變時，不用對動力機運動的方向加以改變，換向的迅速方便、準確、無沖擊;

③系統可實現單機構多功能需求;

④鉆機執行型各機構準確運動、液壓控制系統無流量及壓力干涉;

⑤液壓控制系統具有準確控制、簡單操作的特點;

⑥具有明顯抗污染的性能;

⑦液壓控制系統具有體積小、構造簡單、維護便利、液壓系統元件通用化及標準化的程度較高[3]。

2 履帶式鉆機液壓系統

某煤炭研究機構組織研發了ZDY6000L全液壓履帶式鉆機，該鉆機結構整體緊湊，使用敏感負載控制液壓系統，具備搬遷方便、迅速、勞動的強度低、鉆探鉆機的適應工藝性較強、具有節能及鉆進高效率等優點。

該系統采用具有先進性能的敏感負載泵及變量恒壓組成了動力性裝置，充分利用遠程技術和液控式換向閥，合理運用各種閥之間相互連接的關系建立聯動性動作，以完成各種鉆進作務。與此同時，還采用了敏感負載泵及具有反饋性能的多路負載換向閥。其中減壓閥前兩聯可對行走的馬達加以控制、保證鉆機直線式行走、掉頭、拐彎等項功能，第三聯控制的是動力頭液壓馬達，而第四聯用于對給進液壓油缸移動加以控制。此外，系統采用變量恒壓副油泵，能夠滿足多路換向閥，實現對油缸穩固支撐的調節。而且可以為給進油缸提供油料[4]。

將液控節流閥與給進液壓油缸兩端相并聯，能夠實現對油缸浮動。將液控式通斷閥同功能性轉換閥相串聯，能夠實現卡盤回油[5]。

3 敏感負載系統液壓的建模和仿真

伴隨科技的不斷進步，尤其計算機的不斷發展，使用計算機實現模擬工作系統特性已經實現。使用計算機實驗設備的各種工作情況，確立最佳匹配參數，這也就是仿真。設備仿真是在應用專業知識、設備系統知識、信息的技術等基礎上，通過計算機以及相關設備，利用設備系統的模型進行研究實驗的技術。

3.1 系統液壓模型與仿真

針對建立敏感負載閥模型的仿真，敏感負載閥有三個壓力接口，1號接口是壓力入口，2號接口是調節斜盤油缸壓力，3號接口是執行負載的壓力。進行系統仿真后得出敏感負載閥壓力、流量變化曲線如下圖[6]。

仿真分析：通過上圖3、4可知：

①在仿真10秒過程中，前段2秒時間敏感負載閥的兩端壓力是0，這時5號口是負開口6號口是正開口，此時的閥芯處于左端，液壓油P經7口與6口回到油箱，這時5口將關閉。此段是模擬停機狀態變量泵的排量最大;

②2秒至6.2秒執行負載和泵口之間的壓力差為20帕，這時敏感負載閥芯的左側所受壓力大于右側壓力和彈簧壓力和，這時敏感負載閥芯將右移，4號口與5號口相同，6號口與7號口將斷開，油壓將由5號口與4號口流向調節斜盤油缸。此時模擬為中負載情況的變化壓力，高壓油經敏感負載閥流向調角斜盤油缸，角度斜盤發生改變，減小了排量從而降低了壓力;

③6.2秒至10秒，因為右側負載的壓力所作用閥芯的壓力大于左側對閥芯的壓力，閥芯將會左移，調角斜盤油缸里的液壓油將會回到油箱。此時模擬是負載加大，調角斜盤油缸里的液壓油將回到油箱，調角斜盤進行改變，變量泵的排量增大，從而加大了系統的壓力[7]。

3.2 仿真系統結果的分析

通過上述敏感負載系統的動態分析得出：

①煤礦鉆井機在輔助運行時，設備將空載進行工作，這時泵進行小排量低壓運行，從而減少了損失流量以及壓力;

②系統負載和壓力的變化成正比，并且，壓力要大于負載一定值，只有這樣才能保證鉆機鉆進;

③敏感負載系統能夠提供的流量為恒定，因此，它不會因為負載發生變化而變化，這樣可延長液壓馬達的使用壽命與鉆頭壽命;

④當回轉負載過高時，敏感負載系統液壓將保持小排量高壓運行，進而減小系統的損失溢流;

⑤系統流量大小可通過調節比例的方法，輕松調節鉆具的工作轉速，從而滿足各種施工工藝的要求，進而提高煤炭鉆機的操作性能[8]。

將敏感負載技術控制應用于煤炭鉆機的系統液壓中，減輕了系統液壓中損失的能量，這不僅起到節能的作用，而且也穩定了運行時的馬達，減輕了因為負載發生突變對鉆頭與馬達的沖擊力，從而提高了煤炭鉆機的使用壽命。

4 結束語

本文根據國內外大量敏感負載液壓資料研究，通過系統液壓原理、內容分析、方法研究等各方面，梳理出我國敏感負載系統液壓當前的應用與研究現狀，另外，使用分析方法建立了敏感負載系統液壓模型，并對模型進行了仿真分析研究，從而為煤礦設備的研究開發提供有力依據。

參考文獻：

[1]宋海濤.履帶鉆機負載敏感液壓系統的研究[D].武漢：中國地質大學，2008.

[2]姚克.ZDY系列全液壓履帶鉆機的研制及應用研究[J].中國煤炭，2012，38（01）：68-71.

[3]王敬國，彭濤，龐國強，宋海濤，賀康.履帶式坑道鉆機負載敏感泵故障分析與處理措施[J].煤炭工程，2012（06）： 110-111+114.

[4]姚克，張幼振，郭涌.全液壓履帶鉆機在本煤層瓦斯抽采鉆孔施工中的應用[J].煤礦安全，2010，41（06）：54-56.

[5]殷新勝，田宏亮，姚克，孫保山，鄔迪，凡東.ZDY6000L型履帶式全液壓坑道鉆機的研制[J].金屬礦山，2007 （12）：94-96+100.

[6]陳威.坑道鉆機變頻調速液壓系統研究[D].大連：大連理工大學，2014.

[7]田宏亮.瓦斯抽采履帶式坑道鉆機的研制與應用[J].煤田地質與勘探，2008（05）：77-80.

[8]李晴.鉆機負載敏感回轉液壓系統動態仿真分析[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2011，29（03）：63-65.

作者簡介：

甘松柏（1980- ），男，湖北省石首市人，本科，2009年1月畢業中國礦業大學，機械電子工程專業，機電工程師，從事瓦斯泵、6kV配電室維修，煤礦坑道履帶鉆機液壓系統維護。