全液壓牙輪鉆機新型液壓控制回路的設計探討

（洛陽中重自動化工程有限責任公司，河南洛陽 471039）

0.引言

隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，采礦業(yè)得到了大的發(fā)展，露天礦場使用的穿孔設備牙輪鉆機也在向大型化、自動化、高效化方向發(fā)展。國產(chǎn)的全液壓牙輪鉆機能耗大、效率低、負載適應性差，與國外同類先進的牙輪鉆機比較，技術性能低下，已經(jīng)不能滿足我國露天礦場開采的需要，也不符合牙輪鉆機高效化、自動化、智能化的發(fā)展要求。要提高國產(chǎn)全液壓鉆機的技術水平，就需要設計先進的牙輪鉆機液壓控制系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的驅(qū)動特性與鉆孔負載特性，增強鉆機的負載適應能力，降低能耗，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的鉆孔，減小設備故障率。

1.行走和回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓原理設計

牙輪鉆機工作環(huán)境惡劣，其行走采用履帶式，履帶的驅(qū)動是用輪邊馬達驅(qū)動，兩條行走履帶各自采用一臺定量馬達驅(qū)動，需要實現(xiàn)牙輪鉆機前進、后退、轉(zhuǎn)彎等一系列功能。每條履帶獨立驅(qū)動，且能夠?qū)崿F(xiàn)原地回轉(zhuǎn)，并可以在苛刻條件的工作面上把鉆機停放到需要的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)微動調(diào)節(jié)，要求動作靈敏度高。鉆機的鉆頭回轉(zhuǎn)驅(qū)動使用兩臺定量馬達驅(qū)動，需要實現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)恒扭矩，實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。

由于開式液阻調(diào)速回路雖然簡單，但是液壓系統(tǒng)的油箱容積選用大，空間占用大；功率利用率低，增加系統(tǒng)的換熱功率。為此，新型的液壓驅(qū)動采用閉式容積調(diào)速回路來實現(xiàn)，其驅(qū)動液壓原理如圖1所示。

圖1 牙輪鉆機行走和回轉(zhuǎn)驅(qū)動液壓原理圖

鉆機的履帶行走使用兩臺電比例變量油泵帶補油泵2和兩臺帶輪邊減速器的定量馬達10組成兩套獨立的閉式回路，兩套閉式回路的換熱溢流閥9共用。鉆進行走時，通過電氣控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)油泵的上的比例電磁閥控制鉆機的行走速度、同步控制等控制，閉式回路設有安全閥用來保護系統(tǒng)安全。由于鉆機行走過程，鉆頭不工作；鉆頭回轉(zhuǎn)工作時，鉆機不行走?；诖斯ぷ魈攸c，充分利用泵的能力，設計時考慮把行走的驅(qū)動用的回路轉(zhuǎn)接到回轉(zhuǎn)驅(qū)動上，在回路的換熱閥7后與馬達進回有口增加液控換向閥4進行切換。為了滿足回轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速需要，把行走兩臺泵并聯(lián)使用，通過切換后形成雙變量泵―雙定量馬達的容積調(diào)速回路。液壓回路的切換閥采用液控插裝式，該組合換向閥能保證各回路工作過程中沒有泄漏，減小功率損失[1]。

2.鉆桿加壓及輔助液壓回路設計分析

2.1 原理設計

牙輪鉆機的加壓系統(tǒng)結構形式有鏈條加壓、齒輪―齒條加壓、油缸加壓、油缸―鋼絲繩組合加壓等。根據(jù)機械結構設計了采用由馬達驅(qū)動鏈條加壓的方式，對鉆頭進行加載和進給速度調(diào)節(jié)以及完成提鉆功能。由于礦場巖層的強度變化等因素影響，加壓系統(tǒng)應具備負載適應調(diào)節(jié)功能，防止加壓鏈條出現(xiàn)過載或是卡鉆的情況發(fā)生?；谇懊娴挠绊懸蛩?，本系統(tǒng)采用負載感應系統(tǒng)來實現(xiàn)加壓馬達的驅(qū)動和其他輔助油缸動作[2]。

負載感應系統(tǒng)分為兩類，一類是開芯式負載感應系統(tǒng)，另一類是閉芯式負載感應系統(tǒng)（CLSS― Closed center Load Sensing System）。開芯式負載感應系統(tǒng)原理如圖2所示，其采用定量泵1供油，通過梭閥6感應負載壓力到定差溢流閥4，在系統(tǒng)壓力沒有達到系統(tǒng)溢流閥3最高設定壓力情況下始終比最高負載壓力高出。

圖2 開芯式負載感應系統(tǒng)

閉芯式負載感應系統(tǒng)原理如圖3所示，其采用負載感應變量泵1供油，通過梭閥5感應負載壓力到變量泵的負載口，在系統(tǒng)壓力沒有達到系統(tǒng)溢流閥3最高設定壓力情況下始終比最高負載壓力高出?P，即泵的壓力補償?shù)膲翰睢?/p>

圖3 閉芯式負載感應系統(tǒng)

因此，新型的鉆桿加壓及輔助液壓回路設計采用閉芯式負載感應系統(tǒng)控制牙輪鉆機的給進和加壓，以及控制鉆機的輔助油缸，該系統(tǒng)能實現(xiàn)多執(zhí)行器工作的有效流量分配。由于牙輪鉆機鉆進工作過程中，其他輔助油缸的動作很少，只要流量能夠滿足給進的速度和加壓的自適應，就可以滿足系統(tǒng)的工作的需要。為了保證各執(zhí)行機構獨立運動而不受負載的影響，在每個換向閥前設有前置壓力補償器，各油缸及馬達的運動采用電比例換向閥進行速度調(diào)節(jié)[3]。

2.2 節(jié)能分析

開芯式負載感應系統(tǒng)待機情況下的功率損失為Pw=?P·Qmax，在有負載工作的情況下功率損失為閉芯式負載感應系統(tǒng)待機情況下的功率損失為Pw=?P·Qmin，在有負載工作的情況下功率損失為兩種系統(tǒng)的功率分配示意如圖4、圖5所示。

圖4 開芯式負載感應系統(tǒng)在待機、工作情況下的功率分布圖

圖5 閉芯式負載感應系統(tǒng)在待機，工作情況下的功率分布圖

3.負載感應系統(tǒng)液壓控制回路

3.1 千斤頂油缸控制

鉆機由4個千斤頂作為頂升機構，在鉆機鉆進前，需要先把鉆機本體提升離地面，同時對鉆機鉆進平面進行調(diào)平，保證鉆進平面的水平度。油缸的速度調(diào)整通過調(diào)整電液比例多路閥的開口來實現(xiàn)，在油缸的進油口設有平衡閥，防止自重下滑，保證千斤頂油缸的定位。

3.2 鏈條加壓馬達控制回路

鉆機采用鏈條加壓方式鉆進，鏈條采用兩臺低速大扭矩馬達驅(qū)動，馬達帶有制動器，在不需要工作時制動，防止回轉(zhuǎn)動力裝置自重下落?？刂崎y采用電液比例多路閥控制馬達給定速度的快慢，力量反饋通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換得到，控制加壓的速度，與回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)扭矩匹配實現(xiàn)鉆進工作的自適應鉆進[4]。回路中設有平衡閥及梭閥保證加壓的平穩(wěn)性，同時控制馬達制動器的開閉。為了避免鉆進的過程中壓力的沖擊造成鏈條的受損，在馬達的加壓側(cè)設有蓄能器。

3.3 起架油缸控制回路

起架油缸用以升降鉆架，由于鉆架升降是旋轉(zhuǎn)動作，在油缸的進出油口設置有平衡閥，提高鉆架運行的平穩(wěn)性和安全性。速度調(diào)節(jié)采用電液比例多路閥控制，可以精確的控制鉆架的停止位置，實現(xiàn)斜孔鉆進。

3.4 卷揚絞車控制回路

卷揚絞車由馬達驅(qū)動，馬達的控制回路，在絞車下放繩側(cè)設有平衡閥，重物下放過程中，防止出現(xiàn)自由下落及馬達超速等事故發(fā)生，速度由電液比例閥進行控制，制動通過裝在回路中的梭閥通過主閥進行控制。

3.5 電纜卷筒馬達控制回路

牙輪鉆機采用電驅(qū)動，其供電電纜纏繞與鉆機尾部的電纜卷筒上，鉆機在行走的時候，電纜卷筒需要隨鉆機的行走進行收放電纜，且電纜為6kV(或10kV)高壓，為了保證電纜不會被拉斷和履帶碾壓造成事故，電纜卷筒由馬達直接驅(qū)動，液壓控制回路上設有平衡閥和安全閥，馬達收放電纜的速度通過電液比例多路閥調(diào)節(jié)跟隨鉆機行走速度。

3.6 卡夾機構控制回路

卡夾機構主要由卡盤和夾持器組成。鉆機在正常鉆進、倒鉆桿、升降鉆具和擰卸鉆桿螺紋時，均需要卡盤和夾持器來完成。該機構由卡口油缸、液壓大鉗油缸控制其動作，液壓控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)機構的快速開合，保證夾持力。鉆桿倒換通過鉆桿倉油缸控制回路實現(xiàn)鉆桿的移動。

3.7 穩(wěn)桿機構控制回路

牙輪鉆機在鉆架的中部設有穩(wěn)桿機構，穩(wěn)桿機構由油缸控制，在鉆進時穩(wěn)桿機構能夠抱住鉆桿，減小鉆桿由于鉆機力而產(chǎn)生的撓曲，提高鉆孔效率，不鉆進或倒鉆桿時，能夠打開穩(wěn)桿機構?？刂苹芈凡捎帽壤嗦烽y控制，可以任意調(diào)整位置，并在回路上設有平衡閥。

3.8 輔助控制回路

插銷油缸液壓控制回路、背拉桿張緊缸控制回路、鏈條張緊缸控制回路為開關閥控制，控制油缸的兩個位置；孔口罩油缸控制回路采用比例方向閥控制，速度可調(diào)。

4.結語

該液壓系統(tǒng)設計能夠很好滿足牙輪鉆機的工作要求，鉆機的行走和頂驅(qū)回轉(zhuǎn)驅(qū)動采用閉式容積控制回路，能夠充分利用變量泵的功率和調(diào)節(jié)負載特性；加壓及輔助控制系統(tǒng)采用閉芯式負載感應系統(tǒng)能有效的提高系統(tǒng)工作效率，節(jié)能效果明顯，各執(zhí)行器互不干擾，達到高精度控制要求，容易實現(xiàn)自動化、智能化控制。