露天礦開(kāi)采中新型鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300450）

智能鉆機(jī)用負(fù)載敏感系統(tǒng)既能滿(mǎn)足鉆機(jī)配套的各類(lèi)自動(dòng)化機(jī)具，也能解決自動(dòng)化機(jī)具長(zhǎng)時(shí)間使用小流量造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱的問(wèn)題。開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)研究在提高我國(guó)礦山開(kāi)采機(jī)械裝備的整體實(shí)力、開(kāi)展深層礦產(chǎn)資源勘探和參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等方面具有重要意義[1]。

全液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)在露天礦石開(kāi)采過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，目前，全液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)受負(fù)載波動(dòng)影響較大，導(dǎo)致液壓執(zhí)行元件運(yùn)行速度不平穩(wěn)，對(duì)鉆機(jī)工作性能產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，能源浪費(fèi)較大，同時(shí)，液壓系統(tǒng)內(nèi)燃料溫度過(guò)高，對(duì)液壓系統(tǒng)性能和液壓元件使用壽命都造成影響。目前鉆機(jī)配套的機(jī)具要求多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作。傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)對(duì)液壓執(zhí)行元件速度進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不了鉆機(jī)配套的多種執(zhí)行元件不同速度、不同工況要求。

負(fù)載敏感系統(tǒng)分為定流量和變流量負(fù)載敏感系統(tǒng)，其中定流量負(fù)載敏感系統(tǒng)僅屬于壓力適應(yīng)型，而變流量負(fù)載敏感系統(tǒng)屬于功率適應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)際上就是采用定壓差原理的多執(zhí)行器控制回路。本文主要分析定流量負(fù)載敏感系統(tǒng)和變流量負(fù)載敏感系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)和能耗狀況，說(shuō)明負(fù)載敏感系統(tǒng)在智能鉆機(jī)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 定流量負(fù)載敏感

如圖1，定流量負(fù)載敏感回路主要由定量泵、主定壓閥（控制壓力高壓端連進(jìn)口型）X0、每片定壓閥（控制壓力高壓端連進(jìn)口型）X1、X2、閉中心四通或者六通換向閥Y1、Y2、梭閥T1、T2等組成。

1.1 工作原理

定量泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力源，在液壓泵出口設(shè)置主定壓閥X0（設(shè)置在泵出口可以減少管道帶來(lái)的壓力損失），設(shè)定的彈簧預(yù)緊力為△pX0。負(fù)載型號(hào)壓力pLSi(i=1、2、...，下同)，如果該片換向閥處于中位，即負(fù)載端壓力為回油口T的壓力；如果換向閥在工作位，負(fù)載端壓力為閥驅(qū)動(dòng)口Ai或Bi的壓力。每片換向閥前都設(shè)置一個(gè)定壓閥Xi。閥Xi通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)口大小維持換向閥進(jìn)口壓力pCi比驅(qū)動(dòng)壓力高△pX，一般約為1.5～2MPa。因此，每片換向閥的工作流量由該閥的流量感應(yīng)口面積Ai與固定壓差△pX決定，不隨負(fù)載變化。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，相應(yīng)的pLSi=0，定壓閥Xi常開(kāi)，所以換向閥中位必須是關(guān)閉才不至于使泵提供的流量全部回油箱，使得其余換向閥得不到工作流量。每片換向閥的pLSi經(jīng)過(guò)梭閥Si，通過(guò)梭閥Si選擇最高的負(fù)載壓力信號(hào)為pLS，作用在主定壓閥X0，調(diào)節(jié)節(jié)流口大小，其余閥多余的流量，維持pP比pLS高△pX0?！鱬X0一般約為2.5～3MPa，必須高于△pX，以保證閥Xi有足夠的工作壓差。定量泵出口處的溢流閥Y0屬于常閉安全閥。

圖1 定流量負(fù)載敏感回路原理圖

1.2 能耗狀況

定流量負(fù)載敏感系統(tǒng)采用定量泵，流量不隨負(fù)載需要變化，因此這種回路僅屬于壓力適應(yīng)型，而不屬于功率適應(yīng)型。

1.2.1 各換向閥均處于中位（如下圖2所示）

圖2 各換向閥均處于中位時(shí)的能耗狀況

此時(shí)pLS為零，泵出口壓力pP等于△pX0。液壓系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)外做功，而是在發(fā)熱。

液壓泵輸出的流量固定，多余的流量全部經(jīng)過(guò)定壓閥X0回油箱。因此，定流量負(fù)載敏感系統(tǒng)與傳統(tǒng)的定量泵和簡(jiǎn)單阻尼控制回路能耗狀況相同，僅屬于壓力適應(yīng)型，而不屬于功率。不能滿(mǎn)足智能鉆機(jī)配套的多種小流量機(jī)具同時(shí)工作的工況要求。

2 變流量負(fù)載敏感

變流量負(fù)載敏感系統(tǒng)與上述的定流量負(fù)載敏感系統(tǒng)不同在于液壓源，目前一般都是采用恒壓變量泵。理論上來(lái)說(shuō)，也可以采用恒壓控制變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的定量泵來(lái)實(shí)現(xiàn)變流量。每片換向閥中位一般為關(guān)閉型。

2.1 工作原理

恒壓變量泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力源，變量機(jī)構(gòu)由pLS控制，通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵排量的大小，維持pP比pLS高一個(gè)預(yù)設(shè)的固定值——△pP，通常為2-4MPa。該恒壓變量泵使用在負(fù)載敏感系統(tǒng)中，故也稱(chēng)為負(fù)載敏感泵。由于使用了恒壓變量泵，就不需要在系統(tǒng)中設(shè)置主定壓閥，理論上也不需要設(shè)置其他的旁路通道，但實(shí)際上，如果沒(méi)有旁路通道的話，各閥均處于中位時(shí)，泵提供的流量為qP零，這對(duì)泵內(nèi)部摩擦副特別不利，因此實(shí)際回路中還是設(shè)置一條帶很小節(jié)流的旁路通道。為簡(jiǎn)化分析，以下忽略該旁路通道的影響，把工作通道的流量就看作變量泵提供的全部流量[2]。

2.2 能耗狀況

2.2.1 各換向閥均處于中位

此時(shí)pLS為零，泵出口壓力pP等于△pp。泵只需要輸出極少流量，彌補(bǔ)各閥在中位的泄露，就可以維持各閥泄露需要的壓力。所以當(dāng)變流量負(fù)載敏感系統(tǒng)無(wú)負(fù)載的工況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處于節(jié)能狀態(tài)，功率消耗很低。

2.2.4 在負(fù)載壓力極高時(shí)（如下圖3所示）

圖3 僅設(shè)置安全閥Y0的能耗狀況

如果某個(gè)負(fù)載極高。則相應(yīng)的定壓閥X開(kāi)口最大，pC、pLS和pP隨之無(wú)限制升高。如果系統(tǒng)沒(méi)有安全閥，系統(tǒng)壓力會(huì)無(wú)限制增大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。所以通常在系統(tǒng)中設(shè)置安全閥Y0、X0。如圖3，若系統(tǒng)中僅設(shè)置安全閥Y0，當(dāng)pP達(dá)到Y(jié)0的設(shè)定壓力pS0時(shí)，Y0開(kāi)啟，pP就不會(huì)持續(xù)升高。但由于pLS未受到限制依然會(huì)升高，泵變量機(jī)構(gòu)為使pP比pLS高△pP，就會(huì)使泵的排量開(kāi)到最大。此時(shí)即使換向閥開(kāi)口很大，工作流量還是很低。其余的流量均通過(guò)Y0回到油箱，造成功率損失。

如圖4，如果在系統(tǒng)中設(shè)置X0，根據(jù)X0的設(shè)置壓力pS1應(yīng)低于pS0-△pD，則pLS在達(dá)到安全閥X0的設(shè)定壓力pS1后，系統(tǒng)壓力就不會(huì)再升高。此時(shí)變量泵變量機(jī)構(gòu)維持出口壓力pP在pS1+△pX0＜pS0。正常情況下就無(wú)流量通過(guò)安全閥Y0回到油箱。由于變量泵不排除多余的流量，就不會(huì)有很大的功率損失。

圖4 設(shè)置安全閥X0后系統(tǒng)的能耗狀況

3 結(jié)論

綜上分析，傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)因功率浪費(fèi)嚴(yán)重，且造成液壓系統(tǒng)本身發(fā)熱等問(wèn)題，已不能滿(mǎn)足礦山開(kāi)采用鉆機(jī)多執(zhí)行元件不同速度同時(shí)工作的工況要求。

露天礦開(kāi)采用新型鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)采用變量泵與負(fù)載敏感閥配合使用，通過(guò)LS口實(shí)時(shí)傳遞負(fù)載功率，通過(guò)負(fù)載流量和壓力控制變量泵的排量和壓力的方式，完全符合智能鉆機(jī)多機(jī)具、不同速度、不同壓力的工況要求。該系統(tǒng)已在鉆機(jī)配套的液壓站上得到了應(yīng)用，解決裝備電功率緊缺的問(wèn)題。