水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)分析

陳波

摘要：隨著我國(guó)近年來國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，我國(guó)城市化的管道整體工程建設(shè)推進(jìn)速度也在不斷穩(wěn)步加快，水平定向鉆機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為目前我國(guó)地下管道在城市建設(shè)中的主要設(shè)備。水平定向鉆機(jī)要求輸出功率大，起動(dòng)制動(dòng)快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此，液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外整機(jī)的傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外整機(jī)的傳動(dòng)與控制中。因此，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到整機(jī)的性能。

關(guān)鍵詞：水平定向鉆機(jī);液壓系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：TH137.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0134-02

0? 引言

近年來隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源已經(jīng)成為所有國(guó)家都需要面對(duì)的問題，并且會(huì)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生一定的影響。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)直接負(fù)責(zé)整個(gè)鉆機(jī)的控制和傳動(dòng)系統(tǒng)，直接影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了液壓系統(tǒng)的能源效率和可操作性，是針對(duì)每一個(gè)液壓設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的。

1? 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

關(guān)鍵技術(shù)主要包括：動(dòng)力頭浮動(dòng)、反饋拖動(dòng)速度調(diào)整、后夾緊氣缸和脫開氣缸動(dòng)作順序、起落架鎖定。定向鉆機(jī)的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)通常由低速高扭矩液壓馬達(dá)完成。針對(duì)地層負(fù)荷變化大、工況惡劣的情況，采用自由浮動(dòng)保護(hù)措施保護(hù)電機(jī)，液壓采用采用H型中位機(jī)能的換向閥。反饋驅(qū)動(dòng)速度控制通常采用高速和低速電機(jī)配合速度控制閥進(jìn)行微調(diào)。順序閥按夾緊氣缸和卸扣氣缸的順序使用，確保卸扣鉗不失壓，卸扣板可輕松托住鉆蓋。調(diào)節(jié)架保持壓力較長(zhǎng)時(shí)間，需要液壓鎖緊。

2? 水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理

首先，根據(jù)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鉆機(jī)工作周期長(zhǎng)，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱量，考慮到液壓泵的數(shù)量，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和部件的數(shù)量，綜合考慮了系統(tǒng)的可靠性。整機(jī)液壓系統(tǒng)采用開式回路。其次，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了分析，其基本功能主要包括對(duì)活動(dòng)鉆頭施加一定的軸向移動(dòng)壓力，隨著探針鉆得更深，不斷加壓進(jìn)給移動(dòng)鉆具，實(shí)現(xiàn)軸向加壓和壓力減壓連續(xù)鉆進(jìn)，還可廣泛用于控制懸掛移動(dòng)鉆具，提升懸掛鉆具，實(shí)現(xiàn)更加快速鉆具換向。非開挖水平定向鉆井鉆機(jī)常見的動(dòng)力進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般是一個(gè)液壓缸，由一個(gè)液壓缸齒輪驅(qū)動(dòng)，通過鏈?zhǔn)交嗘溁螂妱?dòng)滑輪鏈和鋼絲繩將力快速傳遞或進(jìn)給具有動(dòng)力的鉆頭。在正常工作時(shí)，動(dòng)力噴油頭的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度和工作行程參數(shù)是普通液壓缸體相應(yīng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的兩倍，故又稱雙速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在單控、雙泵多壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用壓力控制閥和溢流閥直接控制調(diào)壓系統(tǒng)的兩個(gè)進(jìn)給的壓力，將控制定壓閥和減壓溢流閥進(jìn)行串聯(lián)后并連接在單泵執(zhí)行器的兩個(gè)進(jìn)油調(diào)壓管路上，進(jìn)給的壓力由控制減壓溢流閥控制出口并對(duì)壓力進(jìn)行控制，圖1即為液壓系統(tǒng)原理圖。

3? 液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 分析鉆桿旋轉(zhuǎn)在閉式油路中的設(shè)計(jì)

鉆桿旋轉(zhuǎn)的回路直接在驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，功率也比較大。它在整機(jī)當(dāng)中處于了關(guān)鍵的位置，其中液壓系統(tǒng)也直接關(guān)系到了整機(jī)的運(yùn)行。該子系統(tǒng)當(dāng)中一旦出現(xiàn)其問題，整個(gè)的鉆機(jī)就會(huì)無法進(jìn)行工作，因此在回路設(shè)計(jì)當(dāng)中的安全性與可靠性非常的重要。從節(jié)能的角度來看，在鉆桿回轉(zhuǎn)回路的設(shè)計(jì)中采用了閉式回路設(shè)計(jì)。由于在閉式回路中的存在，高壓油也沒有直接和油箱進(jìn)行相連，這樣導(dǎo)致其中的系統(tǒng)容易產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)的振動(dòng)，也導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)了暫態(tài)高壓，對(duì)于整機(jī)的性能產(chǎn)生了致命的影響，也有可能損壞了部分的部件。所以在設(shè)計(jì)的過程之中應(yīng)該注意對(duì)于電路進(jìn)行過載的保護(hù)，這樣也能防止系統(tǒng)中出現(xiàn)這種故障的現(xiàn)象。

3.2 動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①三個(gè)變量活塞泵17的動(dòng)力頭推挽油路為八個(gè)變量活塞馬達(dá)15的動(dòng)力頭推挽油路提供壓力油，形成一個(gè)閉式回路。八個(gè)可變動(dòng)力活塞馬達(dá)均勻方向分布排列成兩排，形成一條平行制動(dòng)油路，為可變動(dòng)力系統(tǒng)頭部的推拉方向提供一定動(dòng)力，油路通過一個(gè)安全閥門來控制制動(dòng)壓力。②動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)油路中的3個(gè)變量活塞泵18為動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)油路中的4個(gè)變量活塞電機(jī)16提供壓力油，形成一個(gè)閉式回路。四個(gè)可變活塞電機(jī)并聯(lián)連接，為旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，油流通過安全閥控制壓力。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低且被其他電機(jī)拖動(dòng)時(shí)，動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)根據(jù)泵的工況變化。此時(shí)如果不及時(shí)進(jìn)行加油，電機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)器的齒輪不能進(jìn)入額定負(fù)載時(shí)，會(huì)容易出現(xiàn)電機(jī)啃齒、啃軌道等現(xiàn)象。為了充分保證自動(dòng)旋轉(zhuǎn)加油電機(jī)和自動(dòng)推拉旋轉(zhuǎn)電機(jī)的傳動(dòng)同步高速運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)為每臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別設(shè)置了一個(gè)加油傳動(dòng)裝置，加油傳動(dòng)裝置由電機(jī)輔助傳動(dòng)油路系統(tǒng)中的動(dòng)力齒輪泵自動(dòng)供給，單向閥自動(dòng)控制。

3.3 分析油路的循環(huán)方式中的選擇

根據(jù)液壓在油回路時(shí)的循環(huán)方式，液壓系統(tǒng)可以分為了閉式系統(tǒng)與開式系統(tǒng)，兩臺(tái)的電機(jī)必須要同步進(jìn)行運(yùn)行，這樣難以獲得多速。所以如果子系統(tǒng)采用了開路，在大負(fù)載變化中的情況之下難以避免過度的溢流損耗。雖然閉式的回路需要更高的設(shè)備要求與更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是通過對(duì)變排量泵與定量馬達(dá)的閉環(huán)可以有效提高了整機(jī)的效率。水平定向的鉆機(jī)在液壓系統(tǒng)中的組成如圖2所示，其中鉆桿旋轉(zhuǎn)的子系統(tǒng)中采用了閉式的回路，另一個(gè)子系統(tǒng)當(dāng)中采用了開式的回路。

4? 鉆桿旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的仿真分析

在封閉系統(tǒng)中，液壓泵的進(jìn)口管與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回流管直接相連。工作液在系統(tǒng)管道中以閉環(huán)方式循環(huán)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)外界載荷的變化非常敏感，對(duì)系統(tǒng)的影響很大，容易導(dǎo)致系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)。

為了充分利用原動(dòng)機(jī)的功率，閉環(huán)電路采用恒泵變電機(jī)電路。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性可以滿足鉆井過程中提供大扭矩的要求。然而，在系統(tǒng)工作過程中，特別是在工作初期，由于管道泄漏、油壓壓縮、執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性等因素，系統(tǒng)的暫態(tài)性能難以預(yù)測(cè)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)回路壓力上升，影響液壓系統(tǒng)正常工作和使用壽命。因此，我們應(yīng)該使用功率焊接圖對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后根據(jù)焊接圖與Simulink框圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系在Simulink中繪制系統(tǒng)框圖。最后在Simulink中進(jìn)行了仿真，得到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

5? 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前，整個(gè)液壓機(jī)械領(lǐng)域沒有新的突破。節(jié)能液壓技術(shù)設(shè)計(jì)也是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。隨著石油能源的枯竭和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，大部分鉆機(jī)動(dòng)力大，效率低，造成大量浪費(fèi)。油溫升高會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作性能，并造成環(huán)境污染。因此，液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)被提升到一個(gè)相當(dāng)高的高度。節(jié)能技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究課題，并取得了豐富的成果。液壓節(jié)能技術(shù)在高耗能工程機(jī)械挖掘機(jī)和裝載機(jī)上取得了十分顯著的節(jié)能效果，而且在鉆機(jī)設(shè)計(jì)中也得到了應(yīng)有的重視和應(yīng)用。負(fù)載傳感與壓力補(bǔ)償技術(shù)是在液壓挖掘機(jī)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。負(fù)載感應(yīng)可以按需供給挖掘機(jī)的流量，而不會(huì)產(chǎn)生過多的流量;壓力補(bǔ)償可以按需分配挖掘機(jī)的流量當(dāng)挖掘機(jī)組合工作時(shí)，它可以使一個(gè)泵提供的液壓油在不受外部負(fù)載影響的情況下同時(shí)高效地操作多個(gè)執(zhí)行器變化。載荷傳感和壓力補(bǔ)償技術(shù)與電控技術(shù)的結(jié)合，使鉆機(jī)在降低能量損失和提高機(jī)動(dòng)性方面更加有效。同樣，我們可以利用這一原理將新型液壓系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到水平定向鉆機(jī)中，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的最佳流量匹配和良好的可操作性，優(yōu)化液壓系統(tǒng)的性能，減少能量損失，促進(jìn)水平定向鉆機(jī)的發(fā)展。

6? 總結(jié)

總體來說，我國(guó)水平定向鉆機(jī)在國(guó)際的市場(chǎng)之上的發(fā)展前景較為廣闊。在水平定向鉆機(jī)中的液壓系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)其各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與控制的關(guān)鍵系統(tǒng)。水平定向鉆要求機(jī)械輸出動(dòng)力功率大，啟動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此整機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)和動(dòng)力控制通常需要采用水平液壓傳動(dòng)技術(shù)。水平定向鉆機(jī)由于工作載荷大、工作環(huán)境條件復(fù)雜，對(duì)其中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求比小型定向鉆機(jī)高。

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