負載敏感閥在小型履帶鉆機中的應用

盧 倩

（北京探礦工程研究所，北京 100086）

1 概述

國外新型鉆機的自動化、智能化已從理論變為現實并得到了較為廣泛的應用，創新地質巖芯鉆探方法，推動地質勘查領域正在發生的智能、綠色為特征的技術創新。帶動行業的進步，使鉆探技術行業的總體水平與國際基本同步[1-3]。現在進入了鉆機發展的智能化(自動化)階段。國外智能化鉆機研制起始于20世紀90年代中期，已研發了三代并在實際生產中應用。瑞典海格比(HAGBY)公司開發成功的ONRAM系列全自動巖芯鉆機(ComputerControlledDrill),該系列鉆機可以采集和記錄鉆進過程中的13種參數，根據這些參數對鉆進過程進行實時控制，實時顯示鉆速和其他鉆進參數為科學鉆探提供了保障,為各種新工藝及器具的進一步優化提供了科學依據[4-5]。鉆機具有近機操作和遠程控制兩套操作系統，任何一套操作系統都可以完全操作鉆機工作[6]。其中，動力頭輸出扭矩采用直接測量的方式，數據更加真實可信。在完成上述超級鉆參儀功能的同時也可以智能控制鉆進過程中的給進力（速度）、轉速、泵量三個重要參數。系統對三個參數的控制實現了閉環控制，在調節范圍內，用戶可以實現對三個參數的無級調節，系統根據用戶的設定值控制相應執行器的動作，使相應參數的輸出值可以高精度地匹配設定值[7-8]。給進系統控制中，系統具有恒壓給進和恒速給進兩種工作模式，兩種模式下的壓力和速度值都可以無級調節，十分利于鉆探相關實驗研究的開展[9-10]。

在環境地質調查中急需小型履帶式輕便鉆機。該鉆機采用了負載敏感閥動力頭式設計?？蛇b控可手動操作。

負載敏感閥的特點：

（1）執行元件的速度僅與比例換向閥開度有關,而與負載壓力無關,從而真正實現了無級調速。

（2）液壓系統效率高,節能效果好。在普通定量泵液壓系統中,如果工作中要求執行元件的運動速度減小一半,則將有一半功率轉換為系統的熱量損耗,這些熱量被液壓系統吸收或通過液壓油冷卻器散發。而在負載敏感控制系統中情況就不同了,液壓泵可根據執行元件工況自動進行調節來提供所需的流量,只有少量的能量損耗。

（3）負載敏感液壓系統中,單一的液壓泵可滿足多個回路的壓力—流量需求。而在普通的定量泵液壓系統中,為滿足同一系統中不同支路的工作要求,必須采用多聯泵、流量分配器、流量控制閥或壓力控制閥聯合控制等等,系統較復雜。

(4)負載敏感液壓泵和比例換向閥集成化程度高,系統外接油路簡單。

(5)操作控制方式多樣化,可以手動控制、電動控制、液壓控制。

2 鉆機設計

2.1 鉆機整體特點

當出現流量飽和時,不能滿足各執行元件流量的需要,較合理的解決方法是各執行元件都相應地減少供油量,對應各閥桿操縱行程按比例分配流量。這種系統稱為分流比負載敏感閥系統。

通常負載敏感閥系統的特點是各操縱閥由獨立的壓力補償器來設定的閥桿進口壓力和出口壓力之差是一定的。各閥桿的補償壓力可以設定為不相同，閥桿進出口壓差由彈簧力所決定。其主要問題是要起補償作用必須由流經操縱閥產生的壓降達到補償壓力，而在并聯油路中油優先流向低負荷執行器，當流量不足時,高負荷執行器得不到足夠流量，因此不能起補償作用。為了解決此問題,將壓力補償器進行改進,讓它起負荷均衡器作用,低負荷執行器通過壓力補償器的節流使它與高負荷執行器的負荷壓力相同，這樣各路負荷相等，就避免了油優先流向低負荷執行器問題。

（1）取樣鉆總重量不超過1000kg，攜帶方便，適用于高山、無電源、無風壓設備的地區和流動性較大的臨時性工程尤為適合。發動機給12V電瓶充電，給遠程控制信號接收器供電，所有電磁鐵均采用12V的，無需再額外充電。

（2）遠程控制部分主要由發射器也稱遙控器、天線和接收器組成。遙控器自帶兩塊6V電池和充電器，可以交替單獨使用，滿足24h不間斷使用。

2.2 鉆機液壓系統設計

鉆機采用18馬力汽油機泵站，全液壓系統。鉆機液壓系統應具有如下性能（圖1）：

圖1 液壓系統原理圖

（1）中位機能采用的是德國標準，與機械手冊不一致。左右行走的H型相當于機械手冊的Y型，P口不通，T口和A、B口相通。一般馬達采用這個中位機能，可以防止不工作時的沖擊。因為我們的特殊需求，加了平衡閥，壓力只要小于200bar，都可以穩定在這個壓力，不會溜車，可以停在斜坡上。左行走和右行走采用L中位機能，不加平衡閥。在現有5路基礎上再增加2路：夾持器H中位機能，絞車L中位機能。L相當于機械手冊的O型，中位機能P、T、A、B全不通，一般油缸采用這個中位機能，可以使機構停在任意位置；

（2）行走、起塔與其他動作隔開了，具有互鎖，防止誤操作；

（3）因為負載敏感閥對液壓油液清潔度的要求較高，所以在油箱與閥之間設置了液壓油的過濾器，避免閥芯受到液壓系統細小顆粒的影響，在閥芯往復運動時，產生研磨現象時，造成間隙過大，形成泄漏，出現工作壓力不穩定或逐漸下降的情況；

（4）鉆進遇到阻礙時，加裝先導調壓閥塊，可以手動緩慢泄壓；

（5）一定的抗腐蝕能力，主要是耐大氣和礦物的腐蝕；

（6）夾持器常閉，手柄自動復位：夾持器摩擦定位容易造成掉鉆事故，這也是為什么夾持器要設計常閉的原因，只有提鉆和擰卸鉆桿的過程中需要打開夾持器。為了防止誤操作和掉鉆事故夾持器設計成常閉式、自動復位的。而且常閉式夾持器采用摩擦定位，夾持器油路及液壓系統一直處于溢流狀態，整個系統都是最高壓力，系統發熱嚴重。

2.3 鉆桿鉆具設計

按照先成孔，后取芯的設計方案，鉆頭主要有錐形沖擊鉆頭和合金取芯鉆頭兩種。取芯鉆頭安裝在單管取芯鉆具上。單管取芯鉆具設計了普通單管和槽型單管兩種形式。

鉆桿要求耐磨性好，承受傳遞能量所需的高強度等。由于該鉆桿在疲勞載荷下使用，因此還應具有結構鋼的一般性能。在沖擊回轉鉆進過程中，鉆桿承受高峰值、高頻率的沖擊載荷作用，導致快速的疲勞破壞。此外，鉆桿還將受到扭轉、彎曲、拉伸、壓縮等多種復合應力的作用，并在回轉、碰撞的環境下經受巖石、巖粉等工作介質的磨蝕作用，鉆桿強度大，螺紋連接處有一橫置圓柱銷與鉆桿構成整體（圖2）。

圖2 鉆桿

2.4 遠程控制部分

遠程控制部分遙控器自帶兩塊鎳氫電池和充電器，可以實現24h不間斷供電。遙控器手柄間的距離要控制好，防止誤觸。遙控器上起塔進給手柄中心距是3cm，起塔與行走中心距是7cm（圖3）。

圖3 發射器面板布局圖

夾持器加上摩擦定位，不采用自動復位，不然鉆工太辛苦，理想的情況是夾持器能夠和給進提升和鉆進聯動，方案二是摩擦定位，沒有程序控制的情況下，實現聯動非常困難，本機采用摩擦定位。

接收器部分需要12～30VDC電源供電，采用發動機12V啟動電瓶。因為發動機只有啟動時需要電打火，正常工作后還可以反充給電瓶。如此可以保證接收器部分正常供電。為避免接收器部分持續工作耗電嚴重，在電瓶處設置開關。接收器安裝位置必須遠離熱源、變頻器、馬達及其他大功率設備，以避免接受信號受到干擾，適當的屏蔽措施可以改善或完全消除這種干擾對接收器的影響。且應做好減震處理。

有效控制距離：標配100m（空曠無障礙）。

3 現場試驗與改進

設備及電機在起動時，不建議立即推動遠程控制手柄，使負載敏感閥和泵馬上進入工作狀態。應讓負載敏感液壓系統處于低壓待機狀態下運行一段時間后，待液壓元件、液壓管路、油缸等存在的空氣排凈，油液循環正常，系統溫度合適后，再進入工作狀態和加載調試。

鉆機僅需一人遙控即可行走和進行鉆進工作。沖擊速度很快，半分鐘即可沖擊1m。工作效率高。小履帶底盤可以爬入廂式貨車中進行較遠距離的運輸，機動性強。沖擊完成后，用鋼絲繩套住沖擊接頭的臺階，另一頭套住沖擊頭上，油缸上行即可實現起拔，且起拔力較大，運行平穩，優于其他的結構形式（圖4）。所取樣品如圖5所示。

圖4 現場試驗

圖5 所取樣品

4 總結

本機克服現有技術中鉆機體積笨重且功能單一不能適應淺表地層的復雜地質環境。適用于較軟的松散地層，不適用于堅硬（含礫石）致密完整的巖石地層。可使用回轉動力頭替換沖擊頭實現回轉鉆進。

解放了部分的工人勞動，工人可遠離鉆機作業，安全舒適噪音小，可多視角觀察，減少了工人的勞動強度。

因為需要工人擰卸鉆桿和更換繩套提升，目前鉆進作業不能實現完全的無線遙控，需考慮結構創新，采用中空動力頭、機械手、液壓擰卸鉆桿等才能最終實現全無線遙控作業。

未來人類將有越來越多自己無法到達，但希望鉆機可以到達去取樣的地區，因此無人鉆機的研發需求將越來越大。隨著智能化自動化技術的發展，無人鉆機將逐漸成為可能，代替人類，作為先鋒，到達人類尚不能到達的地區實行鉆探作業。