（洛陽(yáng)中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司，河南洛陽(yáng) 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(chǎng)使用的穿孔設(shè)備牙輪鉆機(jī)也在向大型化、自動(dòng)化、高效化方向發(fā)展。國(guó)產(chǎn)的全液壓牙輪鉆機(jī)能耗大、效率低、負(fù)載適應(yīng)性差，與國(guó)外同類先進(jìn)的牙輪鉆機(jī)比較，技術(shù)性能低下，已經(jīng)不能滿足我國(guó)露天礦場(chǎng)開(kāi)采的需要，也不符合牙輪鉆機(jī)高效化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展要求。要提高國(guó)產(chǎn)全液壓鉆機(jī)的技術(shù)水平，就需要設(shè)計(jì)先進(jìn)的牙輪鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性與鉆孔負(fù)載特性，增強(qiáng)鉆機(jī)的負(fù)載適應(yīng)能力，降低能耗，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的鉆孔，減小設(shè)備故障率。

1.行走和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓原理設(shè)計(jì)

牙輪鉆機(jī)工作環(huán)境惡劣，其行走采用履帶式，履帶的驅(qū)動(dòng)是用輪邊馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，兩條行走履帶各自采用一臺(tái)定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，需要實(shí)現(xiàn)牙輪鉆機(jī)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等一系列功能。每條履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，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(jī)停放到需要的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)微動(dòng)調(diào)節(jié)，要求動(dòng)作靈敏度高。鉆機(jī)的鉆頭回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)使用兩臺(tái)定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，需要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)恒扭矩，實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。

由于開(kāi)式液阻調(diào)速回路雖然簡(jiǎn)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(dòng)采用閉式容積調(diào)速回路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其驅(qū)動(dòng)液壓原理如圖1所示。

圖1 牙輪鉆機(jī)行走和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液壓原理圖

鉆機(jī)的履帶行走使用兩臺(tái)電比例變量油泵帶補(bǔ)油泵2和兩臺(tái)帶輪邊減速器的定量馬達(dá)10組成兩套獨(dú)立的閉式回路，兩套閉式回路的換熱溢流閥9共用。鉆進(jìn)行走時(shí)，通過(guò)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(jī)的行走速度、同步控制等控制，閉式回路設(shè)有安全閥用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)安全。由于鉆機(jī)行走過(guò)程，鉆頭不工作；鉆頭回轉(zhuǎn)工作時(shí)，鉆機(jī)不行走?；诖斯ぷ魈攸c(diǎn)，充分利用泵的能力，設(shè)計(jì)時(shí)考慮把行走的驅(qū)動(dòng)用的回路轉(zhuǎn)接到回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)上，在回路的換熱閥7后與馬達(dá)進(jìn)回有口增加液控?fù)Q向閥4進(jìn)行切換。為了滿足回轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速需要，把行走兩臺(tái)泵并聯(lián)使用，通過(guò)切換后形成雙變量泵―雙定量馬達(dá)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(guò)程中沒(méi)有泄漏，減小功率損失[1]。

2.鉆桿加壓及輔助液壓回路設(shè)計(jì)分析

2.1 原理設(shè)計(jì)

牙輪鉆機(jī)的加壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了采用由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈條加壓的方式，對(duì)鉆頭進(jìn)行加載和進(jìn)給速度調(diào)節(jié)以及完成提鉆功能。由于礦場(chǎng)巖層的強(qiáng)度變化等因素影響，加壓系統(tǒng)應(yīng)具備負(fù)載適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，防止加壓鏈條出現(xiàn)過(guò)載或是卡鉆的情況發(fā)生?；谇懊娴挠绊懸蛩兀鞠到y(tǒng)采用負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)和其他輔助油缸動(dòng)作[2]。

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

圖2 開(kāi)芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)

閉芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)原理如圖3所示，其采用負(fù)載感應(yīng)變量泵1供油，通過(guò)梭閥5感應(yīng)負(fù)載壓力到變量泵的負(fù)載口，在系統(tǒng)壓力沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)溢流閥3最高設(shè)定壓力情況下始終比最高負(fù)載壓力高出?P，即泵的壓力補(bǔ)償?shù)膲翰睢?/p>

圖3 閉芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)

因此，新型的鉆桿加壓及輔助液壓回路設(shè)計(jì)采用閉芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)控制牙輪鉆機(jī)的給進(jìn)和加壓，以及控制鉆機(jī)的輔助油缸，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行器工作的有效流量分配。由于牙輪鉆機(jī)鉆進(jìn)工作過(guò)程中，其他輔助油缸的動(dòng)作很少，只要流量能夠滿足給進(jìn)的速度和加壓的自適應(yīng)，就可以滿足系統(tǒng)的工作的需要。為了保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)而不受負(fù)載的影響，在每個(gè)換向閥前設(shè)有前置壓力補(bǔ)償器，各油缸及馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)采用電比例換向閥進(jìn)行速度調(diào)節(jié)[3]。

2.2 節(jié)能分析

開(kāi)芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)待機(jī)情況下的功率損失為Pw=?P·Qmax，在有負(fù)載工作的情況下功率損失為閉芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)待機(jī)情況下的功率損失為Pw=?P·Qmin，在有負(fù)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(kāi)芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)在待機(jī)、工作情況下的功率分布圖

圖5 閉芯式負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)在待機(jī)，工作情況下的功率分布圖

3.負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)液壓控制回路

3.1 千斤頂油缸控制

鉆機(jī)由4個(gè)千斤頂作為頂升機(jī)構(gòu)，在鉆機(jī)鉆進(jìn)前，需要先把鉆機(jī)本體提升離地面，同時(shí)對(duì)鉆機(jī)鉆進(jìn)平面進(jìn)行調(diào)平，保證鉆進(jìn)平面的水平度。油缸的速度調(diào)整通過(guò)調(diào)整電液比例多路閥的開(kāi)口來(lái)實(shí)現(xiàn)，在油缸的進(jìn)油口設(shè)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(dá)控制回路

鉆機(jī)采用鏈條加壓方式鉆進(jìn)，鏈條采用兩臺(tái)低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)帶有制動(dòng)器，在不需要工作時(shí)制動(dòng)，防止回轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置自重下落?？刂崎y采用電液比例多路閥控制馬達(dá)給定速度的快慢，力量反饋通過(guò)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(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)工作的自適應(yīng)鉆進(jìn)[4]?；芈分性O(shè)有平衡閥及梭閥保證加壓的平穩(wěn)性，同時(shí)控制馬達(dá)制動(dòng)器的開(kāi)閉。為了避免鉆進(jìn)的過(guò)程中壓力的沖擊造成鏈條的受損，在馬達(dá)的加壓側(cè)設(shè)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(dòng)作，在油缸的進(jìn)出油口設(shè)置有平衡閥，提高鉆架運(yùn)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(shí)現(xiàn)斜孔鉆進(jìn)。

3.4 卷?yè)P(yáng)絞車控制回路

卷?yè)P(yáng)絞車由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)的控制回路，在絞車下放繩側(cè)設(shè)有平衡閥，重物下放過(guò)程中，防止出現(xiàn)自由下落及馬達(dá)超速等事故發(fā)生，速度由電液比例閥進(jìn)行控制，制動(dòng)通過(guò)裝在回路中的梭閥通過(guò)主閥進(jìn)行控制。

3.5 電纜卷筒馬達(dá)控制回路

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

3.6 卡夾機(jī)構(gòu)控制回路

卡夾機(jī)構(gòu)主要由卡盤(pán)和夾持器組成。鉆機(jī)在正常鉆進(jìn)、倒鉆桿、升降鉆具和擰卸鉆桿螺紋時(shí)，均需要卡盤(pán)和夾持器來(lái)完成。該機(jī)構(gòu)由卡口油缸、液壓大鉗油缸控制其動(dòng)作，液壓控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速開(kāi)合，保證夾持力。鉆桿倒換通過(guò)鉆桿倉(cāng)油缸控制回路實(shí)現(xiàn)鉆桿的移動(dòng)。

3.7 穩(wěn)桿機(jī)構(gòu)控制回路

牙輪鉆機(jī)在鉆架的中部設(shè)有穩(wěn)桿機(jī)構(gòu)，穩(wěn)桿機(jī)構(gòu)由油缸控制，在鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)桿機(jī)構(gòu)能夠抱住鉆桿，減小鉆桿由于鉆機(jī)力而產(chǎn)生的撓曲，提高鉆孔效率，不鉆進(jìn)或倒鉆桿時(shí)，能夠打開(kāi)穩(wěn)桿機(jī)構(gòu)?？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(shè)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(kāi)關(guān)閥控制，控制油缸的兩個(gè)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(jié)語(yǔ)

該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠很好滿足牙輪鉆機(jī)的工作要求，鉆機(jī)的行走和頂驅(qū)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(fù)載特性；加壓及輔助控制系統(tǒng)采用閉芯式負(fù)載感應(yīng)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(dá)到高精度控制要求，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制。