鉆機(jī)動力頭的控制

鉆機(jī)動力頭的控制

0液壓傳動鉆機(jī)多式空氣鉆孔技術(shù)（包括空氣泡沫鉆孔、氣孔井壓孔、氣側(cè)反循環(huán)孔等）被認(rèn)為是現(xiàn)代測量和挖掘技術(shù)的重要標(biāo)志之一。該鉆進(jìn)技術(shù)主要是用壓縮空氣或含有壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進(jìn)時(shí)的循環(huán)沖洗介質(zhì),或者既用其作為破巖機(jī)具之動力,又兼作沖洗介質(zhì)的一種鉆進(jìn)方法。國外從20世紀(jì)中葉開始應(yīng)用,發(fā)展至今已逐漸形成包括多種循環(huán)介質(zhì)、多種循環(huán)方式、多種破巖方法的多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)體系。我國多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)目前主要以氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)為主,與國外有一定的差距目前,國內(nèi)外適用于多工藝空氣鉆進(jìn)工藝的多工藝鉆機(jī)大都采用液壓傳動的形式。在相同功率下,液壓傳動具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)動力頭是鉆機(jī)重要執(zhí)行部件,為鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)扭矩與轉(zhuǎn)速。液壓傳動多工藝鉆機(jī)的動力頭要求具有大扭矩和大的調(diào)速范圍的能力,結(jié)合不同的鉆具組合實(shí)現(xiàn)多工藝。設(shè)計(jì)動力頭液壓傳動與控制系統(tǒng)是鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,鉆機(jī)性能的好壞,鉆機(jī)效率的高低,使用壽命的長短,主要取決于液壓系統(tǒng)的性能1比例控制閥液壓螺紋插裝閥產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,成長于20世紀(jì)70年代,并逐步發(fā)展成為覆蓋方向控制、壓力控制、流量控制的幾乎所有閥種,用于比例控制壓力閥、比例控制流量閥、比例控制方向閥等,形成一個(gè)獨(dú)立體系。它體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)泄小、應(yīng)用靈活、安裝維修簡單、可以隨意組合集成等優(yōu)勢,廣泛用于工程機(jī)械中液壓插裝閥無單獨(dú)的閥體,其應(yīng)用比較靈活。由閥芯、閥套等組成的單元體插裝在插裝塊的預(yù)制孔中,用連接螺絲或蓋板固定,當(dāng)插裝閥裝入具有標(biāo)準(zhǔn)閥孔的集成閥塊時(shí),通過塊內(nèi)通道把各插裝閥連接組成回路,插裝塊起到閥體和管路的作用。2鉆進(jìn)能力分析鉆機(jī)是一款適用于多種空氣鉆進(jìn)工藝的液壓傳動輕型鉆機(jī),鉆進(jìn)能力150mm口徑鉆進(jìn)深度300m,可以采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)或者硬質(zhì)合金牙輪鉆頭鉆進(jìn),綜合考慮確定扭矩為8000Nm左右,所需轉(zhuǎn)速范圍0~150r/min。2.1小齒輪式鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動方案動力頭由兩個(gè)低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動,如圖1所示,兩馬達(dá)同步驅(qū)動兩個(gè)小齒輪,小齒輪同步驅(qū)動大齒輪,實(shí)現(xiàn)一級減速,小齒輪對稱布置與大齒輪兩側(cè),大齒輪通過平鍵將扭力傳遞給主軸,主軸通過螺紋連接鉆具,從而驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)。2.2動力頭馬達(dá)串聯(lián)控制通過串并聯(lián)閥給動力頭馬達(dá)供油,使動力頭可以實(shí)現(xiàn)兩檔調(diào)速。動力頭馬達(dá)串聯(lián)時(shí)為高速、小扭矩;馬達(dá)并聯(lián)時(shí)為低速、大扭矩。通過動力頭馬達(dá)串、并聯(lián)閥的切換,以及驅(qū)動動力頭馬達(dá)的兩個(gè)液壓泵單泵與雙泵合流的組合,動力頭可以實(shí)現(xiàn)四檔轉(zhuǎn)速,可以根據(jù)不同的地層、孔徑、工藝選擇不同的檔位。每個(gè)檔位內(nèi)調(diào)速是靠液比例手柄控制,操作方便且控制精確。3u3000動力頭的自動儀表設(shè)計(jì)3.1動力頭串聯(lián)并聯(lián)如動力頭液壓控制原理圖2所示,液壓泵組由兩個(gè)變量泵及一個(gè)齒輪泵組成,圖2中液控比例換向閥為簡化示意圖。圖2中先導(dǎo)油源閥采用了插裝閥的形式。工作原理為:(1)當(dāng)電磁鐵得電時(shí),先導(dǎo)換向閥換向,動力頭兩馬達(dá)并聯(lián),系統(tǒng)流量同時(shí)分給兩個(gè)馬達(dá),在同樣的流量條件下,動力頭轉(zhuǎn)速減半,扭矩增加一倍。(2)當(dāng)電磁鐵失電,動力頭馬達(dá)串聯(lián),流量先經(jīng)過一個(gè)馬達(dá)再經(jīng)過另一個(gè)馬達(dá),馬達(dá)壓力減半,所以動力頭扭矩減半,轉(zhuǎn)速是并聯(lián)時(shí)的兩倍。動力頭串并聯(lián)閥結(jié)構(gòu)簡單,只需控制電磁鐵的通斷電,電源為24V直流電,柴油機(jī)啟動電瓶即可作為電源,方便實(shí)現(xiàn)動力頭快慢速快速切換。通過動力頭馬達(dá)串、并聯(lián)閥的切換,以及驅(qū)動動力頭馬達(dá)的兩個(gè)液壓泵單泵與雙泵合流的組合,動力頭可以實(shí)現(xiàn)四檔轉(zhuǎn)速,每個(gè)檔位內(nèi)調(diào)速是靠液比例手柄控制,操作方便且控制精確。3.2液壓馬達(dá)系統(tǒng)動力頭串并聯(lián)閥液壓原理如圖2所示,外形圖如圖3所示,串并聯(lián)閥的安裝如圖4所示。串并聯(lián)閥由一個(gè)電控?fù)Q向閥和一個(gè)液壓閥塊疊加而成,液壓閥塊中管道設(shè)計(jì)配合電控?fù)Q向閥使用,既實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)的串并聯(lián)切換功能又簡化了系統(tǒng)管路。為了便于動力頭兩個(gè)液壓馬達(dá)管路連接,該閥固定在動力頭上,隨動力頭沿桅桿軌道上下移動。通過鉆機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)動力頭串并聯(lián)閥能夠?qū)崿F(xiàn)動力頭兩個(gè)馬達(dá)串并聯(lián)的功能,但是也暴露出控制不可靠的問題,主要原因是串并聯(lián)閥采用電控?fù)Q向閥,控制電線要頻繁的隨著動力頭沿鉆機(jī)桅桿上下移動,而且在采用空氣正循環(huán)的鉆進(jìn)工藝時(shí)孔口會有巖屑及水噴出,導(dǎo)致電磁換向閥的控制電纜接頭接觸不良,電磁換向閥的控制電磁鐵處于失電狀態(tài),按照控制原理動力頭馬達(dá)只能實(shí)現(xiàn)串聯(lián),失去并聯(lián)的狀態(tài),不能滿足動力頭回轉(zhuǎn)扭矩的要求。4帶出損害電控?fù)Q向閥的接頭在采用空氣鉆進(jìn)工藝特別是采用空氣正循環(huán)工藝時(shí),高壓氣體將巖屑及水帶出損害電控?fù)Q向閥的接頭,通過物質(zhì)-場分析,引入改進(jìn)的動力頭串并聯(lián)閥消除巖屑及水的危害,將電磁換向閥改為插裝式液控?fù)Q向閥。以多工藝鉆機(jī)動力頭回路液壓回路的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例,具體介紹插裝閥的設(shè)計(jì)與運(yùn)用。4.1先導(dǎo)壓力油改進(jìn)后的動力頭液壓控制原理(圖5)與原先的液壓系統(tǒng)(圖2)相比沒有大的改變,主要是動力頭串并聯(lián)閥由電控板式換向變?yōu)椴逖b閥形式的液控?fù)Q向閥,為了給液控?fù)Q向閥提供控制壓力油,先導(dǎo)油源閥組多插裝了一個(gè)電控?fù)Q向閥。其控制原理為:(1)當(dāng)先導(dǎo)油源閥中電磁換向閥得電時(shí),電磁換向閥換向,先導(dǎo)壓力油控制動力頭串并聯(lián)閥換向,動力頭兩馬達(dá)串聯(lián),流量先經(jīng)過一個(gè)馬達(dá)再經(jīng)過另一個(gè)馬達(dá),馬達(dá)壓力減半,所以動力頭扭矩減半,轉(zhuǎn)速是并聯(lián)時(shí)的兩倍。(2)當(dāng)先導(dǎo)油源閥中電磁換向閥失電時(shí),電磁換向閥不換向無先導(dǎo)油壓,動力頭串并聯(lián)液控?fù)Q向閥液控壓力油卸荷,動力頭兩馬達(dá)并聯(lián)狀態(tài),系統(tǒng)流量同時(shí)分給兩個(gè)馬達(dá),在同樣的流量條件下,動力頭轉(zhuǎn)速減半,扭矩增加一倍。4.2u3000插座的設(shè)計(jì)和應(yīng)用動力頭液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)動力頭的串并聯(lián)閥及先導(dǎo)油源閥都運(yùn)用了插裝閥,解決了原來動力頭串并聯(lián)閥采用電控?fù)Q向閥控制可靠性不高的問題。4.2.1閥塊的選擇圖6所示為改進(jìn)后的動力頭串并聯(lián)閥液壓原理圖,采用螺紋式插裝閥,液控?fù)Q向插裝閥插裝在按照液壓原理要求而設(shè)計(jì)的閥塊上,閥塊按照壓力等級要求可以選擇鋁制或者鋼制。由串并聯(lián)閥外形圖(圖7)可以看到閥的體積比改進(jìn)前的閥(圖3)小了很多,由插裝閥代替板式電磁換向閥不僅解決了控制電線接觸不好而失效的問題,還大大減小了閥的體積和重量,簡化了液壓系統(tǒng)管路。4.2.2電磁換向閥先導(dǎo)油源閥主要作用是給液控系統(tǒng)提供先導(dǎo)壓力油,同時(shí)還可以為動力頭串并聯(lián)閥提供控制壓力油。如圖8所示,閥塊中共插裝了4種閥,序號4為插裝式電磁換向閥,控制電磁鐵的得電與失電可以控制動力頭馬達(dá)的串并聯(lián)。閥塊上還安裝了蓄能器,起到穩(wěn)定先導(dǎo)壓力的作用。M1和M2是兩個(gè)壓力監(jiān)測油口,方便系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行壓力監(jiān)測。先導(dǎo)油源閥比改進(jìn)前增加了一個(gè)電磁換向閥,這就是插裝閥的優(yōu)越性所在,可以根據(jù)需要快捷的做出改變,而且不用增加系統(tǒng)管路,靈活方便。從先導(dǎo)油源閥的外形圖(圖9)可以看到,雖然該閥插裝了4種閥還有一個(gè)蓄能器,可是這個(gè)閥塊還是很簡潔小巧。5使用插裝閥的實(shí)現(xiàn)更大流量控制液壓插裝閥按照工作原理已經(jīng)涵蓋開關(guān)閥(或通斷閥)、伺服閥、比例閥和邏輯閥,提供了更多的選擇,而且隨著液壓系統(tǒng)流量的加大,例如系統(tǒng)流量超過600L/min時(shí),能供設(shè)計(jì)者選擇的液壓閥很少,但是采用液壓插裝閥可以實(shí)現(xiàn)更大流量的控制,有的時(shí)候采用插裝閥技術(shù)是必須的選擇。通過一個(gè)閥塊插裝多種功能的螺紋插裝閥,解決了標(biāo)準(zhǔn)液壓閥功能單一,有時(shí)沒有合適型號可選的問題,液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)系統(tǒng)需要,將各種插裝閥集成在一個(gè)閥塊上,通過閥塊孔道連通達(dá)到設(shè)計(jì)功能,可以大大簡化系統(tǒng)。插裝閥