液壓動力頭巖心鉆機(jī)的負(fù)載敏感液壓回路

譚玉山,王金友,林寶新,閆鵬飛,薛 軍

1 液壓巖心鉆機(jī)的特點

鉆機(jī)按傳動形式分類,可分為機(jī)械式和液壓式兩類。液壓傳動由于它在功率質(zhì)量比、無級調(diào)速、過載保護(hù)、自動控制及配置靈活、組裝方便等方面的技術(shù)優(yōu)勢,已成為各類機(jī)械實現(xiàn)傳動與控制的重要技術(shù)手段,在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著無可替代的作用。液壓動力頭巖心鉆機(jī)具有給進(jìn)行程長、采用液壓缸起落塔架、容易實現(xiàn)斜孔鉆進(jìn)施工、體積小質(zhì)量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作靈活省力等突出的特點。尤其是采用了性能優(yōu)良的負(fù)載敏感液壓回路,對鉆進(jìn)適應(yīng)性強(qiáng),可提高鉆進(jìn)效率,而且系統(tǒng)具有能耗小,發(fā)熱少,傳動效率高等優(yōu)良的技術(shù)性能。液壓動力頭巖心鉆機(jī)將成為我國地質(zhì)巖心鉆機(jī)的主流機(jī)型。

2 鉆探工作對鉆機(jī)回轉(zhuǎn)與給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓回路的要求

2.1 對回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路的性能要求

鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器通常由液壓馬達(dá)驅(qū)動。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路應(yīng)滿足下列性能要求:

(1)可在較大范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與扭矩,調(diào)節(jié)過程平穩(wěn);

(2)具有機(jī)械硬特性,即轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化影響;

(3)可帶載頻繁啟停,且啟停平穩(wěn);

(4)具有一定的超載能力及過載保護(hù)功能;

(5)功率損耗小,回轉(zhuǎn)運(yùn)動效率高。

2.2 對給進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓回路的性能要求

(1)能無級調(diào)節(jié)給進(jìn)力,并保持給進(jìn)力穩(wěn)定;

(2)能無級調(diào)節(jié)給進(jìn)速度,保持與瞬時機(jī)械轉(zhuǎn)速相適應(yīng);

(3)具有承受突變負(fù)值載荷的能力,防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)速失穩(wěn);

(4)具有過載保護(hù)功能;

(5)功率損耗小,能量利用率高。

傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計模式是手動控制閥與定量泵組成的普通液壓系統(tǒng),技術(shù)較為落后,對不同地層給進(jìn)控制能力和適應(yīng)能力差,鉆進(jìn)效率低。因此液壓動力頭巖心鉆機(jī)應(yīng)采用性能優(yōu)良的負(fù)載敏感液壓回路。

什么是負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)?簡單的說,它是一種感受系統(tǒng)壓力—流量需求,且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。在這種回路中,通過負(fù)載敏感液壓閥將檢測出來的負(fù)載壓力反饋給變量泵,來自動控制液壓泵的輸出,使液壓泵的輸出壓力、流量與所需負(fù)載相匹配。采用負(fù)載敏感液壓回路,可以提高原動機(jī)的利用效率,減少系統(tǒng)發(fā)熱,達(dá)到機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和節(jié)能的目的。

圖1 負(fù)載敏感液壓回路

3 負(fù)載敏感液壓回路工作原理

圖1所示為一負(fù)載敏感液壓回路,該回路由 4個基本單元組成。

(1)比例換向閥 D,它是一個比例換向閥或多路比例換向閥,分手控式和電控式兩種。其作用除控制液壓馬達(dá) (或液壓缸)換向外,還控制液壓馬達(dá)負(fù)載流量以及檢測液壓馬達(dá)負(fù)載壓力。

(2)負(fù)載敏感閥 A,又稱低壓壓力 -流量補(bǔ)償閥,例如調(diào)定壓力為 1.4 MPa。它是一個壓力控制二邊伺服閥。其輸入記號是液壓泵的輸出壓力 Pp與液壓馬達(dá)負(fù)載壓力 P1之差;輸出記號是壓力 Pc,用來操縱液壓泵變量機(jī)構(gòu)。限壓閥 B用于調(diào)定泵的最高壓力,例如調(diào)定壓力為 21 MPa。

(3)變量泵 C,它是一種壓力補(bǔ)償式變量泵,其變量斜盤 5由液壓缸 7控制。負(fù)載敏感閥A和閥B均安裝在變量泵 C上,作為液壓泵的附屬元件組成一體,稱為負(fù)載敏感泵。

(4)液壓馬達(dá)或液壓缸。

負(fù)載敏感液壓回路的工作原理為:負(fù)載敏感閥A的滑閥左端接液壓泵出口,右端接液壓馬達(dá)負(fù)載腔,兩者的壓力差由彈簧 2調(diào)整。

當(dāng)比例換向閥D的開度一定時,若液壓泵的輸出流量過大,則液壓泵輸出壓力 Pp和液壓馬達(dá)負(fù)載壓力 P1的差值大于設(shè)定的壓力差,滑閥 1即向右邊運(yùn)動,使油路 3與 4相通,控制壓力 Pc升高。因而液壓缸 7便控制液壓泵斜盤 5傾角減小,從而使液壓泵的輸出流量減小。反之,若液壓泵的輸出流量小于比例換向閥的設(shè)定流量時,則情況相反,使斜盤傾角相應(yīng)增大,液壓泵輸出流量增加。

通過這種連續(xù)動作,液壓泵的輸出流量 Qp始終保持與比例換向閥新設(shè)定的流量 Q1(即驅(qū)動負(fù)載的流量)相等;而液壓泵的輸出壓力 Pp與負(fù)載壓力 P1的差值始終保持彈簧 2所設(shè)定的數(shù)值,即:

式中:a0——滑閥 1有效作用面積;Fs——彈簧 2的彈簧力,由調(diào)壓螺釘 10調(diào)節(jié)。

例如:負(fù)載壓力為 16 MPa,液壓泵輸出壓力為16+1.4=17.4 MPa,即液壓泵的輸出壓力 Pp與負(fù)載壓力 P1的差值始終保持為彈簧 2所設(shè)定的數(shù)值1.4 MPa。

這就是說,不管負(fù)載如何變化,液壓泵輸出壓力Pp始終比負(fù)載 P1大一恒定值。這個恒定值,同時是比例換向閥工作油口的壓力差。于是通過此換向閥的負(fù)載流量 Q1僅與閥的開度,即與它的閥芯移動量成比例,而與負(fù)載壓力的變動無關(guān)。這樣,通過調(diào)節(jié)比例換向閥閥芯的位移量的大小,即可達(dá)到調(diào)速的目的。由此可知,比例換向閥不但可使液流換向,同時是個壓力補(bǔ)償式流量控制閥。綜上所述,不管負(fù)載、速度如何變化,液壓泵輸出流量 Qp、壓力 Pp始終與負(fù)載流量 Q1、壓力 P1相匹配。

當(dāng)液壓馬達(dá)到達(dá)行程終點時,由于比例換向閥閥口已經(jīng)無流量,亦無壓力損失,故滑閥 1在彈簧 2的作用下處于左端位置。由圖 1可知,限壓閥 B的滑閥 8右端通油箱,當(dāng)液壓泵輸出壓力 Pp大于彈簧9所調(diào)定壓力 Pr時,滑閥 8迅速右移,泵輸出的壓力油不經(jīng)滑閥 1直接接通油路 3-4。從而,一方面使液壓泵保持由該閥所設(shè)定的最高壓力,同時又使液壓泵僅輸出補(bǔ)充泄漏所需的微小流量。比例換向閥處于中位,液壓馬達(dá)停止工作時,負(fù)載壓力為零。液壓泵的輸出壓力僅等于彈簧 2的調(diào)定壓力,液壓泵的輸出流量僅為補(bǔ)充泄漏所需的微小流量,即液壓泵處于低壓等待狀態(tài)。由負(fù)載敏感液壓回路工作原理可知,液壓泵的輸出流量與負(fù)載流量一致,泵的輸出壓力比負(fù)載大一個恒定值;回路不工作時,泵處于低壓等待狀態(tài)。故此種回路效率高,功率損失小。

4 負(fù)載敏感液壓回路對負(fù)載的適應(yīng)能力

4.1 負(fù)載敏感液壓回路對回轉(zhuǎn)負(fù)載的適應(yīng)能力

4.1.1 負(fù)載敏感回路的無級調(diào)速功能

由負(fù)載敏感回路工作原理可知,通過比例換向閥的流量僅與該閥的開度,即與它的閥芯移動量成正比例。因此通過調(diào)節(jié)比例換向閥閥芯的位移量的大小即可達(dá)到無級調(diào)速的功能。

4.1.2 回轉(zhuǎn)帶載平穩(wěn)啟停能力

從圖 1可知,當(dāng)比例換向閥開啟時,液壓馬達(dá)負(fù)載壓力 P1與泵輸出壓力 Pp相等,滑閥 1在彈簧力 Fs的作用下,向左移動,使油路 4與油箱相通,液壓缸7在彈簧作用下帶動斜盤傾角逐漸增大,液壓泵開始向執(zhí)行元件 (液壓馬達(dá)或液壓缸)供油。隨著供油量的增大,油壓迅速升高,最終克服負(fù)載阻力推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時,由壓力差 (Pp-P1)控制負(fù)載敏感閥動作。因此,在啟動過程中,負(fù)載敏感回路可根據(jù)負(fù)載壓力變化快速平穩(wěn)地自動調(diào)整回路壓力和流量,滿足帶載平穩(wěn)啟動的要求。

4.1.3 調(diào)速特性

負(fù)載敏感回路工作時,液壓泵的輸出流量與負(fù)載流量基本上相等,其數(shù)值大小僅與比例換向閥開度有關(guān),而與負(fù)載壓力無關(guān),故回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有優(yōu)異的硬機(jī)械特性。

4.1.4 超載與過載保護(hù)功能

通過負(fù)載敏感反饋控制作用,液壓泵壓力始終與負(fù)載阻力相適應(yīng)。若泵的壓力超過限壓閥的調(diào)定壓力,限壓閥開啟,回路處于高壓等待狀態(tài),這樣既起過載保護(hù)作用,又避免了大量能量損耗。

4.2 負(fù)載敏感液壓回路對升降負(fù)載的適應(yīng)能力

升降負(fù)載特性與回轉(zhuǎn)負(fù)載特性具有相似之處,如要求驅(qū)動系統(tǒng)具有無級調(diào)速功能、帶載平穩(wěn)啟停能力、硬的機(jī)械特性、一定的過載能力以及過載保護(hù)功能等。負(fù)載敏感回路能滿足上述要求。

此外,通過微調(diào)比例換向閥閥口開度即可實現(xiàn)微動升降動作。從提鉆的整個過程看,提升負(fù)載是依次減小的。負(fù)載敏感回路的壓力隨負(fù)載變化而自動調(diào)節(jié)。因此,根據(jù)負(fù)載阻力變化調(diào)整比例換向閥開度,控制提升速度,可滿足恒功率提升的要求。

5 負(fù)載敏感液壓回路的特點

(1)執(zhí)行元件的速度僅與比例換向閥開度有關(guān),而與負(fù)載壓力無關(guān),從而真正實現(xiàn)了無級調(diào)速。

(2)液壓系統(tǒng)效率高,節(jié)能效果好。在普通定量泵液壓系統(tǒng)中,如果工作中要求執(zhí)行元件的運(yùn)動速度減小一半,則將有一半功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的熱量損耗,這些熱量被液壓系統(tǒng)吸收或通過液壓油冷卻器散發(fā)。而在負(fù)載敏感控制系統(tǒng)中情況就不同了,液壓泵可根據(jù)執(zhí)行元件工況自動進(jìn)行調(diào)節(jié)來提供所需的流量,只有少量的能量損耗。

(3)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)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(tǒng)中,為滿足同一系統(tǒng)中不同支路的工作要求,必須采用多聯(lián)泵、流量分配器、流量控制閥或壓力控制閥聯(lián)合控制等等,系統(tǒng)較復(fù)雜。

(4)負(fù)載敏感液壓泵和比例換向閥集成化程度高,系統(tǒng)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。

(6)無論比例換向閥閥芯位移如何變化,都不會改變閥進(jìn)、出口的壓力差,如前述壓差恒為 1.4 MPa。即無論負(fù)載及執(zhí)行元件的運(yùn)動速度如何變化,操縱手柄感覺到的力是穩(wěn)定的、柔和的。

[1] 胡志堅.鉆機(jī)負(fù)載自適應(yīng)液壓控制系統(tǒng)的研究[D].長春:吉林大學(xué),2007.

[2] 王清巖,譯.Eaton負(fù)載敏感 (LS)控制系統(tǒng)工作原理與操作[Z].2005.

[3] 王向榮.全液壓工程鉆機(jī)的幾種調(diào)速方案[J].地質(zhì)裝備,2002,(3).