全液压钻机液压系统研究机械工程自动化专业

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1、 全液压钻机液压系统研究以ZDY3200S全液压钻机为例摘 要钻机作为当今我国钻井作业中最为主要的设备，在我国的钻井作业和矿物勘探等领域占据着举足轻重的地位。论文根据国内外钻机的发展现状，首先分析了目前传统钻机的液压系统，其次介绍了目前国内研究比较多的两类矿物勘探钻机，煤矿坑道钻机和全液压钻机，分析其各自液压设计原理，最后通过对比总结，可得到全液压钻机在液压控制方面的优势，并通过仿真分析，对于改进的液压系统进行了验证，对钻机未来发展的趋势的指导。关键词钻机；液压原理；分析iAbstractDrill rig as the most major equipment for drilling op

2、eration in todays China, areas such as drilling and mineral prospecting in our country occupies a pivotal position.According to the current situation of drilling rigs development in China and oversee, the paper analysis the traditional rigs hydraulic system first, and introduces the current coal min

3、e tunnel drilling rigs hydraulic design principle, compare these two kinds of rigs hydraulic system to get the advantage of the hydraulic control and the direction of future development.Keywords drilling rigs; hydraulic principle; analysis ii目录摘 要iAbstractii第1章 绪论51.1 国内外研究现状51.1.1 国内研究现状51.1.2 国外发展

4、现状51.2 钻机的发展概况61.2.1 卧式钻机介绍71.2.2 立式钻机简介71.3 钻机中液压原理的应用现状8第2章 传统钻机液压系统功能与分析92.1 常见钻机液压系统92.1.1 单泵液压系统92.1.2 双泵液压系统102.1.3 多泵液压系统102.2 传统钻机液压系统基本回路112.2.1 回转液压回路112.2.2 调压限压回路112.2.3 调速回路122.2.4 给进液压回路132.2.5 压力控制回路132.2.6 速度控制回路172.2.7 辅助液压回路172.2.8 控制机身起落的液压回路172.2.9 控制卡夹机构的液压回路182.3 传统钻机液压回路的特点18第

5、3章 钻机液压系统优化设计193.1 钻头回转液压回路优化设计193.2 动力钻头给进回路优化设计213.3 行走及卷场控制回路223.4 泥浆泵液压回路优化设计23第4章 ZDY3200S型煤矿用全液压坑道钻机实例研究254.1 适用范围254.2 型号含义254.3 主要技术参数254.4 钻机结构简介274.4.1 回转器274.4.2 夹持器284.4.3 给进装置284.4.4 机架284.5 操纵台294.6 泵站294.7 液压系统工作原理30第5章 总结与展望325.1 总结325.2 展望32参考文献34致 谢35绪论因此本文在总结和分析前人研究的基础上，对于煤炭开采用坑道钻

6、机的液压原理应用和全液压钻机中全新液压原理的设计应用进行了详细的分析和介绍，以期通过本文，对钻机中液压原理的设计提出新的思路。1.1 国内外研究现状1.1.1 国内研究现状目前，我们国产的钻机依然沿用着定量泵和手控阀的液压系统。这种液压系统操作繁琐且功能单一，技术较为落后。最主要的是，这种传统的液压系统不能够实时的监控环境的变化和地质的变化，因此不能够遥控或者调整工艺参数，不能够适应多种地质条件的勘探。与此同时，传统的设计方案将重点放在了控制和参数调整方面，没有针对能耗和效率问题进行深入研究。这样既增加了一次性投资，也因设计不当使得能量损耗过大。当前我国对于钻机的应用，大部分集中在煤炭的开采上

7、。由于煤炭是一种一次性的消费品，且大多储藏在地势复杂的地区。因此在煤炭的开采过程中，钻机需要克服地势、安全、采矿等多方面的要求，并能够在地下进行顺畅的开采任务。1.1.2 国外发展现状在上世纪 80 年代初，英国在煤矿井中最先应用井底马达定向钻进技术，当时钻进距离为1000米，但是如果去掉钻进工艺尺寸和煤层的尺寸，那么实际的钻进距离只有635米。从20 世纪中期开始，澳大利亚将此技术发展到了瓦斯抽放井及地质勘探井的施工中，并成为该井的主要技术，且有了显著的效果。一般可以达到 700 米左右的井深，于2002年达到 1761 米的最大井深。此技术有很强井眼轨迹控制能力，缺点为井底马达的输出的扭矩

8、较小，井眼直井较小，且钻井成本较高。 立式钻机逐渐被取代发生在20世纪60年代，那时候国外的一些国家开始研究全液压式钻机，并且逐渐将立式钻机淘汰。在20世纪90年代，在原有的全液压钻机技术上，应用了电液比例控制技术，这一技术的应用，使得液压钻机的钻进能力和其他能力都有了质的飞跃。随着自动控制技术的发展，由于钻机的人工操作不便于深井作业，且面临着很大的危险，因此此项技术进而发展到新型勘探钻机领域中，并且快速扩展适用钻机的范围，使得钻机机电一体化，为接下来的钻井工作提高了很大的效率。35 图1-1总得来说，在钻机的液压元、部件的性能及选用方面国外煤矿坑比国内水平要高，另外整体性能更好，更具备完善的

9、功能。在当今社会，劳动力的成本正在不断上涨，随着科技的发展，人工智能的出现，电液比例技术应运而生，各大钻探设备生产商开始对智能钻探设备进行探究，电液比例技术开始广泛运用于智能钻探设备。1.2 钻机的发展概况不管是立式钻机还是卧式钻机，在工作的过程中，都是由各个液压系统组成并且控制其动作的，因此液压系统在钻机的设计中，是非常重要的。液压系统的好坏直接影响着钻机的能耗高低，性能高低和钻机的寿命长短等。煤矿坑道钻机在施工过程中，会因为工作环境的变化而引起负载的变化，从而影响钻进的速度和效率，所以钻机必须解决负责不稳定性，且钻进时要满足工艺要求，比如起钻杆，接钻杆等工艺。1.2.1 卧式钻机介绍卧式钻

10、机主要由机架、动力钻头、液压操纵台、液压站、辅助卡盘等结构构成。这种钻机的动作都是液压驱动的，如钻杆旋转、钻杆升降、调整井架等。而全液压式钻机能够更强的适应各式工况，能够根据工作环境的不同要求，适当的调整其执行机构的参数 。此外，卧式钻机还具有钻机适应性强，可进行多种钻进工艺、单一机构的多功能性，并且全液压钻机重量轻，转速高，工作平稳，操作也是方便安全，容易实现自动化。1.2.2 立式钻机简介 目前市场上通用的立式钻机，一般是由电机、液压系统、离合器、变速箱等部分构成，其工作原理比较古老，偏向机械化。主要由电机先启动，然后拉动变速箱，变速箱再传至分动箱，最后分动箱带动回转器产生转动，所以市场上

11、也称为机械式钻机。在立式钻机中，有一个部分是很重要的，那就是液压系统，其作用原理主要是通过改变压强增大作用力，作用方式主要为控制液压与辅助卡盘的松紧以及钻杆的推进。图1-2其控制过程是这样的，首先电机带动液压泵工作，将液压油输入到液压系统，将电能转换为液压能。然后通过液压系统中各个元器件和液压系统的各种回路，控制执行元件的动作。如在立式钻机中，通过液压缸内部直线运动所产生的动能，来推动立式钻杆的进给运动，通过支撑油缸，可以固定立式钻机，通过油缸的不断运动，可以对回转器进行微调。1.3 钻机中液压原理的应用现状液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，主要进行能量之间的转换。由于其具有控制稳定且输

12、出的能量较为可靠的特点，自从开始应用液压系统以来，各个工业领域已经得到了广泛的应用和推广。现在，我国钻机液压系统设计还停留在靠经验来设计的路线上，其基本内容一般包括首先明确钻机工作的环境，然后分析其环境和钻进条件对于钻机的要求，包括动作要求和动力要求等，最后通过初步的设计，进行逐渐深入的明细化设计，将各个元器件的参数，各个液压回路进行组合，设计成一套完成的液压系统。传统的立式钻机和卧式钻机，其液压系统大多由手动控制，控制较为简单，但是精度不高，不能根据实际的工作环境进行动态的参数设计和控制。钻机在使用过程中，大多的动作时由多个机械结构共同完成的，其液压系统在控制执行元件进行工作的过程中，不可避

13、免的会发生泄漏，而液压的泄漏将会导致压力的流量等液压参数的改变，而这些改变却不能通过液压系统的动态调整来进行适应。本文通过查阅国内和国外一些钻机的发展历史和现状，对其优缺点进行比较和学习，对传统的液压钻机系统进行创新设计，使得新型的钻机能够根据环境的变化而适时的调整液压的参数，保证钻进工作的正常进行。传统钻机液压系统功能与分析从不同的角度出发，液压系统可以分成不同的形式。按油液的循环方式，可分为开始系统和闭式系统；按液压系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统；按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统；按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统；按用途的不同

14、，可分为固定设备用系统和行走设备用系统；按主换向阀在中位时液压泵的工作状态，可分为中开式系统和中闭式系统；除此之外，按工作特征的不同，还可分为液压传动系统和液压控制系统。1.4 常见钻机液压系统目前市场上普遍的钻机液压系统，主要区别就是液压泵的数目不同，即是单泵系统、双泵系统和多泵系统。1.4.1 单泵液压系统在小功率的钻机中，由于变量泵液压系统成本相对于定量泵液压系统偏高，且组成较为复杂，所以一般的生产商都会选择定量泵液压系统。此型钻机采用机械式调节执行机构速度，比较多的小型钻机采用压力控制阀来调节压力。此类钻机液压系统的结构较为简单, 方便操作和维护,但效率不高、能耗较大，比较典型的此类液

15、压系统原理如下图2-1所示。图2-1 单泵钻机液压系统原理图尽管定量泵系统的结构简单，成本较低，但正是由于它的结构简单，导致了全液压钻机在运行的过程中不能高效率的进行能量的转化，这主要是因为钻机的各个部分在工作的时候，其变化区间较大，同时由于能量的大量流失，还会导致钻机在使用的过程中温度过高，使得在操作的过程中存在过高的危险性。近年来，由于资源的减少，能源成本在不断的增加，所以钻机生产商开始将定量泵系统改为变量泵单泵系统，从而可以将能量损失避免掉，也进一步减少了钻机的能耗，也解决了油温升高等问题。1.4.2 双泵液压系统单泵系统钻机的液压系统在完成一些复合动作之后，由于其使用的油源唯一，因此当

16、这两个动作回路之间发生较大的差别时或者某一个回路的负载发生突变的时候，会影响其他动作。为了解决一个泵影响不同的回路问题，采用两个泵作为系统动力源，这样就避免了不同回路之间的相互影响。如图2-2所示为双泵液压系统原理图。图2-2 双泵液压原理图在双泵液压系统中，将大泵作为主泵，主要用于控制钻机进给钻头的回转运动和钻机的升降动作，小排量泵作为辅泵，主要用于控制钻机进给运动和其他辅助性的作业。采用了双变量泵之后，钻机的排量调节方便，且有很好的节能效果。1.4.3 多泵液压系统一般将钻机中采用三个或者三个以上泵的液压系统，统称为多泵系统。多泵系统避免了泵与泵之间流量和压力的相互干涉，如图2-2所示为多

17、泵液压系统的原理图。图2-3多泵液压系统原理图1.5 传统钻机液压系统基本回路传统钻机的液压回路主要由回转液压回路、给劲液压回路和辅助液压回路等组成。下面分别介绍这几个回路在传统钻机中的应用。1.5.1 回转液压回路在钻机的液压回路中，回转液压回路主要包括调压限压回路和调速回路。回转机构中，主要采用变量马达驱动主轴或用定量马达通过变速箱驱动主轴。1.5.2 调压限压回路在常见的液压回路中，系统压力主要由泵口的溢流阀控制，当系统压力需要调节时，只需要调节溢流阀，使其能够在系统压力变化时，保证系统压力的稳定。在限压和调压回路中，主要通过调整溢流阀不同的压力而实现不同的系统压力。在限压回路中，溢流阀

18、调整的压力是系统中的最大压力，这意味着在钻机正常工作的时候，调整溢流阀，液压系统的压力不再变化。而在调压回路中，溢流阀调整的压力是系统中的工作压力。这意味着当液压系统工作时，由于钻机所处的环境会发生变化，或者煤层发生变化，或者钻进的过程中，钻机受到的阻力等发生变化，都会导致系统所需压力不同，这个时候就需要调节溢流阀，调压回路和限压回路通常都能在系统中看到，但是为了系统的安全考虑，一般情况下在钻机工作状态下都是将调压回路代替限压回路，并且并联两个溢流阀安装在液压泵的出口处，一个调整系统压力，一个调整系统最大压力。通常应用了闭式系统的钻机，其为了适应油流的方向，所以溢流阀处于并联状态，如图2-4所

19、示。图2-4 闭式系统调压回路1.5.3 调速回路通过调整调速回路的容积，可以对回路工作的速度进行改变，速度调节回路主要有三种形式，一种形式的液压系统是由变量泵和定量马达来控制的，这种系统能够输出恒定的转矩，使得液压系统能够进行恒速的转动。另一种是由定量泵和定量马达组成的液压系统，这种系统能够输出恒定的功率，从而保证系统运行所需的功率。第三种液压系统则是由变量泵与变量马达组成的，这种系统扩大了前两种的转矩和功率。变量泵双定量马达回路是变量泵定量马达容积调速的另一种型式，此型式即为将容积调速和有级调速结合起来。如图2-5所示。通过能量守恒定律，即能量在转化或转移的过程中，总量保持不变，我们可以知

20、道马达的输出功率等于泵的输出功率乘以效率，也就是流量、压力和效率的积。因为是变量泵，其流量和压力都是不变的，所以功率不变，通变速保持恒矩.图2-5 变量泵-定量马达调速回路在钻机的钻进进给回路中，为了能够保证钻头装置的速度和动力输出，通常在动力头的机械装置中增加变速箱来调节其速度。通常情况下，需要对钻进进给机构的稳定性和动力性进行测试，以便能够在较复杂的钻进工艺情况下，依然能够采用这种容积调速回路进行工作和钻进支持。这样调速回路，能够提高回转器的工作可靠性，满足转速和负载的需求。1.5.4 给进液压回路在全液压的钻机结构中，整体的运动是由局部趋向于整体的，所以液压缸的给进运动是由液压缸的直接运

21、动、液压缸链条和液压马达链条的间接运动所组成的。 1.5.5 压力控制回路压力控制回路，即利用各种压力阀控制系统或系统某一部分油液压力的回路，实现调压、减压、增压、卸荷和多级压力等控制，满足执行元件对力或转矩的要求。面对不同的液压系统和工作情况，压力控制回路的选择也不同，通常主要为加压和减压。在加压钻进的压力控制回路中，主要分为两种，即溢流阀调压回路和减压回路。溢流阀调压回路中所使用的溢流阀主要起定压溢流的作用，在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量，当系统压力增大时，会使流量需求减小，此时溢流阀就会开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，从而使得有足够稳定的压力来进行钻井。同样

22、，减压回路中，溢流阀可作为卸荷阀来使用，主要起系统卸荷作用。在常用的减压回路中，马达运行的方式主要是由先导压力和恒压来进行控制。但两种控制方式不能同时进行，在不同的条件下有不同的控制方式，当马达的压力低于恒压时，其运行主要通过先导压力；当马达的压力高于恒压时，先导压力无法对马达进行控制，由于恒压的设定，马达会被伺服阀自动控制。如图2-6所示，减压阀可以随时对工作压力进行控制，既方便又可以让各回路的压力互不干扰。图2-6 减压回路钻机作为一种工程设备的存在，其需要对各种复杂的环境所适应。因此钻机制造商为了钻机能够一机多用，于是将多种压力控制回路进行组合，使得钻机能够在不同的要求下进行相应的工作。

23、如图2-7所示，为ZDY1900(MKD一5S)型钻机的液压系统工作原理。图2-7 ZDY1900S型钻机液压系统在背压平衡回路中，将一个单向背压阀串联在回油的液压回路中，如图2-8所示。在进行减压钻机时，多路换向阀处于闲置位置，这样能够保证油箱与液压油缸的两腔联通。为了能够使得回油腔在工作中平衡一部分钻机的自重，通常调整多路换向阀的位置，使其能够产生一定的背压，以此来达到减压钻进的功能。这种回路的特点是能耗小，发热少，能够保证系统的功率需要和动作稳定可靠的运行，不但操作方便，也能够较为容易的对其进行调整和实时监控。加压钻机的时候，应该将进给油缸的回油回路打开，使得其能够释放一部分的背压，于是

24、钻机工作的进给压力恒定于一个稳定的区间。减压的调节依然是通过对油缸中油的体积大小进行调节而改变。图2-8 背压平衡回路将一个可调节的节流阀串在油缸的线路中，便组成了回油节流调压线路，如图2-9所示。在实际中，这种回路比较常用，但在减压钻进工况中，这种回路依然存在许多缺点。首先节流调速控制回路中，很难准确控制压力的大小，并且很难调整压力的准确值。相对于背压的回路，这种回路的性价比不高，钻进速度过慢。当液压系统发生内泄的时候，系统中的节流阀也会发生失效。图2-9 回油节流调压原理图采用将调速阀串联在给进油缸的回油路上上的方法，即可得到利用调速阀控制减压钻进的油路，如图2-10所示, 在功率输出相同

25、的条件下，液压系统具有操作简单，维修方便且液压元件易于运输等优点。在进行液压系统的安装和运输过程中，都较其他的系统有较大优势，能够适应多工况的要求。调速阀和节流阀在这种回路中，有较大的差别。调速阀能够保证系统的进给油缸流量不随系统负载的变化而改变，而节流阀则不具有这一优点。只要阀口的开口量改变，那么其流量很容易受到系统负载的影响。图2-10 调速阀控制减压回路1.5.6 速度控制回路速度与流量是成正比的，被控制的对象虽然是流量，但反映出的效果则是执行机构的速度变因此一般常把流量控制称为速度控制。按被控制执行元件的运动状态、运动方式以及调节方法,速度控制回路有调速、制动、限速和同步回路等。主要为

26、差动回路、双泵合流调速等。差动回路是从无杆腔进油，使有杆腔的油回到无杆腔。在同一压强下，利用无杆腔和有杆腔的面积差，产生压力差，从而驱动液压缸伸出。因为有杆腔的油回到了无杆腔，所以液压缸能以较快速度动作，实现小流量高速度。尽管此回路速度有限，但是能够比较经济的，不增加泵量的前提下，实现快速动作。双泵调速回路中，双泵为一大一小，在进行钻井工作时，大泵提供旋转的能量，小泵提供给进系统工作的能量，双泵共同合作，在钻进时慢速给进，结束时可以进行钻具的快速起下。 以上的设计即考虑到液压钻机给进时对给进机构工作速度的要求，也考虑到起下钻时对给进机构工作速度的要求，可在保证给进压力满足设计要求的同时，还大大

27、增加了钻机的工作效率，减少成本。1.5.7 辅助液压回路在钻机的辅助液压回路中，其主要功能是实现钻机机身的调整，以满足多种倾角的钻孔要求或者实现卡夹机构的夹持和松开等动作，以满足钻进在钻进过程中，对于钻杆的控制等。因此在钻机中的辅助液压回路主要可分为机身起落的液压回路，压控液压回路和卡夹机构液压回路。 1.5.8 控制机身起落的液压回路控制机身起落的液压回路，主要是由溢流阀来调整其所需的状态压力，因为其由油缸下的节流阀来进行工作速度的调节，所以此回路与给进回路有许多共同的地方。在油缸的进油口，串上一个液压锁，便可实现机身的锁紧功能。由于机身的起落动作，仅仅是在钻机工作前后需要完成的调整动作，需

28、要很短的时间，对于钻进的过程也没有什么大的影响，因此在大部分的钻机设计过程中，没有对这种液压回路进行专门的设计，而将此回路附带在其他的液压回路上，在工作的过程中需要用到起落功能的时候，再将此回路引入到工作中，实现机身的起落。但是在引入的过程中，也许会发生油液的泄漏，所以为了更方便的操作，需要用到自封式快速接头来对油管进行连接。1.5.9 控制卡夹机构的液压回路卡夹的主要部分为卡盘和夹持器。在很多情况下，要使钻机正常运行，就需要卡盘之间的配合，比如钻进、升降钻具等。除此之外，卡夹之间的配合还能使钻机的动作更为灵活，单独一个元件和回路无法完成的。因此为了能够使得这些动作能够完成的更协调，需要将卡夹

29、机构进行精确控制和调整。通常情况下，对于卡夹机构的速度和力度等都有精确的要求。卡夹的形式多种多样，需要根据实际的工作状况来进行选用，通常分为常开式、常闭式和全液压松紧式等。当前市场上通用的卡夹机构主要是全液压控制的。这样的设计主要适用于一些大型的钻进机构。近些年来，部分矿用瓦斯抽采钻机也采用了以上的设计, 如图2-11的强力顺煤层全液压钻机液压系统所示，卡盘夹紧采用了蓄能器储存的压力油作用，这在液压系统的设计中都比之甚少。图2-11强力顺煤层全液压钻机液压系统原理图1.6 传统钻机液压回路的特点传统的液压钻机有很多的缺点，我们知道为了能够使得钻机操作方便，并且具有很强的可操作性，我们将钻机的液

30、压系统设计的很简单，主要由定量泵和手动泵控制，这种系统简单，但是自动化程度不高，且容易受环境影响，不容易在多变量的环境中进行长时间的工作。即使在工作的时候，这类钻机工作性比较好，并且不容易出故障，但其对环境的适应能力偏低，在工作的时候会产生大量的能量损耗，钻井的效率偏低，容易受外界的影响，所以其有许多地方需要加强。钻机液压系统优化设计传统的钻机液压系统存在控制性能不稳定、能耗大且钻进效率低下等缺点，因此本文试着对传统钻机的液压系统进行优化设计，使其能够在继承传统钻机液压系统优点的基础上，改进传统钻机液压系统的缺点，在实际的工作应用中，能够提升钻进的效率，降低能耗。1.7 钻头回转液压回路优化设

31、计现在我国大部分的钻机工作在地形情况复杂多变的地带，这些地方地层情况多变，且负载变化频繁，这对于传统的液压系统而言，无疑是无法克服的。由于负载的突变，使得钻头的回转速度也发生相应的改变，这种变化不仅影响钻进的效率，更会引起钻机本身的振动。因此要求钻机在正常工作的时候，能够保持其钻头的回转速度在某个合适的数值范围内保持不变，并且能够实现回转速度的调节。传统的节流阀调速回路中，可以保证在负载不变前提下，保持钻头的稳定速度输出，但是一旦速度发生改变，则无法调整其速度。因此本文提出阀孔负载敏感系统设计，其目的是在负载变化时，也能保证节流阀口前后的压力差不变或者变化极小。如图3-1所示。图3-1 阀控负

32、载敏感系统从根本上来看，阀控负载敏感系统和泵控负载敏感系统有着相当大的区别。阀控敏感系统中，LS信号会从溢流阀流出，这样使得在溢流阀处存在着溢流损失。而泵控负载敏感系统是将负载信号直接反馈至负载敏感泵,因此泵控负载敏感系统相比阀控负载敏感系统没有溢流损失，将全部能量都传递至下一元件，降低了系统的能耗，而且泵控负载敏感系统能够适应多种负载的要求，当负载发生变化时，系统中的流量不会发生较大变化，保证了系统稳定的运行，执行元件便不会被外界的条件所影响，并且维持自身的稳定运转。在单泵多回路系统中，LS负载敏感系统并不是完美无瑕的。因为在系统的流量没有达到饱和的时候，这个系统便会失去平衡。这么看来，LS

33、负载敏感系统，就只采用于单泵单系统。因此大部分的钻机，在其系统中所装配的是双泵独立控制系统。这样，钻机在回转与给进的时候，其流量的分配就会比较平衡，该多的时候就会多，少的时候就少。负载敏感系统，对钻机的设计有着很大的便捷性。比如在岩心钻机中，其在工作的过程中有一个部分就是加压钻进，但是要实现加压钻进，就需要为系统增加一个独立的泵，对钻机的容量进行一个增加，这样钻机的成本就会比较偏高。而加压钻进所占工程时间的比例相对甚少，所以在钻机的设计中加入负载敏感系统，能够有效的使得钻机在加压钻进过程中的适应性。如图3-2所示。图3-2 动力钻头回转回路1.8 动力钻头给进回路优化设计随着时代的发展，在保证

34、钻机能够正常运行的同时，工程设计师们便开始对钻机进行优化，简化其结构，减少其重量，使其更为方便快捷。所以钻机的给进设计通常为单液压缸控制的动力头给进。由于地球的岩石众多，不同的岩层有着不同的结构，所以钻机的钻头需要产生不同的作用力去适应不同的岩层。又由于在钻机的给进系统中，其钻头的速度是由流量来进行控制，为防止流量速度与钻进速度的突变，因此钻机的速度需要维持稳定。在一些特殊的工作环境中，为防止负载超过安全范围，所以需要在回路中设有安全控制阀。如图3-3所示，此为优化过的钻机给进系统液压原理，加压钻进时，三个换向阀同时进行工作，二调到中位。六调至左位。三调到右位。图3-3 钻机给进系统液压原理图

35、通过减压阀4控制给进的压力。减压给进时，为了抵消钻机的部分自重，通常将二位二通换向阀调整至左位，二位三通换向阀移到右位，同时溢流阀开启，为给进油缸的无杆腔产生一个背压。阀3为减压控制吸油控制阀，作用在给进油缸。阀7为动力头浮动控制阀，主要控制动力钻头的浮动。 1.9 行走及卷场控制回路钻机的工作环境一般是较为复杂和较难行进的野外地区。因此为了保证钻机能够在这样复杂的地带行进，必须保证其履带行进速度的恒定性，如果一会快，一会慢，对于复杂路况来说，将对钻机的寿命和元件造成损坏。为了使钻机适应较差路面，还要求钻机的两个履带速度保持一致，并且动作保持统一。以防止两个履带的不同步，造成钻机的突然改变行进

36、方向等事故，同时钻机的工作环境一般空间较小，设计钻机时，应该能够保证其原地的转向，钻机在进行爬坡动作时，还应该有自锁功能保证其不会因为动力不足而滑下山坡。如下图3-4所示，手动液控比例先导阀和阀前补偿负载敏感阀相互配合，作用于两片履带使其运动。在履带进行山坡上坡时，为防止履带进行回转，因此在轨道回路中进行了自锁设计，多路换向阀选用M4-15阀。为防止钻机工作时突发的误操作，需要由一个两位三通的换向阀进行控制液压回路的工作压力。图3-4 履带行走回路液压原理1.10 泥浆泵液压回路优化设计泥浆泵在钻机过程中主要有两方面的作用，一方面是将钻进过程中产生的大量岩屑，经过钻井冷却液带出钻孔外。另一方面

37、是通过泥浆的循环，冷却钻头，润滑钻进过程中钻头和岩壁，减小其摩擦作用，降低功耗，增大钻进的效率。钻机在较松软的地层中钻进时，由于钻进相对比较容易，钻进速度快，因此产生的岩屑较多，此时就需要采用大泵量将岩屑带出孔外。如图3-5所示，为泥浆泵液压原理图。图3-5 泥浆泵液压原理通过以上分析可以看出，驱动泥浆泵的液压回路系统具有很多优点，首先是这个液压系统具有自我保护功能，当系统的压力超过了系统所需的最大压力时，系统自动停止工作，这样就能有效的保护钻机其他元器件的稳定。最后这样的液压系统去驱动的液压马达具有极强的适应环境能力，不但能够保证动力和动作的准确，还能够实现速度等参数的实时调节。泥浆泵液压原

38、理3-5中所示，泥浆泵马达转速通过容积调速回路进行控制，容积调速回路主要是以变量泵进行远程控制的，其中通过减压阀1来调节蓄能器4的压力，蓄能器4可以保证系统压力的稳定为3.5MPa，变量泵作为整个液压系统的动力源，受到远控阀3的调控。以保证其压力适应系统需要。系统的流量和极限压力分别由阀1.1和1.2控制。泵的排量与系统的压力相关，当其增大时，系统的背压增大。图3-6 坑道钻机液压原理图如图 3-6所示，阀39是控制切换阀，其主要功能就是对钻机的立卧状态进行切换。由于钻机工作环境的不确定性，这种设计能够大大的提高钻机对复杂工作环境的适应性。在两种不同的工作状态下，钻机有其不同的操作方式，其各自

39、的操作说明如下。 钻机处于立式工作状态时，首先应该控制液压回路，切断夹持器和液压卡盘的联系，然后调整多路换向阀39至上位，然后调整多路换向阀8，控制油缸15以使双杆移动，这样就可以调整动力钻头的横向位置。当钻头的横向位置确定后，再调整多路换向阀39，使其置于下位。这样钻机就完成了工作状态的转变，在立式状态下，先启动电动机1，这样液压泵就会开始工作，液压油由于压力的增大开始向多路转向阀8流动。换向阀8的位置通过控制液压马达的转动方向来影响着液压缸的状态，当换向阀8没有处在中间位置的时候，液压缸会停止锁紧，只有在换向阀8处于中间位置的时候，液压缸才会处于锁紧的状态。ZDY3200S型煤矿用全液压坑

40、道钻机实例研究1.11 适用范围ZDY3200S型钻机为全液压动力头钻机，其适用性强，在各类工程的应用都较为广泛。由于其转速广，扭矩大，对于各类形式的钻孔都实用，具有成孔速度快、钻孔质量高的优点，在铁路和公路桥梁、煤矿通风井、港口码头及高层建筑等大型基础工程中的应用都比较理想。1.12 型号含义1.13 主要技术参数a. 回转装置：额定转矩 N.m 3200额定转速 r/min 220油马达型号 A6V160MA 油马达排量 ml/r 46160 钻杆直径 mm 73主轴通孔直径 mm 75b. 给进装置：主轴倾角 090最大给进力 kN 112给进速度 m/s 00.22最大起拔力 kN 7

41、7起拔速度 m/s 00.32给进/起拔行程 mm 600 c. 泵站：电动机型号 YBK2-225S-4额定功率 kW 37额定电压 V 380/660额定转速 r/min 1480主油泵型号 A7V78MA（限量63ml/r）额定压力 MPa 35主油泵排量 ml/r 063主油泵流量 l/min 089副油泵型号 10SCY14-1B额定压力 MPa 31.5副油泵排量 ml/r 010副油泵流量 l/min 013液压系统额定压力 MPa 主油泵 22副油泵 22油箱有效容积 L 180d. 整机：适用钻孔深度 m 350/100 终孔直径 mm 150/200主机外形尺寸（长宽高）m

42、m 230011001560钻机质量 kg 20401.14 钻机结构简介此钻机属于组装型设备，主要由主机、泵站、操纵台三大组件组成，每个组件之间可进行快速连接，其便于拆分与组装，携带方便，可适用于不同的工作情景，灵活性较强。主机主要由回转器、夹持器等部分组成，组装快速便捷，当工作环境较为恶劣，不便于运输时，其还可以进行再分解。1.回转器 2.给进装置 3.机架 4.夹持器图4-1 主机1.14.1 回转器回转器是由多个部件组成的，其主要组成部件包括齿轮减速器和胶筒式液压卡盘，除此之外，它的重要组成部件还有斜轴式变量马达。马达是整个回转器的动力来源，而液压卡盘主要实现的是钻具的回转，在这之间就

43、需要齿轮减速器对马达输出动力进行减速。要想改变回转器的速度，可以对马达的排量进行调节。为了实现钻具的给进，可以将其安装在拖板上，这样就可以实现往复运动。液压卡盘的功能非常的多，不仅可以使钻具上下升降，其对于钻具的钻入也有着很大的帮助，除此之外，液压卡盘还可以与钻杆一起使用来进行卡瓦的更换。在进行更换的时候，不可以采用普通的工具来对卡瓦实现压缩然后放到胶筒中，需要使用专用工具来完成。 1.14.2 夹持器夹持器采用的结构是常闭类型的，其加紧采用的是蝶形弹簧。其安放位置为卡瓦座，可以与回转器进行协调合作来完成钻杆的拆卸。另外，还可以将其安放在给进装置前端，这样就可以完成钻具的夹持工作。当其安放在卡

44、瓦座上的时候，卡瓦的进出就受到了销杆的限制，不能够自由退出。当把销杆撤走的时候，卡瓦就可以自由退出。1.14.3 给进装置油缸和机身连接在一起，其活塞杆与拖板固定，这就构成了给进装置，因为油缸的活塞杆一直做伸缩运动，因为其与拖板已经连接在了一起，这就使得拖板连带着回转器作往复运动。拖板采用翻箱式结构与回转器进行连接，两边分别采用销轴与螺栓来完成连接，前者主要是将两者穿连在一起，后者主要是把回转器压在拖板上。如果想让开孔口，可以把螺栓拧送，然后让回转器绕着销轴转动到另一边来完成。给进机身通过锁紧卡瓦固定在机架的立柱及支撑杆的横梁上。1.14.4 机架机架的主要作用是不让钻机的位置发生变动，不仅如

45、此，在机架上还可以安放给进装置。机架包括立柱自己支撑杆，除此之外，其还包括爬履式底座以及支撑油缸等。给进装置的位置可以调换，其角度也可以随意调整，用来调整角度的机构为支撑油缸，进而能够钻出各种角度的孔。对于支撑杆的使用，根据需要配合使用。利用爬履式底座以常规方法可将钻机安装在基台木上。 图4-2 操纵台1.15 操纵台操纵台是钻机的控制装置。由各种控制阀、压力表及管件组成。控制阀之间的不同组合，可以实现钻机的不同功能，比如，回转、给进、卡夹的联动等。在操纵台上一共有6个功能转换手把，一个用来控制马达的回转，一个用来控制起下钻功能，另外一个用来控制夹持，其余三个分别用来控制支撑油缸、副油泵以及给

46、进起拔功能。这六个手把上还有专门的标牌来指明如何操作。除了这六个手把以外，还有五块压力表。在这五块压力表上对重要部位的压力进行了显示，不仅显示了主油泵的压力，还显示了副油泵和起拔压力。除此之外，给进以及回油压力也在压力表上进行了显示。1.16 泵站泵站是钻机的动力源。主要由电动机、双联齿轮泵、油箱、粗过滤器、精过滤器、冷却器、溢流阀、空气滤清器及底座等组成。电动机通过弹性柱销联轴器带动油泵工作，油泵从油箱吸油并输出压力油，进而再输出至操作台进行后后续操作。油箱是液压系统中储存液压油或液压液的专用容器，通常位于油泵上端。在油箱上设有多种保护装置。如：吸油滤油器、回油滤油器等。图4-3 泵站综上所

47、述该钻机有以下特点：a. 钻机由三大件组成、即主机、泵站、操纵台。其便于拆分与组装，携带方便，可适用于不同的工作情景，灵活性较强。b. 机械自动拧卸钻具，夹持器卡瓦容易取出，自动化的操作，降低了工人的劳动强度。通孔直径的增大，对粗径钻具的装卸更为轻松。c. 单油缸直接给进与起拔钻具，结构简单，安全可靠，给进、起拔能力大，提高了钻机处理事故的能力。 d. 采用双泵系统，通过两个独立的泵进行不同的参数调节，使其互不干扰，系统的运行更为稳定。变量油泵和变量马达共同调速，扩大转速和扭矩的可调范围，加强其对环境的适应能力。 e. 回转器通孔直径大，更换不同直径的卡瓦，可用于组装不同直径的钻杆，便于钻杆的

48、切换，同时，钻杆的长度不受装置本身的限制。f. 用支撑油缸调整机身倾角方便省力，安全可靠。g. 通过操纵台进行集中操作，使用者和钻机施工现场保持在安全距离内，保障了使用者的人身安全。 h. 液压系统保护装置完备，加强了钻机装置的安全性，让其工作更为稳定。系统所采用的液压元件，均为我国较为先进的产品，因此其通用性较强。1.17 液压系统工作原理钻机采用回转和给进分别供油的双泵开式循环液压系统。液压系统图如图4所示，工作原理如下：当电动机（1）开始运转以后，低压油流过截止阀（4），之后再流过滤油器（3），最终被吸进主油泵（2），主油泵对其压力进行提升，输出高压油，输出的油进入换向阀（8）。与此同时

49、，低压油流过截止阀（30），之后再流过滤油器（29），最终被吸进副油泵（31），副油泵对其压力进行提升，输出高压油，也进入换向阀（8）。多路换向阀是一个三联阀，左边，右边，中间分别控制马达的转动，支撑油缸的上升和下降，给进油缸的运动。从副油泵中出来的高压油可以进去给进回路来对给进压力进行控制。除此之外，从副油泵中输出的高压油还可以通过卡盘来使钻杆锁紧不动，亦或者流过减压阀来进入给进回路，进而对其压力进行控制。当阀F1处于中位时，操作阀F2或F3，主、副油泵油液合流，实现快速提升。 主油泵中的油要想流回油箱需要经过冷却器（6）经过回油滤油器（5），回油的压力可以看压力表来获取。不仅如此，还可以通

50、过压力表得知滤油器中的干净程度。副油泵回油可进入主油泵回油路，也可以经油路板上的泄油路直接回到油箱。 图4-4 液压系统图总结与展望1.18 总结论文根据国内外钻机的发展现状，首先分析了目前传统钻机的液压系统，其次介绍了目前国内研究比较多的煤矿坑道钻机的液压设计原理和全液压钻机的液压设计原理，最后通过传统钻机和全液压钻机的液压原理的对比，可得到全液压钻机在液压控制方面的优势，并通过仿真分析，对于改进的液压系统进行了验证，对钻机未来发展的趋势的指导。本文以全液压钻机为研究对象,在查阅了国内外钻机液压系统相关的文献和资料,并且根据自己实际的所学，向相关的老师进行咨询等，对钻机的液压系统进行了相关的

51、研究。论文的成果主要体现在以下几个方面：（1）分析了国内外钻机液压系统的发展情况，通过对比国内外最新的钻机发展情况，对于把握当前钻机液压系统的最新发展方向有很大帮助。（2）分析了传统钻机中的液压系统和液压回路，并且对其工作原理和液压原理图进行了分析研究，对于以后钻机液压系统的优化设计奠定了基础。（3）通过分析传统钻机中的液压系统和液压回路，对坑道钻机中的一些液压回路进行了优化设计，通过优化设计，使得新的钻机能够在保证工作效率的前提下，降低工作能耗，使钻机适应变负载的工作环境。1.19 展望由于时间、资料等各方面的原因,笔者在学位论文撰写中仍有不足的地方。在今后的工作过程中，结合钻机液压系统研究

52、以及学位论文撰写过程中的一些问题,将进一步从下面几个方面开展相应工作:（1）创新型的卡盘和夹持器作为新型的液压系统中的创新，应该对其在实际应用的情况进行仿真。（2）由于作者能力有限，因此在本文中只是对进给回路和回转回路进行运动仿真。因此在今后的研究中，应该对整个系统的液压系统进行仿真。（3）当创新型的液压系统完成设计后，应该对其进行可靠性试验验证。以保证新型的液压系统能够正常工作。尤其是针对夹持器的性能的研究，因为夹持器是钻机机构中最为重要的机构。 （4）当坑道钻机的液压系统创新设计完成后，应该对其性能进行动态测试和监测，主要有两方面工作要做。一方面是对液压系统进行动态测试，将不同钻进工艺条件下的液压系统状态进行实时跟踪记录，如果发现有不完善的地方，应该进行继续改进和实验验证；两一方面是对液压系统进行实验验证，并将实验的结果与动态仿真的结果进行比较，结合钻机的钻进表现，选择最优的液压元件，以此来发挥液压系统的最大作用。