基于負(fù)載敏感技術(shù)的定向鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)研究

劉小華，辛德忠，萬軍，王志紅

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400039; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

基于負(fù)載敏感技術(shù)的定向鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)研究

劉小華1，2，辛德忠1，2，萬軍1，2，王志紅1，2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400039; 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

針對(duì)千米定向鉆機(jī)給進(jìn)工況對(duì)給進(jìn)系統(tǒng)的要求，通過對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)給進(jìn)控制的分析對(duì)比，利用負(fù)載敏感的基本原理，開發(fā)出千米定向鉆機(jī)的負(fù)載敏感給進(jìn)液壓系統(tǒng)。采用系統(tǒng)仿真軟件AMESim對(duì)千米定向鉆機(jī)的給進(jìn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，并通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:該給進(jìn)控制系統(tǒng)具有流量與負(fù)載無關(guān)控制能力，有較好的調(diào)速性能，能夠較好地滿足千米定向鉆機(jī)使用要求，可為同類鉆機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和方法。

負(fù)載敏感;定向鉆機(jī);給進(jìn)液壓系統(tǒng);建模與仿真

近年來，隨著我國煤炭綜采技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對(duì)瓦斯抽放量和抽放效率提出了更高的要求。在井下瓦斯抽采中，千米定向鉆機(jī)的使用，在一個(gè)鉆場(chǎng)可進(jìn)行多個(gè)分支孔的鉆進(jìn)施工，減少了鉆機(jī)的搬運(yùn)，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了煤層瓦斯的抽放半徑和抽放效率，從而有效地保證了煤礦的安全生產(chǎn)，為礦產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在千米定向鉆機(jī)的施工過程中，特別是在開分支孔的時(shí)候，鉆機(jī)需要在每分鐘幾毫米的給進(jìn)速度下運(yùn)行，在這種高壓小流量的工況下，速度的控制精度和系統(tǒng)節(jié)能就顯得尤為重要。負(fù)載敏感控制在這種高壓小流量工況下的運(yùn)用，解決了控制的高精度和能量的低損耗問題。

1 普通鉆機(jī)給進(jìn)速度控制方法

液壓系統(tǒng)中常用的速度控制系統(tǒng)大體可分為三類:

(1)節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。即由流量控制閥、溢流閥、定量泵與液壓缸和液壓馬達(dá)組成，通過改變流量控制閥的通流面積來調(diào)節(jié)流入或流出執(zhí)行元件的流量，從而調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。

(2)容積調(diào)速系統(tǒng)?？扛淖儽没蝰R達(dá)以及同時(shí)改變泵和馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。

(3)容積節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。即利用變量泵和流量控制閥組合而成的一種調(diào)速系統(tǒng)。

鉆機(jī)給進(jìn)控制，其實(shí)質(zhì)是控制鉆機(jī)的給進(jìn)壓力，通常采用定量泵的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，而調(diào)節(jié)元件一般分為流量控制元件和壓力控制元件。

如圖1所示，在流量控制閥的調(diào)速系統(tǒng)中，將節(jié)流閥安裝在換向閥與執(zhí)行元件之間的進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)(圖1(a))，例如ZL系列鉆機(jī)，溢流閥始終處于開啟狀態(tài)，多余的流量通過溢流閥溢流回油箱，產(chǎn)生了大量的溢流損失，所以此類鉆機(jī)一般功率和扭矩以及給進(jìn)力都比較小，能量損失及發(fā)熱較大。而將節(jié)流閥安裝在執(zhí)行元件進(jìn)口與油箱之間的旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)(圖1(b))，例如ZY系列鉆機(jī)，其多余的流量通過節(jié)流閥回油箱，能量損失相對(duì)較小，但是負(fù)載特性較差。

圖1 普通鉆機(jī)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

在壓力控制閥的調(diào)速系統(tǒng)中，普遍采用的是進(jìn)口減壓給進(jìn)和旁路溢流給進(jìn)，其安裝位置和節(jié)流閥的安裝位置一樣，進(jìn)口減壓給進(jìn)的鉆機(jī)有ZDY系列鉆機(jī)，旁路溢流給進(jìn)的鉆機(jī)有ZYW系列鉆機(jī)，用壓力閥代替節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng)，有更好的負(fù)載特性。

2 負(fù)載敏感控制原理

如圖2所示，負(fù)載敏感系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)1、負(fù)載敏感變量泵2、閉中心的比例換向閥3和執(zhí)行元件4組成。而負(fù)載敏感變量泵通常由變量泵2.1、流量補(bǔ)償閥2.2、限壓閥2.3和變量活塞2.4組成。

圖2 負(fù)載敏感控制原理

當(dāng)比例換向閥3處于中位時(shí)，變量泵會(huì)產(chǎn)生一定的壓力油使流量補(bǔ)償閥換向，讓負(fù)載敏感變量泵工作在低壓小流量的待機(jī)狀態(tài);當(dāng)比例換向閥3換向時(shí)，將工作口的壓力信號(hào)反饋到流量補(bǔ)償閥上，根據(jù)閥口的開度所產(chǎn)生的壓降與流量補(bǔ)償閥相互作用便可得到一個(gè)負(fù)載所需的流量;當(dāng)遇到足夠大的負(fù)載時(shí)，壓力升高到打開限壓閥，此時(shí)反饋回來的壓力與泵出口壓力相等，使泵變至最小排量，泵就工作在高壓小流量的待機(jī)狀態(tài)。

3 定向鉆機(jī)給進(jìn)控制原理

如圖3所示，電動(dòng)機(jī)1為整個(gè)系統(tǒng)提供能源;負(fù)載敏感變量泵2為系統(tǒng)提供所需的壓力和流量;負(fù)載敏感多路閥3作為主閥，限制系統(tǒng)最高壓力和A/B口的工作壓力，擔(dān)任油路的換向工作，液壓油經(jīng)過負(fù)載敏感多路閥3進(jìn)入推進(jìn)油缸4從而推動(dòng)鉆桿做直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將工作油口的壓力反饋到負(fù)載敏感泵2的控制口，通過手動(dòng)比例調(diào)壓閥組改變多路閥3的閥口開度，從而控制泵的排量，得到鉆桿所需的特定速度。

圖3 液壓原理圖

4 給進(jìn)的負(fù)載敏感系統(tǒng)AMESim建模

如圖4所示，用液壓元件設(shè)計(jì)庫 (HCD)的模塊組合在一起模擬負(fù)載敏感變量泵的流量補(bǔ)償閥和限壓閥，用兩個(gè)單向閥代替液壓系統(tǒng)圖中的梭閥，并與比例換向閥、等差減壓閥、溢流閥一同模擬負(fù)載敏感多路閥。而液壓系統(tǒng)圖中的手動(dòng)比例調(diào)壓閥組屬于一個(gè)控制信號(hào)，用AMESim軟件信號(hào)庫中的控制信號(hào)代替。為了簡化負(fù)載，僅對(duì)單活塞雙作用油缸進(jìn)行模擬，采用信號(hào)輸入模擬負(fù)載阻力，從而建立起一個(gè)千米定向鉆機(jī)給進(jìn)的負(fù)載敏感系統(tǒng)的AMESim仿真模型。

圖4 AMESim仿真模型

5 AMESim仿真分析

因?yàn)榍锥ㄏ蜚@機(jī)為兩根油缸并聯(lián)給進(jìn)，為簡化仿真模型，僅對(duì)一根油缸進(jìn)行模擬，因此在泵的排量設(shè)定時(shí)，按實(shí)際情況計(jì)算并設(shè)定排量。根據(jù)千米定向鉆機(jī)正常給進(jìn)工況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)設(shè)置

5.1 負(fù)載為斜坡載荷的AMESim仿真

控制信號(hào)為恒定最大信號(hào) (圖5)，在前20 s負(fù)載從0線性變化到50 kN，到t=20 s時(shí)突然增加到80 kN，從t=20 s到t=40 s，負(fù)載從80 kN線性變化到120 kN，仿真曲線見圖6—8。

圖5 斜坡負(fù)載曲線

圖6 壓力曲線

圖7 泵流量曲線

圖8 負(fù)載速度曲線

5.2 負(fù)載為交變載荷的AMESim仿真

從0～40 s期間，如圖9所示，施加100 kN、振幅為10 kN的交變負(fù)載，頻率為0.1 Hz，仿真曲線如圖10—12所示。

圖9 交變負(fù)載曲線

圖10 壓力曲線

圖12 負(fù)載速度曲線

圖11 泵流量曲線

5.3 恒負(fù)載下的斜坡控制信號(hào)AMESim仿真

在給進(jìn)油缸上作用一個(gè)50 kN的恒負(fù)載，對(duì)控制信號(hào)做斜坡輸入，見圖13，讓閥芯的開度從零線性變化到最大，仿真曲線如圖14—16所示。

圖14 壓力曲線

圖13 斜坡控制信號(hào)曲線

圖16 負(fù)載速度曲線

圖15 泵流量曲線

通過以上的仿真曲線可以看出:

(1)泵的出口與油缸進(jìn)口有一個(gè)穩(wěn)定的壓差，這個(gè)壓差實(shí)際上是定差減壓閥的調(diào)定值;

(2)在行程終端的液壓沖擊，使系統(tǒng)壓力突變至溢流閥開啟壓力，然后降至泵的最高設(shè)定壓力，因?yàn)榇藭r(shí)泵的限壓閥換向，使泵處于在高壓小排量待機(jī)狀態(tài);

(3)在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)壓力跟隨負(fù)載變化，泵的流量和負(fù)載的運(yùn)行速度基本沒有改變，負(fù)載速度與控制信號(hào)基本一致，說明負(fù)載敏感系統(tǒng)的速度與負(fù)載無關(guān)，其速度由控制信號(hào)決定，且具有較好的負(fù)載特性。

6 結(jié)束語

根據(jù)千米定向鉆機(jī)給進(jìn)工況的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了給進(jìn)的負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。利用液壓行業(yè)廣泛采用的AMESim仿真軟件對(duì)給進(jìn)的負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，對(duì)仿真曲線的分析表明:該給進(jìn)控制系統(tǒng)具有流量與負(fù)載無關(guān)控制能力，有較好的速度控制特性，能很好地滿足千米定向鉆機(jī)的特殊工況。該負(fù)載敏感系統(tǒng)已經(jīng)用于ZYWL-6000D千米定向鉆機(jī)中，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)的使用情況看:該系統(tǒng)給進(jìn)調(diào)速性能良好，尤其是在開分支孔的低速工況下，有優(yōu)異的調(diào)速性能和速度穩(wěn)定性，能夠滿足鉆機(jī)各種工況的要求，可為同類鉆機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和方法。

【1】范存德.液壓技術(shù)手冊(cè)［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.5.

【2】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

【3】官忠范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【4】薩澳－丹佛斯.靜液壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品綜合技術(shù)文獻(xiàn)，2006.

【5】王紀(jì)森，林志綱.基于AMESim的負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真與分析［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(8):78－79.

【6】吳曉光，宋海濤，殷新勝，等.基于AMESim的鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(3): 163－164.

Research on the Feed System of Directional Drilling Rig with Load Sensing Technology

LIU Xiaohua1，2，XIN Dezhong1，2，WAN Jun1，2，WANG Zhihong1，2
(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corporation，Chongqing 400039，China; 2.Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology National Key Lab，Chongqing 400039，China)

Through analyzing the requirements of kilometers directional drilling rig feeding condition to feeding system and contrasting feed control of existing drill，a load-sensitivity feeding hydraulic system was designed for kilometers directional drilling rig using load sensitive principle.The feeding hydraulic system model of kilometers directional drilling rig was built by the system simulation software AMESim.The tests in laboratory and field show that there are no relation between flow and load in the feeding control system，and it is good at control performance，it can meet the operating requirements of kilometers directional drilling rig.It provides theory and methods for the drill design and test.

Load-sensitivity;Directional drilling rig;Feeding hydraulic system;Modeling and simulation

TH137

A

1001－3881(2014)7－013－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.07.004

2013－03－22

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目 (2011ZX05041-001-002)

劉小華 (1981—)，男，碩士，助理工程師，主要從事鉆機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。E－mail:xiaohua963@163.com。