架柱式鉆機(jī)全液壓自動(dòng)控制裝置的研究

張戚

(北汽福田汽車股份有限公司，北京101400)

架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是近年來廣泛應(yīng)用于煤礦、勘探等工程現(xiàn)場(chǎng)的主要施工裝備之一，適用于放頂炮孔、放水孔、瓦斯抽放孔、注漿孔、地址勘探孔及其他工程用孔，適用于巖石堅(jiān)固性系統(tǒng)f≤10 的各種煤層、巖層。鉆機(jī)可在基本參數(shù)表中規(guī)定的方位角和傾角范圍內(nèi)任意鉆孔，可配多種形式及規(guī)格的鉆具使用，適用不同鉆探要求。

它采用全液壓驅(qū)動(dòng)無極變速，鉆機(jī)破巖速度快，鉆程長(zhǎng)且省時(shí)省力，主要由泵站、主機(jī)、操作臺(tái)等部分組成。其中主機(jī)主要包括液壓推進(jìn)、液壓頂緊及液壓旋轉(zhuǎn)等部分。圖1 為架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)實(shí)物圖。

圖1 架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)實(shí)物圖

泵站通過防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換成頂緊油路、旋轉(zhuǎn)油路和進(jìn)給油路的液壓能(壓力油)，再通過操縱臺(tái)上的單向閥和換向閥組將壓力油輸送到液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的各種功能，具體動(dòng)作原理參見圖2。

圖2 原架柱式鉆機(jī)液壓原理圖

這是一種架柱式鉆機(jī)現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品普遍采用的技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工效率高，且操作方便、實(shí)用，由于采用了全液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及防爆電機(jī)，整機(jī)不存在電信號(hào)控制，因而杜絕了電火花產(chǎn)生的可能，滿足了高瓦斯地下坑道施工的環(huán)境要求。

架柱式鉆機(jī)在驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭向前做進(jìn)給時(shí)，立柱頂緊裝置必須頂緊坑道頂、底面而固定，要求頂緊油缸頂緊且其液壓系統(tǒng)壓力必須大于一定值，以確保整個(gè)鉆機(jī)在前向鉆孔作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生傾倒翻機(jī)事故。頂緊液壓系統(tǒng)壓力由操作臺(tái)上的一只液壓表顯示，嚴(yán)格要求操作人員在對(duì)鉆機(jī)進(jìn)給油缸系統(tǒng)的操作施工中，要時(shí)刻注意鉆機(jī)頂緊裝置液壓系統(tǒng)的壓力表值變化，當(dāng)其壓力低于一定值時(shí)，務(wù)必人工先給頂緊裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行充壓操作。這就增加了施工人員操作負(fù)擔(dān)，在惡劣的施工環(huán)境下也極易因疏忽造成整機(jī)傾倒的翻機(jī)事故。

1 架柱式鉆機(jī)液壓自動(dòng)切換原理

針對(duì)架柱式鉆機(jī)存在的上述問題，文中利用螺紋插裝閥等常用液壓元件，研究出了一種能實(shí)現(xiàn)架柱式鉆機(jī)頂緊油缸系統(tǒng)充壓及其進(jìn)給油缸系統(tǒng)工作這兩種狀態(tài)全液壓自動(dòng)切換控制的裝置。圖3 顯示了該自動(dòng)切換裝置在架柱式鉆機(jī)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

圖3 架柱式鉆機(jī)液壓新系統(tǒng)原理圖

比較圖2 與圖3 可知:架柱式鉆機(jī)液壓新系統(tǒng)中僅增用了一個(gè)全液壓控制的自動(dòng)切換閥組。該全液壓自動(dòng)切換閥組是由常用的幾種Vickers 閥組合而成，見圖4。

圖4 自動(dòng)切換閥組原理圖

現(xiàn)結(jié)合圖3、圖4 說明全液壓自動(dòng)切換閥組的工作原理。當(dāng)施工人員完成鉆機(jī)的移動(dòng)、安裝后，首先操作操作臺(tái)上的頂緊操作閥，立柱上的頂緊油缸伸展，使立柱撐固住施工坑道的頂、底板，再使頂緊操作閥復(fù)中位，這時(shí)雙聯(lián)齒輪泵中小泵開始通過頂緊操作閥中位向自動(dòng)切換閥組供油，自動(dòng)切換閥開始進(jìn)入下述工況:

(1)初始充液工況。這時(shí)單向閥5 后的頂緊油缸系統(tǒng)壓力低于低壓調(diào)節(jié)壓力值p頂＜p低壓，說明立柱頂緊坑道頂、底板力量不足，不能啟動(dòng)進(jìn)給油缸進(jìn)給施工，閥1 開啟，閥2、閥3、閥4 在彈簧力作用下均工作在左位，切換閥向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓。

(2)充液向進(jìn)給切換的工況。由于切換閥向頂緊油缸系統(tǒng)充壓，單向閥5 后的頂緊油缸內(nèi)壓力持續(xù)上升，當(dāng)p低壓＜p頂＜p高壓時(shí)，閥1 斷開，但單向閥5后的壓力仍可以通過閥3、閥2 作用到閥4 左彈簧腔，彈簧力作用下閥4 仍處于左位，切換閥繼續(xù)向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓，p頂繼續(xù)上升，當(dāng)p低壓＜p高壓＜P頂時(shí)，閥1 斷開，閥2 工作在右位，閥3、閥4 左彈簧腔通過閥2 泄油，閥3、閥4 工作到右位，這時(shí)，自動(dòng)切換閥斷開向頂緊油缸系統(tǒng)的充壓供油，切換到向進(jìn)給系統(tǒng)供油的工況，由于單向閥5 的作用，頂緊油缸系統(tǒng)將長(zhǎng)時(shí)間保壓。

(3)進(jìn)給向充液切換的工況。保壓中的頂緊油缸系統(tǒng)，由于內(nèi)、外泄漏的客觀存在，實(shí)際系統(tǒng)壓力p頂將緩緩下降，當(dāng)p低壓＜p頂＜p高壓時(shí)，閥2 由右位切換到左位，但閥1、閥3 仍然處于斷開狀態(tài)，閥3、閥4 的左端彈簧腔壓力依然為0，閥4 依然工作在右位，繼續(xù)向進(jìn)給油缸系統(tǒng)工作供油、不給頂緊油缸系統(tǒng)充壓供油。當(dāng)p頂繼續(xù)下降至p頂＜p低壓＜p高壓時(shí)，閥1 由斷開切換到接通狀態(tài)，單向閥5 后的液壓壓力通過閥1 作用到閥3、閥4 兩閥左端彈簧腔，在彈簧力作用下閥3 再次接通，而閥4 的閥芯切換為左位，自動(dòng)切換閥將向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓，同時(shí)斷開向進(jìn)給油缸系統(tǒng)的工作供油。

(4)充液再次向進(jìn)給切換的工況。自動(dòng)切換閥向頂緊油缸系統(tǒng)充壓，頂緊油缸內(nèi)壓力p頂將再次上升，當(dāng)p低壓＜p頂＜p高壓時(shí)，閥1 斷開，但單向閥5 后的壓力仍可以通過閥3、閥2 作用到閥4 左彈簧腔，彈簧力作用下閥4 仍處于左位，切換閥繼續(xù)向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓，p頂繼續(xù)上升，當(dāng)p低壓＜p高壓＜p頂時(shí)，閥1 斷開，閥2 工作在右位，閥3、閥4 左彈簧腔通過閥2 泄油，閥3、閥4 工作到右位，于是自動(dòng)切換閥斷開向頂緊油缸系統(tǒng)的充壓供油，再次切換到向進(jìn)給系統(tǒng)供油的工況。

全液壓自動(dòng)切換閥的上述工作原理，可用表1 所列的各閥工作狀態(tài)表來概括。

表1 各閥工作狀態(tài)表

2 架柱式鉆機(jī)自動(dòng)切換裝置及功能

2.1 全液壓自動(dòng)切換裝置

架柱式鉆機(jī)全液壓自動(dòng)切換裝置充分利用市場(chǎng)常用液壓元件來實(shí)現(xiàn)，閥1、閥2、閥3、閥5 均采用Vickers 螺紋插裝閥，而閥4 采用了Vickers 板式安裝的液控?fù)Q向閥。圖5 為全液壓自動(dòng)切換閥組圖，圖6為全液壓自動(dòng)切換閥組內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖5 全液壓自動(dòng)切換閥組圖

圖6 全液壓自動(dòng)切換閥組A－A 剖視圖

2.2 自動(dòng)切換裝置應(yīng)用回路功率特性p－Q 圖

圖3 所示的自動(dòng)切換裝置能完成對(duì)頂緊油缸系統(tǒng)加載、卸載，同時(shí)能自動(dòng)切換成給進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油工作，相應(yīng)回路的功率特性可用圖7 所示的p－Q 圖進(jìn)行圖解分析。

圖7 中p、Qp分別為液壓泵的輸出壓力和流量;其中的點(diǎn)A 為液壓泵對(duì)頂緊油缸系統(tǒng)充壓結(jié)束、切換為向進(jìn)給油缸供油工作的臨界狀態(tài)工作點(diǎn) (Qp、p高壓);點(diǎn)B 為液壓泵停止對(duì)進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油、切換為向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓的臨界狀態(tài)工作點(diǎn)(Qp、p低壓);點(diǎn)C 為液壓泵在各操作多路閥中位卸荷時(shí)的工作點(diǎn) (Qp、p0);線段BA 為液壓泵向頂緊油缸系統(tǒng)供油沖壓工況工作點(diǎn)軌跡;pm為液壓泵在充壓工況的平均輸出壓力。則不難得出液壓泵在向頂緊油缸系統(tǒng)充壓、向進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油工作及油泵卸荷，這3 種工況下所耗功率分別為:

圖7 裝置應(yīng)用回路工作狀態(tài)p－Q 圖

N1=S0Qp21

N2=S0QpDp進(jìn)給

N3=S0QpCp0

在人工充壓不能自動(dòng)切換到進(jìn)給供油的狀態(tài)下，能節(jié)省的功率ΔN 為

ΔN=N1－N3=SCp012

而在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能后，當(dāng)液壓泵給頂緊油缸系統(tǒng)充壓完成后將立即切換到向進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油工作，此時(shí)液壓油泵所耗功率N2依然為工作的有效功率，這種情況下能節(jié)省的功率ΔN'

ΔN' = N1=S0Qp21

顯然，自動(dòng)切換裝置的應(yīng)用將使系統(tǒng)節(jié)省更多的功率。由于兩種工況是自動(dòng)無間隔切換，比人工切換控制在效率上也將有所提高。

3 裝置回路主要功能及與傳統(tǒng)回路比較

3.1 全液壓自動(dòng)切換裝置的主要功能

全液壓自動(dòng)切換裝置的主要功能如下:

(1)自動(dòng)檢測(cè)頂緊油缸液壓系統(tǒng)的壓力，與頂緊油缸系統(tǒng)構(gòu)成自動(dòng)充壓回路，無需人工控制。

(2)頂緊油缸系統(tǒng)壓力區(qū)間任意控制，壓力區(qū)間Δp=p高壓－p低壓，p高壓及p低壓均可調(diào)節(jié)。

(3)實(shí)現(xiàn)頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓與進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油工作液壓上的互鎖功能，消除了安全隱患。

這種全液壓自動(dòng)切換裝置，與頂緊油缸系統(tǒng)、進(jìn)給油缸系統(tǒng)構(gòu)成的自動(dòng)充壓及進(jìn)給工作系統(tǒng)，不僅能使頂緊油缸系統(tǒng)在設(shè)定的p低壓到p高壓壓力區(qū)間內(nèi)工作，避免了人工對(duì)頂緊油缸系統(tǒng)頻繁的充壓操作，提高了生產(chǎn)效率，也由于兩系統(tǒng)在液壓上的互鎖，避免了由于操作疏忽造成翻機(jī)傾覆的可能，提高了安全可靠性?？刂频膲毫^(qū)間任意可調(diào)、自動(dòng)切換進(jìn)給與充壓、進(jìn)給與充壓液壓鎖定成為此裝置的3 個(gè)顯著特點(diǎn)。

3.2 回路比較

圖8 是采用雙壓力繼電器與電磁換向閥配合，實(shí)現(xiàn)頂緊油缸系統(tǒng)壓力可調(diào)式自動(dòng)切換系統(tǒng)。此回路的工作原理是:工作時(shí)，液壓泵首先向頂緊油缸系統(tǒng)充壓，壓力將逐漸上升，低壓力繼電器、高壓力繼電器將逐個(gè)動(dòng)作，當(dāng)?shù)汀⒏邏毫^電器均發(fā)出動(dòng)作信號(hào)時(shí)，電磁換向閥切換，油泵向進(jìn)給油缸系統(tǒng)供油工作;頂緊油缸系統(tǒng)壓力在保壓的過程中，壓力將緩緩下降，當(dāng)?shù)?、高壓力繼電器均不發(fā)出動(dòng)作信號(hào)時(shí)，電磁換向閥再次切換，油泵向頂緊油缸系統(tǒng)供油充壓。

圖8 雙壓力繼電器自動(dòng)切換系統(tǒng)

此控制回路的特點(diǎn)是靠?jī)蓧毫^電器的電氣動(dòng)作發(fā)出控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，屬電、液聯(lián)合控制回路。下面以表2 所列內(nèi)容，對(duì)圖4、圖8 兩個(gè)自動(dòng)切換回路作簡(jiǎn)單比較。

表2 兩回路工作特性比較

4 結(jié)論

針對(duì)架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，利用市場(chǎng)常用的液壓元件，研究出一種全液壓自動(dòng)控制裝置，反應(yīng)靈敏、工作可靠、安全性好、效率高，全液壓控制也適應(yīng)高防爆要求場(chǎng)地施工，因此，該自動(dòng)切換裝置技術(shù)必定具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］成大先．液壓傳動(dòng):機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［2］徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［3］章宏甲，黃誼，王積偉．液壓與氣壓傳動(dòng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．