摘 要：介紹了一種全液壓式?jīng)_擊-回轉(zhuǎn)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的總體回路，分別對回路的每一部分進(jìn)行了選擇，并對總體回路原理進(jìn)行了分析。
1.引 言
傳統(tǒng)的大口徑工程鉆機(jī)，即單一功能的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或沖擊鉆機(jī)，難以勝任復(fù)雜地層的需要。具有復(fù)合功能的全液壓沖擊-回轉(zhuǎn)鉆機(jī)可以解決復(fù)雜地層施工難 的問題，因該種鉆機(jī)可在土層、砂土層、粘土層等軟地層采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在砂礫、卵礫層、基巖層等硬地層采用沖擊鉆進(jìn)，而且具有價格較低、操作簡單、鉆進(jìn)效率 高的特點[1]。
全液壓沖擊回轉(zhuǎn)鉆機(jī)主傳動采用全液壓式，鉆機(jī)傳動平穩(wěn)、噪聲低、功率消耗小、過載保護(hù)好、鉆機(jī)質(zhì)量輕和體積小并可實現(xiàn)自動沖擊。沖擊行程和沖擊 頻率可無級調(diào)整，適應(yīng)不同工況[2]。由于全液壓鉆機(jī)是指回轉(zhuǎn)和進(jìn)給均采用液壓傳動的方式，因此液壓系統(tǒng)是鉆機(jī)最重要的組成部分，液壓系統(tǒng)的設(shè)計也就成為 全液壓鉆機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵所在。
2.液壓系統(tǒng)回路設(shè)計
2.1傳動方式選擇
按照液壓油的循環(huán)方式，液壓系統(tǒng)主要有開式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)兩種型式。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中液動機(jī)數(shù)量多，并且大多數(shù)液動機(jī)都不適用于閉式循環(huán) 系統(tǒng)。同時鉆機(jī)的一個工作循環(huán)時間較長，液壓系統(tǒng)發(fā)熱量大。為減少液壓泵的數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少液壓元件的維修量，降低系統(tǒng)溫升，鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)選用 開式循環(huán)方式[3]。
2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路
液壓驅(qū)動動力頭的動力裝置通常是液壓馬達(dá)加機(jī)械變速箱。故回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，實質(zhì)上是液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?；剞D(zhuǎn)器常用的基本回路有調(diào)壓-限壓回路、容積調(diào)速回路、換向回路和浮動回路等。
2.3 進(jìn)給機(jī)構(gòu)液壓回路
根據(jù)鉆進(jìn)工藝對進(jìn)給機(jī)構(gòu)的要求，進(jìn)給機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的功能主要有：
(1)進(jìn)給力，給進(jìn)速度和提升力，提升速度能無級調(diào)速;
(2)可以進(jìn)行減壓鉆進(jìn)和強(qiáng)力起拔鉆具;
(3)能使動力頭軸向浮動，在動力頭不工作時，能停止在其導(dǎo)軌的任意位置上。進(jìn)給液壓回路必須包括壓力控制回路、調(diào)速回路、制動回路、方向控制回路。
2.4 卡夾機(jī)構(gòu)液壓回路
根據(jù)鉆機(jī)工作需要，卡夾機(jī)構(gòu)液壓回路設(shè)計，關(guān)鍵是壓力控制回路和順序動作回路?？ūP和夾持器的配合類型采用常開式卡盤-常閉式夾持器[2]。
2.5 夾持-制動機(jī)構(gòu)的液壓回路
為提高下鉆效率，采用孔口夾持器與制動器配合投放式下放鉆具。鉆具下滑速度由鉆桿制動器卡夾控制鉆桿夾緊力的大小。夾持-制動機(jī)構(gòu)液壓回路主要 是壓力控制回路。夾持-制動機(jī)構(gòu)的夾持器采用的是彈簧卡緊、液壓松開的常閉式。制動器為液壓卡緊，彈簧松開的常開式。松開夾持器所需的液壓力為一定值，制 動器制動時所需的液壓力則隨制動力的要求而改變。因此，夾持-制動機(jī)構(gòu)的壓力控制回路即為恒壓回路和調(diào)壓回路。
3.液壓系統(tǒng)原理分析
根據(jù)以上各功能回路選擇和分析，本文所述的液壓傳動系統(tǒng)通過操縱有關(guān)的控制元件，實現(xiàn)給進(jìn)液壓缸、沖擊液壓缸和回轉(zhuǎn)器液壓馬達(dá)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種運動，以完成鉆機(jī)的各種鉆進(jìn)工藝[4-5]。該液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
3.1 加壓和減壓鉆進(jìn)
加壓鉆進(jìn)時，回轉(zhuǎn)換向閥接上框，鉆桿卡夾閥置于中位，高壓油驅(qū)動液壓馬達(dá)正向旋轉(zhuǎn)，并流入卡盤液壓缸使之夾緊鉆桿;同時高壓油又經(jīng)單向節(jié)流閥進(jìn) 入夾持器液壓缸，使之松開。由于夾持器中的彈簧作用力大于卡盤中的彈簧作用力，并且有單向節(jié)流閥的節(jié)流阻力，因此夾持器液壓缸的工作壓力比卡盤液壓缸的工 作壓力滯后，從而卡盤先卡緊鉆桿，夾持器后松開。將給進(jìn)換向閥接通上框，使回轉(zhuǎn)換向閥節(jié)流槽流出的少量壓力油進(jìn)入給進(jìn)液壓缸上腔，使活塞桿向下運動，進(jìn)行 加壓給進(jìn)。減壓鉆進(jìn)時，將給進(jìn)換向閥和鉆桿卡夾閥都置于中位，回轉(zhuǎn)換向閥不變，此時給進(jìn)液壓缸下腔回油，調(diào)節(jié)調(diào)速閥過流面積的大小，使下腔獲得適當(dāng)?shù)谋硥?平衡部分鉆具重力，實現(xiàn)減壓鉆進(jìn)。
3.2 提升和下放鉆具
從孔底提升鉆具時，回轉(zhuǎn)換向閥置于中位，液壓馬達(dá)浮動，給進(jìn)換向閥接通下位。鉆桿卡夾閥接通上位。高壓油進(jìn)入給進(jìn)液壓缸下腔，卡盤液壓缸和夾持 器。因為卡盤中的彈簧力小于夾持器中的彈簧力，卡盤先夾緊，夾持器后松開。下放鉆具時，將給進(jìn)換向閥接通上位，卡夾換向閥接通下位，給進(jìn)液壓缸向上運動， 其中卡盤、夾持器動作與提升鉆具一樣。
3.3擰接和卸開鉆桿
擰接鉆桿時，給進(jìn)換向閥置于中位，給進(jìn)液壓缸浮動?；剞D(zhuǎn)換向閥接通上位，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，鉆桿卡夾閥接通上位或下位，部分高壓油經(jīng)單向閥進(jìn)入卡盤 液壓缸，卡盤卡緊鉆桿，夾持器經(jīng)鉆桿卡夾閥回油，同時卡緊鉆桿，即可將鉆桿螺紋擰緊。由于高壓油進(jìn)入卡盤液壓缸時受到彈簧的阻力，而夾持器回油卸壓時卻受 到彈簧的推動力，因此，夾持器先于卡盤卡緊鉆桿。卸開鉆桿時，回轉(zhuǎn)換向閥接通下位，其余換向閥不變，液壓馬達(dá)帶動卡盤反轉(zhuǎn)。此時，給進(jìn)液壓缸隨動力頭移 動。由于高壓油必須經(jīng)過延時閥才能進(jìn)入卡盤液壓缸，因此，卡盤是在隨液壓馬達(dá)先轉(zhuǎn)起來，具備一定的轉(zhuǎn)動慣量以后，再卡緊鉆桿的，有利于卸開鉆桿接頭的第一 道螺紋。
3.4沖擊鉆進(jìn)
沖擊鉆進(jìn)時，將手動沖擊控制閥置于下位。此時電磁換向閥位于下位，壓力油接通主換向閥組中間4個錐閥的上腔和兩旁錐閥的下腔，它們的另一腔通低 壓。故中間4 閥旁油路關(guān)閉，其余兩閥則開啟。高壓油分別進(jìn)入左右沖擊液壓缸的下腔，上腔回油，活塞桿組件提升鉆具。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定高度時，電磁換向閥換位，接通下位，此時 兩旁錐閥上下通高壓油，由于面積差，錐閥下移，旁油路關(guān)閉，將沖擊液壓缸下腔與壓力油路切斷，而與中間4閥的旁油路連通。這時沖擊液壓缸上下腔均通低壓 油，沖擊鉆具在自重作用下下落。
4.結(jié) 語
根據(jù)鉆機(jī)工作要求完成了液壓系統(tǒng)總體回路設(shè)計。該回路能較合理地利用泵的功率，減少系統(tǒng)壓力的干擾，并簡化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，使鉆機(jī)能實現(xiàn)沖擊和回轉(zhuǎn)功能，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，能夠加壓或減壓鉆進(jìn)。
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