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《应用插装阀的反井钻机液压系统设计》

内容来源:机械设计与制造工程      浏览次数:37      更新时间:2019-09-30

应用插装阀的反井钻机液压系统设计

 ,杨永军

(江苏省机械研究设计院有限责任公司,江苏 南京 210012)

作者简介:〖HTSS〗王海(1985—),男,工程师,主要从事非标机械设备研发、液压件产品质量检验和技术服务工作,wanghaiml@163.com.

 

摘要:针对常规反井钻机液压系统存在结构复杂、布局分散的问题,设计了闭式液压系统,采用插装阀功能模块,实现压力、方向、顺序控制功能,具有集成化程度高、结构紧凑的优点。实际应用结果表明,该系统在能源利用率、可靠性等方面均有所提升。

关键词:反井钻机;液压系统;插装阀;设计

中图分类号:TH137.7TD41 文献标识码:A 文章编号:2095-509X(2019)07-0071-03

 

反井钻机是利用液压系统中的马达驱动导孔钻头或扩孔钻头,同时由液压缸提供轴向推进力,对岩石产生挤压或冲击来进行钻孔作业。作业产生的破碎岩石通过导孔,在自身重力作用下,坠落到下方的巷道中,由矿车直接清理运出。反井钻机钻孔速度快,岩石清运方便,在越来越多的钻井工程中都有应用。反井钻机的工作场合大多是在井下,具有拆装、运输不便,空间狭小,工况条件差,连续运转周期长等特点,故本文选用故障率低、抗污染能力强、通流能力大的插装阀作为主要控制元件[1-2],结合闭式系统集成化程度高、占地小的特点,以及开式系统过滤、冷却效果好的优点,对反井钻机液压系统进行设计。

 

1 主要设计参数

反井钻机液压系统原理图如图1所示,分为主油路系统和辅助油路系统。主油路控制马达驱动钻头的正、反运转;辅助油路控制液压缸执行钻头工进、角度调整、框架翻转、机构夹紧等动作。主油路总装机功率为150kW,设计工作压力为20MPa,最大输出流量为480L/min,采用双油泵配置,油泵最大排量为160mL/r,最高工作压力为31.5MPa,选用斜轴式柱塞泵,其具有自吸性能好、抗污染能力强的特点,因采用带负荷敏感控制组件,所以泵能根据负载自动改变输出压力-流量特性,使系统兼具效率高、发热小的优点。马达为双速径向柱塞式,采用液压控制两级调速,低速时排量约为6 000mL/r,高速时排量约为3 000mL/r,具有输出扭矩大、低速性能好、运行平稳的特点,满足钻机在导孔和扩孔时对钻头转矩、转速的不同要求,从而可最大化提升工作效率。辅助油路为单油泵配置,装机功率22kW,选用带负荷敏感控制的斜轴式变量柱塞泵,设计工作压力为25MPa,最大输出流量为60L/min。

推进油缸选用3根双作用活塞缸,机械同步工作,用以控制钻头的前进、后退。推进油缸缸径为220mm,杆径为160mm,行程为1 500mm,行程末端设置有缓冲机构,以减小冲击振动。在进行导孔作业时,有杆腔为工作腔,最大输出力为1 340kN;在进行扩孔作业时,无杆腔为工作腔,最大输出力为2 840kN

 

2  主要设计点

2.1主油路闭式系统设计

反井钻机液压系统中,主油泵7-17-2输出的油液流经马达后回至泵吸油口,为闭式系统设计。系统工作时,辅助油泵从油箱吸油,流经各液压缸后回至主回油路,经冷却和过滤后进入主油泵的吸油口,用以补充主油路中因泄漏损失的油液,多余的油液通过设置在主油泵和油箱之间的管道回至油箱,辅助油泵在此充当了补油泵的角色。

为了保证冷却和过滤效果,在主回油管路上,设置了冷却器和过滤器,除泄漏油直回油箱外,其余油液均经此处冷却及过滤,如此主油路不仅具备闭式系统结构紧凑、油箱体积小等特点(油箱有效容积1m3),而且兼具开式系统散热、过滤效果好,易于温控的优点。

2.2 管道排气设计

在对钻机液压系统进行转场拆装或维修后,管道内会混入空气,为了避免空气进入泵内产生气蚀,在主回油路的冷却器前设置了排气阀9。当油泵启动后,因冷却器和过滤器压力损失作用,排气阀处压力高于油泵吸油口处压力,气体经过排气阀时溢出,排出管道外,即使残存少量气体,也可在系统运行时排入油箱进行分离。

2.3 插装阀模块设计

主油路的最大流量达480L/min,若控制元件〖CM)1—空气过滤器;2—目视液位计;3—液位变送器;4—双金属温度计;5—加热器;6—温度变送器;7—油泵;8—单向阀;9—低压球阀;10—滤油器;11—插装阀模块;12—压力阀;13—比例溢流阀;14—减压阀;15—顺序阀;16—电磁换向阀;17—电液换向阀;18—平衡阀;19—液控单向阀;〖JZ20—蓄能器;21—压力表;22—压力变送器;23—冷却器;24—电磁水阀;25—马达;26—推进油缸;27—摆动油缸;28—翻转油缸;29—夹紧油缸

 

选用常规滑阀,如电液换向阀,不仅阀本身体积大,集成块也会设计得较大,安装和维修均不便,且滑阀压力损失较高,易使系统温升加快,不利于长期稳定运行。二通插装阀是20世纪80年代发展起来的一种新型控制元件,简称插装阀,由先导控制阀、控制盖板、插装件、插装阀块体组成,如图2所示。插装件又称主阀组件或功率组件,通常由弹簧、阀套、阀芯、密封件等组成。因插装阀具有流1—先导控制阀;2—控制盖板;3—插装件;4—插装阀块体通能力大,泄漏小,故障率低,易于标准化、集成化等优点,所以特别适用于大流量、对外形尺寸有要求的复杂控制场合[3-4]。1—弹簧;2—阀套;3—阀芯(锥阀);4—密封件为了对主油路压力进行限定及远程加载、卸荷控制,设置了插装阀电磁溢流模块11-2。电磁铁Y2失电,插装阀的控制油路与主回油路相通,插装阀开启,油液流至主回油路,实现卸荷功能。电磁铁Y2得电,插装阀关闭,系统压力升高,实现加载功能;当系统压力升高至控制盖板内溢流阀的设定压力时,溢流阀开始溢流,插装阀开启,实现卸荷功能。

马达的转向切换由插装阀方向模块11-4进行控制。初始状态下,电磁铁Y5Y6均失电,插装阀关闭,油液无法进入马达,避免误动作。电磁铁Y5得电,Y6失电,第1组、第3组插装阀打开,油液依次流经第3组插装阀、马达、第1组插装阀,马达正向旋转;电磁铁Y5失电,Y6得电,马达反向旋转。按照上述功能,实现对马达正、反转向的切换[5]。马达因其驱动的负载转动惯量较大,在停机或转向切换时,会产生冲击压力,冲击压力甚至会远高于系统的设计压力,对设备危害较大。为了对马达及管路进行安全保护,在马达进、出油管路上设置了插装阀过载压力保护模块11-511-6,一旦冲击压力形成,插装阀即可迅速开启,快速泄压。该组过载压力保护模块与压力阀模块11-2组成系统压力保护的二阶余度设计,增强了系统的安全性。当主油泵7-2通过插装阀复合功能模块11-3向辅助油路中推进缸供油时,电磁铁Y1Y3会得电,使得插装阀11-1关闭,插装阀11-3开启。在极端工况下,存在插装阀11-1关闭,而插装阀11-3未开启的情况,会导致主油泵7-2处压力飞升,引起安全隐患,为此在模块11-3中设置了溢流阀,一旦压力达到溢流阀的设定值,插装阀11-3即可快速开启溢流,避免了危险的发生。推进缸为钻头提供轴向工进力,根据不同的岩石情况,工进速度会有差别。遇松散岩石时,推进油缸按照最大速度工进,而遇坚硬岩石时,工进速度会减慢,此时辅助油泵输出的油液并非全部进入推进缸,而是会有部分通过溢流阀溢流至主回油路,这部分溢流的油液所具有的压力能将转变为热能。为此在主油路和辅助油路之间,设置了插装阀顺序模块11-8。在工作状态下,如辅助油路压力低于顺序模块内溢流阀的设定压力25MPa,辅助油泵输出的

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