应用插装阀的反井钻机液压系统设计

王 海,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：TH137.7；TD41 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3 000mL/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7-1和7-2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1m3），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；〖JZ〗20—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Y5和Y6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11-5和11-6，一旦冲击压力形成，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Y1、Y3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