譚玉山,王金友,林寶新,閆鵬飛,薛 軍

1 液壓巖心鉆機的特點

鉆機按傳動形式分類,可分為機械式和液壓式兩類。液壓傳動由于它在功率質量比、無級調速、過載保護、自動控制及配置靈活、組裝方便等方面的技術優(yōu)勢,已成為各類機械實現(xiàn)傳動與控制的重要技術手段,在國民經濟發(fā)展中發(fā)揮著無可替代的作用。液壓動力頭巖心鉆機具有給進行程長、采用液壓缸起落塔架、容易實現(xiàn)斜孔鉆進施工、體積小質量輕、運轉平穩(wěn)、操作靈活省力等突出的特點。尤其是采用了性能優(yōu)良的負載敏感液壓回路,對鉆進適應性強,可提高鉆進效率,而且系統(tǒng)具有能耗小,發(fā)熱少,傳動效率高等優(yōu)良的技術性能。液壓動力頭巖心鉆機將成為我國地質巖心鉆機的主流機型。

2 鉆探工作對鉆機回轉與給進機構液壓回路的要求

2.1 對回轉機構液壓回路的性能要求

鉆機的回轉器通常由液壓馬達驅動。其執(zhí)行機構液壓回路應滿足下列性能要求:

(1)可在較大范圍內無級調節(jié)轉速與扭矩,調節(jié)過程平穩(wěn);

(2)具有機械硬特性,即轉速不受負載變化影響;

(3)可帶載頻繁啟停,且啟停平穩(wěn);

(4)具有一定的超載能力及過載保護功能;

(5)功率損耗小,回轉運動效率高。

2.2 對給進機構液壓回路的性能要求

(1)能無級調節(jié)給進力,并保持給進力穩(wěn)定;

(2)能無級調節(jié)給進速度,保持與瞬時機械轉速相適應;

(3)具有承受突變負值載荷的能力,防止出現(xiàn)轉速失穩(wěn);

(4)具有過載保護功能;

(5)功率損耗小,能量利用率高。

傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設計模式是手動控制閥與定量泵組成的普通液壓系統(tǒng),技術較為落后,對不同地層給進控制能力和適應能力差,鉆進效率低。因此液壓動力頭巖心鉆機應采用性能優(yōu)良的負載敏感液壓回路。

什么是負載敏感液壓系統(tǒng)?簡單的說,它是一種感受系統(tǒng)壓力—流量需求,且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。在這種回路中,通過負載敏感液壓閥將檢測出來的負載壓力反饋給變量泵,來自動控制液壓泵的輸出,使液壓泵的輸出壓力、流量與所需負載相匹配。采用負載敏感液壓回路,可以提高原動機的利用效率,減少系統(tǒng)發(fā)熱,達到機械設備結構緊湊和節(jié)能的目的。

圖1 負載敏感液壓回路

3 負載敏感液壓回路工作原理

圖1所示為一負載敏感液壓回路,該回路由 4個基本單元組成。

(1)比例換向閥 D,它是一個比例換向閥或多路比例換向閥,分手控式和電控式兩種。其作用除控制液壓馬達 (或液壓缸)換向外,還控制液壓馬達負載流量以及檢測液壓馬達負載壓力。

(2)負載敏感閥 A,又稱低壓壓力 -流量補償閥,例如調定壓力為 1.4 MPa。它是一個壓力控制二邊伺服閥。其輸入記號是液壓泵的輸出壓力 Pp與液壓馬達負載壓力 P1之差;輸出記號是壓力 Pc,用來操縱液壓泵變量機構。限壓閥 B用于調定泵的最高壓力,例如調定壓力為 21 MPa。

(3)變量泵 C,它是一種壓力補償式變量泵,其變量斜盤 5由液壓缸 7控制。負載敏感閥A和閥B均安裝在變量泵 C上,作為液壓泵的附屬元件組成一體,稱為負載敏感泵。

(4)液壓馬達或液壓缸。

負載敏感液壓回路的工作原理為:負載敏感閥A的滑閥左端接液壓泵出口,右端接液壓馬達負載腔,兩者的壓力差由彈簧 2調整。

當比例換向閥D的開度一定時,若液壓泵的輸出流量過大,則液壓泵輸出壓力 Pp和液壓馬達負載壓力 P1的差值大于設定的壓力差,滑閥 1即向右邊運動,使油路 3與 4相通,控制壓力 Pc升高。因而液壓缸 7便控制液壓泵斜盤 5傾角減小,從而使液壓泵的輸出流量減小。反之,若液壓泵的輸出流量小于比例換向閥的設定流量時,則情況相反,使斜盤傾角相應增大,液壓泵輸出流量增加。

通過這種連續(xù)動作,液壓泵的輸出流量 Qp始終保持與比例換向閥新設定的流量 Q1(即驅動負載的流量)相等;而液壓泵的輸出壓力 Pp與負載壓力 P1的差值始終保持彈簧 2所設定的數(shù)值,即:

式中:a0——滑閥 1有效作用面積;Fs——彈簧 2的彈簧力,由調壓螺釘 10調節(jié)。

例如:負載壓力為 16 MPa,液壓泵輸出壓力為16+1.4=17.4 MPa,即液壓泵的輸出壓力 Pp與負載壓力 P1的差值始終保持為彈簧 2所設定的數(shù)值1.4 MPa。

這就是說,不管負載如何變化,液壓泵輸出壓力Pp始終比負載 P1大一恒定值。這個恒定值,同時是比例換向閥工作油口的壓力差。于是通過此換向閥的負載流量 Q1僅與閥的開度,即與它的閥芯移動量成比例,而與負載壓力的變動無關。這樣,通過調節(jié)比例換向閥閥芯的位移量的大小,即可達到調速的目的。由此可知,比例換向閥不但可使液流換向,同時是個壓力補償式流量控制閥。綜上所述,不管負載、速度如何變化,液壓泵輸出流量 Qp、壓力 Pp始終與負載流量 Q1、壓力 P1相匹配。

當液壓馬達到達行程終點時,由于比例換向閥閥口已經無流量,亦無壓力損失,故滑閥 1在彈簧 2的作用下處于左端位置。由圖 1可知,限壓閥 B的滑閥 8右端通油箱,當液壓泵輸出壓力 Pp大于彈簧9所調定壓力 Pr時,滑閥 8迅速右移,泵輸出的壓力油不經滑閥 1直接接通油路 3-4。從而,一方面使液壓泵保持由該閥所設定的最高壓力,同時又使液壓泵僅輸出補充泄漏所需的微小流量。比例換向閥處于中位,液壓馬達停止工作時,負載壓力為零。液壓泵的輸出壓力僅等于彈簧 2的調定壓力,液壓泵的輸出流量僅為補充泄漏所需的微小流量,即液壓泵處于低壓等待狀態(tài)。由負載敏感液壓回路工作原理可知,液壓泵的輸出流量與負載流量一致,泵的輸出壓力比負載大一個恒定值;回路不工作時,泵處于低壓等待狀態(tài)。故此種回路效率高,功率損失小。

4 負載敏感液壓回路對負載的適應能力

4.1 負載敏感液壓回路對回轉負載的適應能力

4.1.1 負載敏感回路的無級調速功能

由負載敏感回路工作原理可知,通過比例換向閥的流量僅與該閥的開度,即與它的閥芯移動量成正比例。因此通過調節(jié)比例換向閥閥芯的位移量的大小即可達到無級調速的功能。

4.1.2 回轉帶載平穩(wěn)啟停能力

從圖 1可知,當比例換向閥開啟時,液壓馬達負載壓力 P1與泵輸出壓力 Pp相等,滑閥 1在彈簧力 Fs的作用下,向左移動,使油路 4與油箱相通,液壓缸7在彈簧作用下帶動斜盤傾角逐漸增大,液壓泵開始向執(zhí)行元件 (液壓馬達或液壓缸)供油。隨著供油量的增大,油壓迅速升高,最終克服負載阻力推動執(zhí)行機構運動。當執(zhí)行機構運動時,由壓力差 (Pp-P1)控制負載敏感閥動作。因此,在啟動過程中,負載敏感回路可根據負載壓力變化快速平穩(wěn)地自動調整回路壓力和流量,滿足帶載平穩(wěn)啟動的要求。

4.1.3 調速特性

負載敏感回路工作時,液壓泵的輸出流量與負載流量基本上相等,其數(shù)值大小僅與比例換向閥開度有關,而與負載壓力無關,故回轉機構具有優(yōu)異的硬機械特性。

4.1.4 超載與過載保護功能

通過負載敏感反饋控制作用,液壓泵壓力始終與負載阻力相適應。若泵的壓力超過限壓閥的調定壓力,限壓閥開啟,回路處于高壓等待狀態(tài),這樣既起過載保護作用,又避免了大量能量損耗。

4.2 負載敏感液壓回路對升降負載的適應能力

升降負載特性與回轉負載特性具有相似之處,如要求驅動系統(tǒng)具有無級調速功能、帶載平穩(wěn)啟停能力、硬的機械特性、一定的過載能力以及過載保護功能等。負載敏感回路能滿足上述要求。

此外,通過微調比例換向閥閥口開度即可實現(xiàn)微動升降動作。從提鉆的整個過程看,提升負載是依次減小的。負載敏感回路的壓力隨負載變化而自動調節(jié)。因此,根據負載阻力變化調整比例換向閥開度,控制提升速度,可滿足恒功率提升的要求。

5 負載敏感液壓回路的特點

(1)執(zhí)行元件的速度僅與比例換向閥開度有關,而與負載壓力無關,從而真正實現(xiàn)了無級調速。

(2)液壓系統(tǒng)效率高,節(jié)能效果好。在普通定量泵液壓系統(tǒng)中,如果工作中要求執(zhí)行元件的運動速度減小一半,則將有一半功率轉換為系統(tǒng)的熱量損耗,這些熱量被液壓系統(tǒng)吸收或通過液壓油冷卻器散發(fā)。而在負載敏感控制系統(tǒng)中情況就不同了,液壓泵可根據執(zhí)行元件工況自動進行調節(jié)來提供所需的流量,只有少量的能量損耗。

(3)負載敏感液壓系統(tǒng)中,單一的液壓泵可滿足多個回路的壓力—流量需求。而在普通的定量泵液壓系統(tǒng)中,為滿足同一系統(tǒng)中不同支路的工作要求,必須采用多聯(lián)泵、流量分配器、流量控制閥或壓力控制閥聯(lián)合控制等等,系統(tǒng)較復雜。

(4)負載敏感液壓泵和比例換向閥集成化程度高,系統(tǒng)外接油路簡單。

(5)操作控制方式多樣化,可以手動控制、電動控制、液壓控制。

(6)無論比例換向閥閥芯位移如何變化,都不會改變閥進、出口的壓力差,如前述壓差恒為 1.4 MPa。即無論負載及執(zhí)行元件的運動速度如何變化,操縱手柄感覺到的力是穩(wěn)定的、柔和的。

[1] 胡志堅.鉆機負載自適應液壓控制系統(tǒng)的研究[D].長春:吉林大學,2007.

[2] 王清巖,譯.Eaton負載敏感 (LS)控制系統(tǒng)工作原理與操作[Z].2005.

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