劉麗娜，于萍

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000;2.吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林長春 130000)

在大陸鉆探過程常遇到堅硬的結(jié)晶巖，如使用牙輪取心鉆，要求回轉(zhuǎn)速度不小于280 r/min，目前，國內(nèi)頭，其鉆進(jìn)效率低，巖心采取率低，故常選用孕鑲金剛石鉆頭。而孕鑲金剛石鉆頭要求其鉆頭圓周線速度為1.5～3.0 m/s，φ152 mm的鉆頭的交流變頻電動頂驅(qū)裝置的回轉(zhuǎn)速度為0～220 r/min?，F(xiàn)有DQ40Y型液壓頂驅(qū)裝置其轉(zhuǎn)速為0～190 r/min，它們的最大扭矩為50 kN·m，只能滿足4 000 m以下鉆機(jī)。故這些頂驅(qū)裝置的回轉(zhuǎn)速度都不能完全滿足更深地層回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的需要，所以需要設(shè)計轉(zhuǎn)速高、扭矩大的液壓頂驅(qū)。頂驅(qū)裝置將由液壓馬達(dá)驅(qū)動，這就需要選擇高壓大排量的液壓馬達(dá)。

1 系統(tǒng)的組成

液壓頂驅(qū)系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、減速器、主軸等組成，作用是驅(qū)動減速器驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。液壓馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)是為鉆井液壓頂驅(qū)馬達(dá)提供動力，其主要能源部件采用恒功率變量泵與變量液壓馬達(dá)配合，液壓附件由蓄能器組、油箱、熱交換器、濾油器、閥組管件等組成［1－2］。液壓馬達(dá)驅(qū)動分為單液壓馬達(dá)型和多液壓馬達(dá)型，馬達(dá)輸出軸與減速器齒輪軸相連接，通過齒輪傳動驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)從而進(jìn)行鉆進(jìn)。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動取代交流變頻電機(jī)驅(qū)動，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，空間尺寸整體縮小。

2 頂驅(qū)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計及參數(shù)分析

液壓頂驅(qū)裝置總圖如圖1所示。

圖1 高轉(zhuǎn)速液壓頂驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

該裝置主要由液壓馬達(dá)1、減速器2、大通徑水龍頭3、內(nèi)防噴器機(jī)構(gòu)4、鉆桿上缷扣背鉗5等5個部分組成。其工作原理是由4臺雙速液壓馬達(dá)1提供驅(qū)動力，再經(jīng)減速器2的一對減速輪將動力傳給主軸，4臺液壓馬達(dá)可實現(xiàn)變速，單馬達(dá)驅(qū)動或多馬達(dá)驅(qū)動使液壓頂驅(qū)裝置可實現(xiàn)2個轉(zhuǎn)速。在減速器上裝有大通徑水龍頭3，在減速器下方安裝有內(nèi)防噴器機(jī)構(gòu)4和鉆桿上缷扣背鉗5。

頂驅(qū)擬采用六主泵電液比例負(fù)載敏感 (或LUDV)控制系統(tǒng)［3］，液壓泵由電機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動，通過齒輪箱實現(xiàn)分動。主泵優(yōu)先選擇力士樂A7V系列、川崎K3V或K5V系列產(chǎn)品?？刂崎y組以整體式多路閥為主，宜選用力士樂M4、M7等集成閥組。但由于頂驅(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較少，也可考慮選擇哈威PSL片式閥作為控制元件。在控制方式上采用了電液比例先導(dǎo)控制結(jié)合手動減壓式比例先導(dǎo)控制相結(jié)合的方案［4］。頂驅(qū)整體液壓原理圖如圖2所示。

圖2 頂驅(qū)裝置液壓系統(tǒng)原理

頂驅(qū)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用4個軸向柱塞液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，馬達(dá)以并聯(lián)工況為主，可采用2個主泵供油方式進(jìn)行高低速工作區(qū)間的切換，且可借助比例先導(dǎo)控制實現(xiàn)無級調(diào)速。采用恒壓恒功率變量泵與變量液壓馬達(dá)配合能夠提高能量的利用率起到節(jié)能的效果，而且還可以根據(jù)地質(zhì)條件自動改變動力頭的排量和壓力，進(jìn)而提高鉆速［5］，使動力頭自動適應(yīng)地質(zhì)土壤的特性。

頂驅(qū)給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用2個液壓缸驅(qū)動的滑輪倍速機(jī)構(gòu)，油缸行程達(dá)16 m，動力頭有效行程為其2倍，達(dá)32 m，給進(jìn)機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)3 MN的起拔力，確保在極限鉆深條件下順利提鉆。由于整體設(shè)計方案已決定不再另行布置主卷揚(yáng)機(jī)和大鉤，故頂驅(qū)動力頭兼作起下鉆升降機(jī)構(gòu)，在輕載工況下頂驅(qū)動力頭需快速運(yùn)動，設(shè)計提出了液壓缸低壓條件下可差動快進(jìn)的控制方案。為保證動力頭快速移動時的流量供應(yīng)，可采用將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)流量合流至給進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作模式。此外，為保護(hù)鉆桿絲扣，主軸設(shè)計為浮動結(jié)構(gòu)，且采用平衡油缸與給進(jìn)機(jī)構(gòu)相聯(lián)。

由于頂驅(qū)擬采用自動上卸鉆桿裝置，而接卸鉆桿操作與動力頭回轉(zhuǎn)動作有著嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，擬在先導(dǎo)控制環(huán)節(jié)將上述邏輯關(guān)系準(zhǔn)確實現(xiàn)，有效避免各種可能發(fā)生的誤操作。同樣，對于類似雙泵合流這樣的負(fù)荷控制，也是通過單一手柄完成操作的。在實現(xiàn)邏輯控制的過程中，采用了電液比例閥及壓力繼電器或壓力傳感器。

3 結(jié)束語

確定了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的總體方案，闡述了其工作原理，繪制了液壓原理圖。同時兼顧了石油鉆機(jī)常見的操作功能，液壓系統(tǒng)設(shè)有輔泵回路用以實現(xiàn)動力頭的傾斜、開合和鎖緊，以便在特殊情況下采用常規(guī)手段處理可能發(fā)生的故障問題。這些可選功能在通常情況下可以省略。

［1］齊建雄，盧麗敏，謝宏峰.DQ40Y頂驅(qū)裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油機(jī)械，2008，36(9):50 －52.

［2］許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］陳欠根，紀(jì)云鋒，吳萬榮.負(fù)載獨(dú)立流量分配(LUDV)控制系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2003(10):10－12.

［4］陳扼西，馮培鋒，閆勇剛，等.裝載機(jī)工作裝置電液比例先導(dǎo)控制模塊設(shè)計［J］.液壓與氣動，2005(7):11－13.

［5］強(qiáng)寶民，肖晟.基于節(jié)能的液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(9):232 －234.