閆鵬飛，雷明善

1.吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所,吉林 長春市 130103；2.吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，吉林長春 130061

0 引言

動力設(shè)備是液壓鉆機主要動力系統(tǒng)。它作為液壓鉆機一切動力的來源而成為整個液壓鉆機最為重要的裝置。液壓鉆機由于型號、用途、工作環(huán)境等因素的不同，對動力系統(tǒng)的輸入和輸出形式以及轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩等有著不同的要求。因此為了讓液壓鉆機具有更好的工作性能和更高的鉆探效率，為了提高液壓鉆機的環(huán)境適應(yīng)能力和減少動力故障。在設(shè)計液壓鉆機過程中，對動力設(shè)備特性的了解與選擇就顯得尤為重要。

1 動力設(shè)備的基本類型

液壓鉆機動力設(shè)備一般采用交流異步電動、柴油機、內(nèi)燃機、變頻電驅(qū)動等設(shè)備產(chǎn)生動力，通過液壓傳動裝置轉(zhuǎn)換來滿足工作機構(gòu)運行所需動力。上述動力設(shè)備中最常采用的是交流異步電動、柴油機。本文著重介紹交流異步電動機、柴油機的特性和選擇。

2 動力設(shè)備的特性

2.1 交流異步電動機的特性

交流異步電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系如圖1所示。由圖可見，當(dāng)n=n0時，轉(zhuǎn)矩達最大值Tmax；n0稱為臨界轉(zhuǎn)速。假設(shè)電動機運行于n0～n1區(qū)域內(nèi)a 點，若電動機的轉(zhuǎn)矩T與工作負載Tf大小相等，雙方處于平衡狀態(tài)，電動機以轉(zhuǎn)速n 勻速轉(zhuǎn)動。當(dāng)工作負載變化，使Tf增大到Tf’， 工作負載大于電動機轉(zhuǎn)矩，工作點移至a’。此時，電動機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的下降而增加。直至電動機轉(zhuǎn)矩與工作負載相等，電動機又處于平衡狀態(tài)。反之，當(dāng)工作負載減小時電動機轉(zhuǎn)速的變化過程則與上述相反，工作點移至a’’點。因此，在n0～n1的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。此區(qū)域稱為穩(wěn)定區(qū)。

假設(shè)電動機運行于0～n0區(qū)域內(nèi)b點，雖然它也具有相同的電磁轉(zhuǎn)矩T，但是，當(dāng)負載增大引起轉(zhuǎn)速下降時，電磁轉(zhuǎn)矩反而減小了，從而引起轉(zhuǎn)速的再度下降。持續(xù)下去會導(dǎo)致電動機停機。反之，

圖 1 交流異步電動機輸出特性曲線Fig.1 Output characteristic curve of AC asynchronous motor

柴油機的外特性曲線，包括間歇功率外特性和持續(xù)功率外特性。

鉆機工作中應(yīng)持續(xù)運轉(zhuǎn)，應(yīng)按持續(xù)功率外特性選擇。圖2為某型號柴油機的性能曲線圖，由圖可知，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)定在1 600 r/min時輸出轉(zhuǎn)矩最大，比油耗最小。若負載變小，由于轉(zhuǎn)速的升高導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增大，使電動機轉(zhuǎn)速不斷升高，直到轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速n0后，工作點進入穩(wěn)定區(qū)為止。因此，在0～n0轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大而增加。此區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)。

由上述分析可知，電動機正常工作于n0～n1曲線之間，其最低運行速度為n0，此時電動機轉(zhuǎn)速變化范圍是很小的，相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩的變化卻較大，通常其超載系數(shù)可達1.8～2.2。即，異步電動機具有硬的機械特性。

對應(yīng)于圖中n=0時的轉(zhuǎn)矩Tq，稱為電動機的起動轉(zhuǎn)矩。若起動轉(zhuǎn)矩Tq大于負載轉(zhuǎn)矩Tf，電動機運轉(zhuǎn)并不斷提高轉(zhuǎn)速，最后進入穩(wěn)定區(qū)。相反，若負載轉(zhuǎn)矩大于起動轉(zhuǎn)矩，電動機不能起動。此時過大的起動電流長時間通過定子繞組，會燒毀定子。因此，生產(chǎn)過程中，必須讓電動機空載起動，以確保電動機的安全。

2.2 柴油機的特性

2.2.1 調(diào)速范圍

柴油機的調(diào)速范圍R，是指最高工作轉(zhuǎn)速與最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速之比。利用R，可以使液壓鉆機的液壓泵輸出軸與負載大小與轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。中速柴油機（800～1 200 r/min）R為1.3～1.8，高速柴油機（1 500～2 500 r/min）的R更小，而低速柴油機（500～750 r/min）的R大些。一般采用中高速柴油機。

2.2.2 特性選擇

圖 2 某型號柴油機性能曲線Fig.2 Performance curve of a certain type of diesel engine

圖 3為調(diào)速特性曲線。在鉆機連續(xù)長期鉆孔時，應(yīng)將柴油機轉(zhuǎn)速放在偏低位置，使其在不超過其最大功率75%的工況下運轉(zhuǎn)。對于卷揚機提升作業(yè)，負載時間不長，轉(zhuǎn)速可偏高，但其功率不宜超過其最大功率的80%。

2.2.3 工作點的穩(wěn)定性

圖 3 柴油機的調(diào)速特性Fig.3 Governor control characteristics of diesel engine

圖 4 工作點的穩(wěn)定性Fig.4 Working point stability

負載與柴油機的調(diào)速特性或外特性的交點為工作點（圖 4）。當(dāng)該點處于調(diào)速特性傾斜線上時，工作穩(wěn)定，同一柴油機對于不同的載荷曲線有不同的工作點。在圖4中的1、2、3三個工作點，從工作點的位置看出負載與動力是否匹配穩(wěn)定。在低于最大功率轉(zhuǎn)矩或額定轉(zhuǎn)矩Te以下的載荷工作點是穩(wěn)定的，在高于額定轉(zhuǎn)矩，但不大于最大轉(zhuǎn)矩Tmax時，尚可工作，但不穩(wěn)定。超過Tmax，柴油機停機。柴油機的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為適應(yīng)系數(shù)K，其值一般為：

K值不大，說明它的過載能力不強，柴油機不能帶負載起動。

3 動力設(shè)備的選擇

使用交流電動機能滿足鉆機工作要求且具備相應(yīng)的電源情況下應(yīng)優(yōu)先選用交流電動機。

交流電動機較內(nèi)燃機有較高的驅(qū)動效率，而籠型電動機結(jié)構(gòu)簡單、耐用、易維修，起動、制動、反向控制簡便，可以實現(xiàn)遠距離的測量和控制。便于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。

采用變頻電系統(tǒng)可實現(xiàn)無級調(diào)速。但鉆機常因缺乏所需電源而不能選用。

鉆機如需用柴油機驅(qū)動或柴油機發(fā)電站的電驅(qū)動，只需足夠的燃油和潤滑油料就可工作。

選擇柴油機應(yīng)注意以下幾點：

（1）對于負荷特性來說，一般希望柴油機每循環(huán)的標(biāo)定供油量都能限定在冒煙界限和最低燃油消耗點之間，這是追經(jīng)濟的運行點。對于鉆機經(jīng)常接近滿負荷工作，為了提高經(jīng)濟性、柴油機的有效燃油消耗了ge 曲線應(yīng)隨負荷變化要求比較平坦，即在負荷變化較寬的范圍內(nèi)，能保持較好的燃料經(jīng)濟性。

（2）在速度特性中，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù) 是一個很重要的系數(shù)。鉆機鉆孔工作時，經(jīng)常遇到外界阻力突然增大的情況，為了克服短期超負荷，要求轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而增加較大。選擇的柴油機 值越大，表明柴油機克服短期超負荷的能力越強。

[1] 《中國選礦設(shè)備手冊》編委會.中國選礦設(shè)備手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所,吉林省探礦機械廠.JDZ-5型液壓巖心鉆機使用說明書[Z].