臧臣坤，何磊，何宗常，孫軍盈，魏亮亮

（1.中國地質(zhì)裝備集團有限公司，北京 100102；2.張家口中地裝備鉆探工程機械有限公司，河北 張家口 075026）

0 引言

多工藝空氣鉆進技術(shù)（含空氣泡沫鉆進、氣動潛孔錘鉆進、氣舉反循環(huán)鉆進等）被視為當(dāng)代衡量鉆探技術(shù)水平的重要標志之一。該鉆進技術(shù)主要是用壓縮空氣或含有壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進時的循環(huán)沖洗介質(zhì)，或者既用其作為破巖機具之動力，又兼作沖洗介質(zhì)的一種鉆進方法。國外從20世紀中葉開始應(yīng)用，發(fā)展至今已逐漸形成包括多種循環(huán)介質(zhì)、多種循環(huán)方式、多種破巖方法的多工藝空氣鉆進技術(shù)體系。我國多工藝空氣鉆進技術(shù)目前主要以氣動潛孔錘鉆進技術(shù)、氣舉反循環(huán)鉆進技術(shù)為主，與國外有一定的差距［1］。

目前，國內(nèi)外適用于多工藝空氣鉆進工藝的多工藝鉆機大都采用液壓傳動的形式。在相同功率下，液壓傳動具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點［2］，在機動性強的自行式鉆機設(shè)計中廣泛應(yīng)用。同時隨著液壓技術(shù)、材料科學(xué)的發(fā)展，液壓元器件越來越小型化，集成度越來越高，與過去相比，同樣體積情況下，實現(xiàn)的功能越來越復(fù)雜［3］。

動力頭是鉆機重要執(zhí)行部件，為鉆機提供回轉(zhuǎn)扭矩與轉(zhuǎn)速。液壓傳動多工藝鉆機的動力頭要求具有大扭矩和大的調(diào)速范圍的能力，結(jié)合不同的鉆具組合實現(xiàn)多工藝。設(shè)計動力頭液壓傳動與控制系統(tǒng)是鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，鉆機性能的好壞，鉆機效率的高低，使用壽命的長短，主要取決于液壓系統(tǒng)的性能［4］。

1 插裝閥技術(shù)

液壓螺紋插裝閥產(chǎn)生于20世紀50年代，成長于20世紀70年代，并逐步發(fā)展成為覆蓋方向控制、壓力控制、流量控制的幾乎所有閥種，用于比例控制壓力閥、比例控制流量閥、比例控制方向閥等，形成一個獨立體系。它體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)泄小、應(yīng)用靈活、安裝維修簡單、可以隨意組合集成等優(yōu)勢，廣泛用于工程機械中［5］。

液壓插裝閥無單獨的閥體，其應(yīng)用比較靈活。由閥芯、閥套等組成的單元體插裝在插裝塊的預(yù)制孔中，用連接螺絲或蓋板固定，當(dāng)插裝閥裝入具有標準閥孔的集成閥塊時，通過塊內(nèi)通道把各插裝閥連接組成回路，插裝塊起到閥體和管路的作用。

2 動力頭簡介

鉆機是一款適用于多種空氣鉆進工藝的液壓傳動輕型鉆機，鉆進能力150mm口徑鉆進深度300m，可以采用空氣潛孔錘鉆進或者硬質(zhì)合金牙輪鉆頭鉆進，綜合考慮確定扭矩為8000Nm左右，所需轉(zhuǎn)速范圍0～150r／min。

2.1 動力頭的結(jié)構(gòu)形式

動力頭由兩個低速大扭矩馬達驅(qū)動，如圖1所示，兩馬達同步驅(qū)動兩個小齒輪，小齒輪同步驅(qū)動大齒輪，實現(xiàn)一級減速，小齒輪對稱布置與大齒輪兩側(cè)，大齒輪通過平鍵將扭力傳遞給主軸，主軸通過螺紋連接鉆具，從而驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)。

圖1 動力頭外形圖（a）和剖面圖（b）

2.2 動力頭的控制方式

通過串并聯(lián)閥給動力頭馬達供油，使動力頭可以實現(xiàn)兩檔調(diào)速。動力頭馬達串聯(lián)時為高速、小扭矩；馬達并聯(lián)時為低速、大扭矩。通過動力頭馬達串、并聯(lián)閥的切換，以及驅(qū)動動力頭馬達的兩個液壓泵單泵與雙泵合流的組合，動力頭可以實現(xiàn)四檔轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)不同的地層、孔徑、工藝選擇不同的檔位。每個檔位內(nèi)調(diào)速是靠液比例手柄控制，操作方便且控制精確。

3 動力頭液壓回路設(shè)計

3.1 動力頭液壓回路的原理

如動力頭液壓控制原理圖2所示，液壓泵組由兩個變量泵及一個齒輪泵組成，圖2中液控比例換向閥為簡化示意圖。圖2中先導(dǎo)油源閥采用了插裝閥的形式。工作原理為：

（1）當(dāng)電磁鐵得電時，先導(dǎo)換向閥換向，動力頭兩馬達并聯(lián)，系統(tǒng)流量同時分給兩個馬達，在同樣的流量條件下，動力頭轉(zhuǎn)速減半，扭矩增加一倍。

（2）當(dāng)電磁鐵失電，動力頭馬達串聯(lián)，流量先經(jīng)過一個馬達再經(jīng)過另一個馬達，馬達壓力減半，所以動力頭扭矩減半，轉(zhuǎn)速是并聯(lián)時的兩倍。

動力頭串并聯(lián)閥結(jié)構(gòu)簡單，只需控制電磁鐵的通斷電，電源為24V直流電，柴油機啟動電瓶即可作為電源，方便實現(xiàn)動力頭快慢速快速切換。通過動力頭馬達串、并聯(lián)閥的切換，以及驅(qū)動動力頭馬達的兩個液壓泵單泵與雙泵合流的組合，動力頭可以實現(xiàn)四檔轉(zhuǎn)速，每個檔位內(nèi)調(diào)速是靠液比例手柄控制，操作方便且控制精確。

3.2 動力頭串并聯(lián)閥存在的問題

動力頭串并聯(lián)閥液壓原理如圖2所示，外形圖如圖3所示，串并聯(lián)閥的安裝如圖4所示。串并聯(lián)閥由一個電控換向閥和一個液壓閥塊疊加而成，液壓閥塊中管道設(shè)計配合電控換向閥使用，既實現(xiàn)了馬達的串并聯(lián)切換功能又簡化了系統(tǒng)管路。為了便于動力頭兩個液壓馬達管路連接，該閥固定在動力頭上，隨動力頭沿桅桿軌道上下移動。

通過鉆機生產(chǎn)試驗動力頭串并聯(lián)閥能夠?qū)崿F(xiàn)動力頭兩個馬達串并聯(lián)的功能，但是也暴露出控制不可靠的問題，主要原因是串并聯(lián)閥采用電控換向閥，控制電線要頻繁的隨著動力頭沿鉆機桅桿上下移動，而且在采用空氣正循環(huán)的鉆進工藝時孔口會有巖屑及水噴出，導(dǎo)致電磁換向閥的控制電纜接頭接觸不良，電磁換向閥的控制電磁鐵處于失電狀態(tài)，按照控制原理動力頭馬達只能實現(xiàn)串聯(lián)，失去并聯(lián)的狀態(tài)，不能滿足動力頭回轉(zhuǎn)扭矩的要求。

4 動力頭液壓回路的改進

在采用空氣鉆進工藝特別是采用空氣正循環(huán)工藝時，高壓氣體將巖屑及水帶出損害電控換向閥的接頭，通過物質(zhì)－場分析，引入改進的動力頭串并聯(lián)閥消除巖屑及水的危害，將電磁換向閥改為插裝式液控換向閥。以多工藝鉆機動力頭回路液壓回路的改進設(shè)計為例，具體介紹插裝閥的設(shè)計與運用。

4.1 改進后的動力頭液壓控制原理

圖2 動力頭液壓控制回路原理圖

圖3 動力頭串并聯(lián)閥外形

改進后的動力頭液壓控制原理（圖5）與原先的液壓系統(tǒng)（圖2）相比沒有大的改變，主要是動力頭串并聯(lián)閥由電控板式換向變?yōu)椴逖b閥形式的液控換向閥，為了給液控換向閥提供控制壓力油，先導(dǎo)油源閥組多插裝了一個電控換向閥。其控制原理為：

（1）當(dāng)先導(dǎo)油源閥中電磁換向閥得電時，電磁換向閥換向，先導(dǎo)壓力油控制動力頭串并聯(lián)閥換向，動力頭兩馬達串聯(lián)，流量先經(jīng)過一個馬達再經(jīng)過另一個馬達，馬達壓力減半，所以動力頭扭矩減半，轉(zhuǎn)速是并聯(lián)時的兩倍。

圖4 動力頭及其串并聯(lián)閥

（2）當(dāng)先導(dǎo)油源閥中電磁換向閥失電時，電磁換向閥不換向無先導(dǎo)油壓，動力頭串并聯(lián)液控換向閥液控壓力油卸荷，動力頭兩馬達并聯(lián)狀態(tài)，系統(tǒng)流量同時分給兩個馬達，在同樣的流量條件下，動力頭轉(zhuǎn)速減半，扭矩增加一倍。

4.2 插裝閥的設(shè)計與運用

動力頭液壓控制系統(tǒng)設(shè)計動力頭的串并聯(lián)閥及先導(dǎo)油源閥都運用了插裝閥，解決了原來動力頭串并聯(lián)閥采用電控換向閥控制可靠性不高的問題。

圖5 改進后的動力頭液壓控制原理圖

4.2.1 動力頭串并聯(lián)閥

圖6所示為改進后的動力頭串并聯(lián)閥液壓原理圖，采用螺紋式插裝閥，液控換向插裝閥插裝在按照液壓原理要求而設(shè)計的閥塊上，閥塊按照壓力等級要求可以選擇鋁制或者鋼制。由串并聯(lián)閥外形圖（圖7）可以看到閥的體積比改進前的閥（圖3）小了很多，由插裝閥代替板式電磁換向閥不僅解決了控制電線接觸不好而失效的問題，還大大減小了閥的體積和重量，簡化了液壓系統(tǒng)管路。

圖6 串并聯(lián)閥原理圖

4.2.2 先導(dǎo)油源插裝閥

圖7 串并聯(lián)閥外形圖

先導(dǎo)油源閥主要作用是給液控系統(tǒng)提供先導(dǎo)壓力油，同時還可以為動力頭串并聯(lián)閥提供控制壓力油。如圖8所示，閥塊中共插裝了4種閥，序號4為插裝式電磁換向閥，控制電磁鐵的得電與失電可以控制動力頭馬達的串并聯(lián)。閥塊上還安裝了蓄能器，起到穩(wěn)定先導(dǎo)壓力的作用。M1和M2是兩個壓力監(jiān)測油口，方便系統(tǒng)出現(xiàn)故障時進行壓力監(jiān)測。先導(dǎo)油源閥比改進前增加了一個電磁換向閥，這就是插裝閥的優(yōu)越性所在，可以根據(jù)需要快捷的做出改變，而且不用增加系統(tǒng)管路，靈活方便。從先導(dǎo)油源閥的外形圖（圖9）可以看到，雖然該閥插裝了4種閥還有一個蓄能器，可是這個閥塊還是很簡潔小巧。

圖8 先導(dǎo)油源閥原理圖

圖9 先導(dǎo)油源閥外形圖

5 總結(jié)

液壓插裝閥按照工作原理已經(jīng)涵蓋開關(guān)閥（或通斷閥）、伺服閥、比例閥和邏輯閥，提供了更多的選擇，而且隨著液壓系統(tǒng)流量的加大，例如系統(tǒng)流量超過600L／min時，能供設(shè)計者選擇的液壓閥很少，但是采用液壓插裝閥可以實現(xiàn)更大流量的控制，有的時候采用插裝閥技術(shù)是必須的選擇。

通過一個閥塊插裝多種功能的螺紋插裝閥，解決了標準液壓閥功能單一，有時沒有合適型號可選的問題，液壓系統(tǒng)設(shè)計者可以根據(jù)系統(tǒng)需要，將各種插裝閥集成在一個閥塊上，通過閥塊孔道連通達到設(shè)計功能，可以大大簡化系統(tǒng)。

插裝閥已廣泛應(yīng)用到液壓泵、液壓馬達和液壓閥中，其實在鉆機液壓系統(tǒng)中已經(jīng)大量用到的插裝閥技術(shù)，包括履帶行走馬達上插裝了雙向溢流閥，防止超載保護馬達；主閥上也插裝了溢流閥起到安全保護和壓力補償作用。在液壓系統(tǒng)設(shè)計時運用了插裝閥技術(shù)，不同于液壓供應(yīng)商提供的標準產(chǎn)品，設(shè)計者可以創(chuàng)造性的根據(jù)系統(tǒng)需求及液壓管路連接的需要來設(shè)計插裝閥集成塊。

［1］許劉萬，劉智榮，趙明杰，史兵言.多工藝空氣鉆進技術(shù)及其新進展［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2006（10）：8－14.

［2］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］朱鵬程，鄢華林.采用負載傳感控制技術(shù)的絞車液壓系統(tǒng)的設(shè)計［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（3）：39－42.

［4］殷新勝，燕南飛.MKD－5S型全液壓鉆機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與探討［J］.重慶工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，1999（3）：119－121.

［5］路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.