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        鉆機回轉(zhuǎn)超壓保護液壓閥塊設(shè)計與仿真研究

        2018-10-31 07:38:00姚亞峰宋海濤
        西部探礦工程 2018年11期
        關(guān)鍵詞:液壓閥孔內(nèi)四通

        張 剛,姚亞峰,宋海濤,彭 濤

        (中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西西安710077)

        1 概述

        通常,把鉆探施工過程中發(fā)生的,中斷鉆孔內(nèi)正常鉆進的各種故障統(tǒng)稱為孔內(nèi)事故,主要分為埋鉆、卡鉆、燒鉆、斷鉆、落物及套管事故等。雖然這些事故不會直接造成人員傷亡,但孔內(nèi)事故往往引起一系列其他損害,如人力、財力、物力、工期的浪費,鉆探設(shè)備的損壞、人員的傷亡,質(zhì)量事故的發(fā)生,環(huán)境的污染等[1]。因此,對于孔內(nèi)事故的預(yù)防尤其重要,孔內(nèi)事故的發(fā)生通常有自然和人為兩大因素。自然因素是指特殊的地層地質(zhì)條件,一般人力難以改變,而人為因素中,鉆機操作人員的現(xiàn)場操作與判斷處理是最直接預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生的關(guān)鍵因素。由于孔內(nèi)事故的發(fā)生往往具有偶然、突發(fā)性,而鉆機操作人員長時間工作,當剛出現(xiàn)孔內(nèi)事故表征時,精神力及體力往往不足以及時做出正確的操作[2]。因此針對大多數(shù)孔內(nèi)事故將發(fā)生時,負載增大,鉆機主軸回轉(zhuǎn)壓力必定升高這一特性,本文介紹了一種鉆進時回轉(zhuǎn)超壓保護液壓閥塊,將其嵌入鉆機液壓系統(tǒng)中,使鉆機自身能夠?qū)變?nèi)事故做出及時的反應(yīng),有效地降低孔內(nèi)事故的發(fā)生。

        2 回轉(zhuǎn)超壓保護液壓閥塊

        回轉(zhuǎn)超壓保護液壓閥塊(圖1a)由閥體、邏輯閥、液控閥、螺堵等組成。其中邏輯閥、液控閥都為螺紋插裝閥,均采用錐面密封,具有良好的密封性。該液壓閥塊最大工作流量120L/min,最大工作壓力350bar,具有以下幾個特點:①整體尺寸小,拆裝方便;②插裝閥互換性好,便于維修;③集成化程度高,省去傳統(tǒng)液壓回路的管路連接件[3-5]。

        該液壓閥塊結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。鉆機正常鉆進時,(圖1b)中二位四通閥芯在彈簧作用下置于左位,P口與A口、B口與T口連通,二位三通閥芯在彈簧作用下置于右位,C口和D口均不連通;當鉆孔內(nèi)即將發(fā)生孔內(nèi)事故時,鉆機正轉(zhuǎn)壓力升高,而液壓閥塊C口和正轉(zhuǎn)油路連通與其壓力相同,當C口壓力超過(圖1b)中二位三通閥彈簧設(shè)定壓力時,其控制油推動閥芯向右,則C口來油進入液壓閥快內(nèi)部推動二位四通閥芯向左運動,此時P口與B口、T口與A口連通,P口高壓油進入給進起拔油缸起拔口,動力頭快速后退,直到正轉(zhuǎn)壓力下降到設(shè)定壓力以下,閥芯回到初始位置繼續(xù)鉆進或停鉆,防止孔內(nèi)事故的發(fā)生。

        3 液壓閥塊建模與動作特性仿真

        3.1 設(shè)定工況

        設(shè)定當孔內(nèi)負載使回轉(zhuǎn)壓力P超過200bar時,會發(fā)生孔內(nèi)事故,給進油缸行程900mm,活塞初始位置在450mm處,液壓閥塊插裝閥閥芯工作行程-2~2mm[6-8]。

        3.2 構(gòu)建液壓系統(tǒng)回路

        要研究液壓閥塊的動作特性,必須將液壓閥塊嵌入鉆機液壓系統(tǒng)回路中,模擬其鉆進工況,建立如圖2所示鉆進液壓系統(tǒng)回路。

        3.3 AMEsim建模

        由于本文主要研究該液壓閥塊的動態(tài)特性,因此利用AMEsim中的HCD庫元件搭建液壓閥塊模型,其他液壓元件在Hydraulic庫中選取,建立液壓系統(tǒng)回路模型如圖3所示。

        3.4 仿真分析

        仿真時間設(shè)定為10s,孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力信號輸入設(shè)為0~2s時,輸入壓力0~200bar線性遞增,2~7s時,孔內(nèi)出現(xiàn)事故,正轉(zhuǎn)壓力由200bar線性遞增,7s時遞減到200bar,7~10s時,輸入壓力遞減到200bar以下,仿真曲線如圖4~圖6所示。

        由圖4所示可知,當孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力在2s時達到200bar時,給進油缸帶動動力頭迅速回退,但孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力仍未下降,當孔內(nèi)正轉(zhuǎn)壓力在7s時下降到200bar以下,給進油缸帶動動力頭繼續(xù)正常鉆進。而由圖5、圖6可知,在2s和7s時,液壓閥快內(nèi)二位四通和二位三通閥芯同時換向,控制給進油缸快速回退與給進。

        通過仿真發(fā)現(xiàn)該液壓閥塊對負載壓力變化敏感、迅速,可保證鉆進回轉(zhuǎn)壓力突增時,動力頭及時回退,預(yù)防大多數(shù)孔內(nèi)事故的發(fā)生。

        4 總結(jié)

        本文介紹了一種回轉(zhuǎn)超壓保護液壓閥塊,將其嵌入鉆機液壓系統(tǒng)中,能夠起到預(yù)防孔內(nèi)鉆探事故的作用。通過模擬鉆機鉆進施工實際工況,利用AMEsim軟件對液壓閥塊進行建模與仿真,分析發(fā)現(xiàn)其工作動作特性與理論設(shè)計一致,為鉆探施工過程中預(yù)防孔內(nèi)事故提供了新方法和新思路。

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