李源周，劉 忠＊，，呂 勇，熊中剛，陳 忠，李慧嫻

（1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006）

0 引言

隨著液壓控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，我國的液壓控制技術(shù)不斷成熟，液壓控制技術(shù)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、無級(jí)調(diào)速、輸出轉(zhuǎn)矩大、控制簡單和性能良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、工程機(jī)械、冶礦和煉膠等行業(yè)[1]。

JWZ-L-300工程鉆機(jī)主要應(yīng)用于高海拔山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)樁施工建設(shè)，該地區(qū)交通運(yùn)輸條件和作業(yè)環(huán)境惡劣，且鉆機(jī)在工作過程中頻繁啟停、換向等操作造成液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定[2]，液壓系統(tǒng)會(huì)受到很大的沖擊，對(duì)鉆機(jī)性能、液壓系統(tǒng)動(dòng)力匹配度提出了很高的要求，且鉆機(jī)的可靠性和鉆機(jī)工作的性能都會(huì)影響著工程鉆機(jī)的壽命[3]。目前國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的工程鉆機(jī)大多采用傳統(tǒng)的液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，體積大、笨重、動(dòng)力匹配度差，不能滿足高海拔山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)樁施工建設(shè)要求[4]，且高海拔山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)樁施工建設(shè)過程中，工程鉆機(jī)受現(xiàn)有技術(shù)和地理環(huán)境限制，使得工程鉆機(jī)在惡劣地質(zhì)環(huán)境的應(yīng)用較少；對(duì)于高海拔山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)建設(shè)采用人工挖孔，對(duì)于高原地區(qū)低壓、低氧、低溫作業(yè)環(huán)境下，作業(yè)人員的適應(yīng)性差，且工作環(huán)境的安全性差，導(dǎo)致施工效率極其低下。

為此，本文針對(duì)JWZ-L-300工程鉆機(jī)現(xiàn)有技術(shù)和地質(zhì)環(huán)境條件的限制進(jìn)行液壓系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)，使工程鉆機(jī)機(jī)型操控簡單、體積小、重量輕和動(dòng)力匹配度好，從而提高鉆機(jī)的工作效率和施工進(jìn)度。

1 鉆機(jī)基本結(jié)構(gòu)

JWZ-L-300工程鉆機(jī)主要是由行走機(jī)構(gòu)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、起塔機(jī)構(gòu)、動(dòng)力頭機(jī)構(gòu)和桅桿機(jī)構(gòu)等組成。具體結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)如圖1和表1所示。

表1 JWZ-L-300鉆機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 JWZ-L-300工程鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

2 鉆機(jī)工作原理

鉆機(jī)工作時(shí)，首先利用2個(gè)液壓行走馬達(dá)帶動(dòng)履帶行至工作位置，4個(gè)支腿油缸為落地支撐，利用其將鉆機(jī)固定至穩(wěn)定的位置，可以在鉆機(jī)工作時(shí)穩(wěn)定鉆機(jī)，減少鉆機(jī)不穩(wěn)定帶來的施工質(zhì)量問題[5]，為鉆機(jī)后續(xù)的工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。起塔油缸將桅桿總成支撐至鉆機(jī)工作位置。動(dòng)力頭推進(jìn)油缸負(fù)責(zé)將動(dòng)力頭和鉆頭部分推進(jìn)至工作位置或抬起鉆頭進(jìn)行鉆頭更換和鉆桿加長，穩(wěn)定的推力可以提高鉆機(jī)工作效率和可靠性，是鉆機(jī)正常工作中一個(gè)極重要的參數(shù)。鉆頭旋轉(zhuǎn)動(dòng)力供給主要是由柴油機(jī)提供動(dòng)力，利用皮帶傳動(dòng)傳遞至變速箱，經(jīng)變速箱變速后傳遞至牛頭齒輪箱的六方旋轉(zhuǎn)管上，經(jīng)六方旋轉(zhuǎn)管傳遞至動(dòng)力頭齒輪箱，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)工作，為鉆機(jī)的工作提供轉(zhuǎn)矩。桅桿總成上的動(dòng)力頭包含動(dòng)力頭夾緊油缸和動(dòng)力頭開合油缸，此時(shí)的動(dòng)力頭鎖緊油缸和動(dòng)力頭開合油缸主要是對(duì)動(dòng)力頭總成分別起到鎖緊和松開的作用，當(dāng)動(dòng)力頭需要移動(dòng)時(shí)，動(dòng)力頭開合油缸就會(huì)工作，動(dòng)力頭總成在動(dòng)力頭推進(jìn)油缸作用下移至最佳位置，工程鉆機(jī)再次工作時(shí)，動(dòng)力頭鎖緊油缸將動(dòng)力總成鎖緊。

綜上所述，可靠的液壓控制系統(tǒng)和液壓動(dòng)力匹配度對(duì)于JWZ-L-300鉆機(jī)工作起到了至關(guān)重要的作用，合理的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提高鉆機(jī)的工作效率和工作的可靠性。

3 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)分析研究

3.1 單泵-分流閥液壓系統(tǒng)方案

該液壓控制系統(tǒng)采用一個(gè)液壓泵提供液壓動(dòng)力，液壓泵輸出液壓動(dòng)力通過分流閥將進(jìn)油回路分成兩個(gè)進(jìn)油回路，即A進(jìn)油回路和B進(jìn)油回路，A進(jìn)油回路利用1個(gè)三位四通M型手動(dòng)多路換向閥組控制2個(gè)液壓行走馬達(dá)和4個(gè)支腿油缸，B進(jìn)油回路利用1個(gè)三位四通M型手動(dòng)多路換向閥組控制起塔油缸、動(dòng)力頭開合油缸、動(dòng)力頭固定油缸和動(dòng)力頭推進(jìn)油缸；在4個(gè)支腿油缸回路中需要加液壓鎖對(duì)回路進(jìn)行互鎖，為鉆機(jī)提供穩(wěn)定的支撐，保證其正常穩(wěn)定工作。其中，推進(jìn)油缸換向閥的控制采用手動(dòng)回位功能，推進(jìn)油缸為鉆機(jī)工作時(shí)提供穩(wěn)定的推進(jìn)力，保證正常的鉆進(jìn)工作。

由于工程鉆機(jī)需控制的液壓執(zhí)行元件較多，一個(gè)單泵系統(tǒng)無法滿足液壓系統(tǒng)的動(dòng)力需求，存在執(zhí)行元件所需求的液壓動(dòng)力不足的問題，無法滿足其工作要求。兩個(gè)液壓馬達(dá)串聯(lián)在一個(gè)回路中，各個(gè)元件的速度不容易匹配，且兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，馬達(dá)承受一定的背壓，對(duì)液壓馬達(dá)壽命造成一定的影響[6]。綜上分析，單泵-流閥控制系統(tǒng)的液壓回路很復(fù)雜，且液壓回路經(jīng)過分流閥分流為2個(gè)進(jìn)油回路的過程會(huì)造成很大的液壓能量損失[7]，液壓系統(tǒng)效率低、油溫高，需配置較大功率的散熱系統(tǒng)，否則液壓系統(tǒng)無法正常進(jìn)行工作，各工作執(zhí)行元件之間的動(dòng)力匹配度差，總體會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作壽命。

3.2 雙聯(lián)泵液壓系統(tǒng)方案

該液壓系統(tǒng)采用一個(gè)外嚙合齒輪雙聯(lián)泵為液壓控制系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，外嚙合齒輪雙聯(lián)泵的輸出液壓動(dòng)力可以分為C端和D端，其中C端輸出的液壓動(dòng)力給1個(gè)液壓行走馬達(dá)和4個(gè)支腿油缸提供動(dòng)力，D端輸出的液壓動(dòng)力給另一個(gè)液壓行走馬達(dá)、起塔油缸、動(dòng)力頭固定油缸、動(dòng)力頭開合油缸和動(dòng)力頭推進(jìn)油缸提供動(dòng)力，采用兩個(gè)同規(guī)格的齒輪泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力，其中2個(gè)液壓馬達(dá)分別設(shè)于雙聯(lián)泵兩個(gè)輸出油路中，2個(gè)履帶行走時(shí)產(chǎn)生速度差更小[8]，行走精度更高，液壓控制系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力匹配度更好[9]，系統(tǒng)效率、動(dòng)力匹配度優(yōu)于單泵-分流閥系統(tǒng)，且減少系統(tǒng)熱量的疊加，雖然發(fā)熱量相比于單泵-分流閥系統(tǒng)低，但還需配置有散熱系統(tǒng)[10]，且雙聯(lián)泵的尺寸比2個(gè)單泵并聯(lián)時(shí)要小，可減少設(shè)計(jì)尺寸空間。

綜上分析，采用雙聯(lián)泵進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡單可靠，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

3.3 JWZ-L-300工程鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

3.3.1 JWZ-L-300工程鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理

如圖2所示。JWZ-L-300工程鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要是由雙聯(lián)泵、柴油機(jī)、多路閥組、M型三位四通手動(dòng)換向閥、液壓行走馬達(dá)、4個(gè)支腿油缸、動(dòng)力頭鎖緊油缸、動(dòng)力頭開合油缸、動(dòng)力頭推進(jìn)油缸、起塔油缸、溢流閥、散熱器、油箱、壓力表等組成。該液壓控制系統(tǒng)是使用一個(gè)外嚙合雙聯(lián)齒輪泵，液壓油通過雙聯(lián)泵為鉆機(jī)的各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)供液。其中，雙聯(lián)泵的一個(gè)回路通過M型手動(dòng)換向閥控制1個(gè)行走液壓馬達(dá)和1個(gè)四路多路閥組控制支腿油缸供液，雙聯(lián)泵的另一回路給另一個(gè)液壓行走馬達(dá)和動(dòng)力頭鎖緊油缸、動(dòng)力頭開合油缸、動(dòng)力頭推進(jìn)油缸和起塔油缸供液；動(dòng)力頭推進(jìn)油缸需要嚴(yán)格控制其流量和壓力的關(guān)系，利用進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路來控制推進(jìn)油缸推進(jìn)鉆桿的速度。

圖2 JWZ-L-300工程鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理

推進(jìn)油缸控制回路如圖3所示。

圖3 推進(jìn)油缸控制回路

3.3.2 速度負(fù)載特性分析

以推進(jìn)油缸的活塞為研究對(duì)象，根據(jù)力學(xué)平衡原理得作用于活塞的受力平衡方程：

式中：p1、p2分別為推進(jìn)油缸進(jìn)油腔和回油腔的壓力，Pa；F為推進(jìn)油缸的負(fù)載，N；A1、A2分別為推進(jìn)油缸無桿腔和有桿腔的有效作用面積，m2。

由于推進(jìn)油缸的供油壓力pp為定值，故節(jié)流閥兩端的壓差為：

經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的流量為[11]

式中：K為節(jié)流系數(shù)（對(duì)薄壁孔，對(duì)細(xì)長孔K=d2/32μL）；Cd為流量系數(shù)；ρ、μ分別為液體密度和動(dòng)力黏度；d、L分別為細(xì)長孔直徑和長度；AT為節(jié)流閥通流截面面積，m2；m為與節(jié)流口形狀有關(guān)的系數(shù)（對(duì)薄壁孔m=0.5，對(duì)細(xì)長孔m=1）。

故推進(jìn)油缸的運(yùn)行速度為：

式（4）即為進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速回路的負(fù)載特性方程，推進(jìn)油缸的運(yùn)動(dòng)速度v和節(jié)流閥通流截面面積AT成正比?？梢哉{(diào)節(jié)節(jié)流閥通流截面面積AT來調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸的速度v，為鉆孔的鉆桿鉆進(jìn)提供合適和穩(wěn)定的推進(jìn)速度。且在回油路加裝有背壓閥，使得推進(jìn)油缸子系統(tǒng)中兼具進(jìn)、回油節(jié)流調(diào)速回路的優(yōu)點(diǎn)，使回油路存在一定背壓，它可以起到阻尼作用，同時(shí)空氣不易滲入，速度穩(wěn)定性好，推進(jìn)油缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性更好，回路中承受負(fù)值負(fù)載的能力增強(qiáng)。

3.3.3 雙聯(lián)泵供油原理

雙聯(lián)泵原理如圖4所示。該液壓控制系統(tǒng)的雙聯(lián)泵輸出端口P2連接1個(gè)液壓行走馬達(dá)和4個(gè)支腿油缸屬于動(dòng)力互斥關(guān)系；工程鉆機(jī)雙聯(lián)泵輸出端口P3連接另1個(gè)液壓行走馬達(dá)與動(dòng)力頭鎖緊油缸、動(dòng)力頭開合油缸、動(dòng)力頭推進(jìn)油缸、起塔油缸屬于動(dòng)力互斥關(guān)系?？刂?個(gè)液壓行走馬達(dá)的控制閥采用三位四通M型手動(dòng)換向閥，采用泵和液壓馬達(dá)的形式，靠液壓壓力傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作，帶動(dòng)履帶行走。這種傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，對(duì)閥的操作更加靈活可靠。同時(shí)，采用柴油機(jī)輸出機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)雙聯(lián)液壓泵旋轉(zhuǎn)輸出液壓動(dòng)力的輸出端口P2，當(dāng)三位四通M型手動(dòng)換向閥位于左位機(jī)能或右位機(jī)能時(shí)，帶動(dòng)液壓行走馬達(dá)完成行走工作，輸出端口P2和P3分別并聯(lián)一個(gè)溢流閥，保護(hù)液壓回路的安全。其中雙聯(lián)泵的工作原理：它是有相互獨(dú)立、分離的兩個(gè)泵組件與泵外殼互相串聯(lián)而成[11]，由同一根軸共同驅(qū)動(dòng)，由同一個(gè)進(jìn)油口P1輸入液壓油，能夠相互獨(dú)立的出油口P2和P3排出液壓油，從而實(shí)現(xiàn)不同容積下的速度、壓力和流量的控制。

圖4 雙聯(lián)泵原理

當(dāng)三位四通M型手動(dòng)換向閥位于中位機(jī)能時(shí)，由雙聯(lián)泵輸出的液壓油由P2輸出液壓動(dòng)力帶動(dòng)4個(gè)支腿油缸工作，4個(gè)支腿油缸由1個(gè)4路多路閥組控制，在4個(gè)支腿油缸的回路中分別設(shè)置4個(gè)液壓鎖，以防止因換向滑閥內(nèi)漏而造成軟腿故障。液壓鎖的控制原理如圖5所示，其中液壓鎖使用2個(gè)液控單向閥組合。

圖5 液壓鎖控制原理

b1端口連接油缸無桿腔，b2端口連接油缸有桿腔。當(dāng)O型三位六通換向控制閥處于左位機(jī)能時(shí)，支腿油缸無桿腔高壓進(jìn)油，有桿腔液壓油被壓回油箱，支腿油缸的活塞桿起支撐作用。當(dāng)控制閥處于右位機(jī)能時(shí)，工作功能和左位機(jī)能剛好相反。當(dāng)控制某一個(gè)支腿油缸的三位六通O型換向控制閥處于中位機(jī)能時(shí)，液壓鎖實(shí)現(xiàn)回路互鎖，支腿油缸的左右油腔的油液處于靜止?fàn)顟B(tài)，保持支腿油缸穩(wěn)定支撐。雙聯(lián)泵旋轉(zhuǎn)輸出液壓動(dòng)力的輸出端口P3通過三位四通M型手動(dòng)換向閥給液壓行走馬達(dá)提供液壓動(dòng)力，帶動(dòng)其工作。當(dāng)三位四通M型手動(dòng)換向閥位于中位機(jī)能時(shí)，這時(shí)動(dòng)力頭鎖緊油缸、動(dòng)力頭開合油缸、動(dòng)力頭推進(jìn)油缸、起塔油缸可以正常工作。

4 結(jié)論

（1）相對(duì)于市場直徑為300 mm規(guī)格長為6 m、寬為2.1 m，高為3.2 m，總量為9100 kg的工程鉆機(jī)；本文設(shè)計(jì)的工程鉆機(jī)的外形尺寸縮小了近1/2，重量減少了1/2，各機(jī)構(gòu)模塊之間分別采用可拆卸連接，實(shí)現(xiàn)了模塊化、輕量化的需求，使鉆機(jī)更容易拆裝、維修和運(yùn)輸。

（2）采用雙聯(lián)泵液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能較好地滿足了該工程鉆機(jī)的工作需求，液壓控制系統(tǒng)簡單可靠，各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力匹配度較好；并采用進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速回路對(duì)推進(jìn)油缸實(shí)施速度控制，雖存在一定的節(jié)流損失，但速度控制較為平穩(wěn)，獲得良好的工作性能。

（3）本文設(shè)計(jì)方法可為此類工程鉆機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。