全液压驱动钻机液压系统研究

姜 鹏，李 壮，李 扬，姚 瑶

（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；2.鞍山精准光学扫描技术有限公司，辽宁 鞍山 114051；3.辽宁北辰液压气动有限公司，辽宁 阜新 123000；4.辽宁科技大学 机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）

旋转钻机是露天矿开采的主要设备之一，主要用于爆破工程的穿孔，在矿石开采过程中发挥着不可替代的作用，但是，目前国内使用的钻机大部分为国外进口，价格昂贵，而目前国内研发生产的液压钻大多采用传统的液压节流调速系统，体积大、笨重、工作效率低，不能满足矿山开采现场的工作要求[1]。传统钻机液压节流调速系统工作效率低下，近半的功率作为热量和噪声损失消耗，使系统的能耗及发热非常突出。因此，需研发一种新型的液压系统，从多方面降低液压系统的损耗，提高系统的传递效率。新型的钻机液压系统，需满足已下2大要求：①节能要求：液压泵能根据液压钻机的负载变化提供所需的液压功率，尽量减少流量和压力损失，将节流调速改变为容积调速，特别是按负载需要提供所需流量;②调速要求：希望操纵阀控制调速时，不受负载压力变化和油泵流量变化的影响，能按操纵指示来调速。为此采用负载敏感泵和带压差补偿的负载敏感比例多路换向阀来设计新的钻机液压系统。

1 钻机液压系统的设计

1.1 液压泵

液压泵是整个液压系统的重要组成部分，相当于整个钻机的“心脏”，负责整个钻机液压系统的动力输出，为了满足最初的设计要求，钻机液压泵选用系统恒功率－压力切断－负载敏感泵来提供动力。综合考虑后，钻机选用V30D－250系列负载敏感式变量柱塞泵，该泵是平行布置轴向柱塞滑靴柱塞泵，排量大小由斜盘摆角决定[2]，最大排量可以通过设定螺钉机械限制，斜盘摆角可通过机械指示器观察。

液压钻机应用恒功率变量泵，目的是充分利用电动机的功率[3]，根据工作压力调节泵的排量，以避免被泵吸收的功率超过电动机提供的功率值[4]，保护电机不被损坏，同时该泵还具有压力切断与负载敏感功能。液压泵可根据不同工况自行调整排量，满足钻机的工作要求。

1.2 负载敏感比例多路换向阀

为满足液压钻机执行元件的流量控制与换向控制要求，将各个执行元件的负载工况及时反馈至液压泵，迅速调整泵的排量，系统液压多路换向阀选择与泵配套的PSV系列负载敏感比例多路换向阀。

将负载敏感比例多路阀的“LS”口与负载敏感泵的控制口“X”相连，便可以通过负载反馈，控制泵的排量，实现液压执行元件速度的无极速度调整，同时多个执行元件可同时且独立的进行工作。

1.3 变量柱塞发动机

将变量柱塞发动机与行星减速齿轮箱集成为液压发动机行走总成，发动机选用A6VE160系列双速发动机，发动机旋转方向双向可逆，可满足钻机前进与倒退工况需求；发动机内集成驻车制动，可以有效的防止钻机在钻孔工作时运动，并满足钻机行走时的刹车制动，发动机同时具有液压先导双速切机构，可以实现发动机双速变量，满足钻机高低速要求，并且发动机内置带有冲洗阀，可以带走系统产生的热量。紧凑式设计可大大减少安装空间[3]。

1.4 液压附件与液压阀

在液压系统吸油口处装有过滤精度较低的吸油过滤器，可以防止大的污染物进入液压系统，保证液压元件不被损坏，在回油系统中装有过滤精度较高的回油过滤器，可以过滤掉系统运行中产生的细小污染物，从而保证油液的清洁度，延长液压元件的使用寿命；为了控制液压系统的油温，保证系统的可靠性，在主回油上装有冷却器，当系统油温过高时，可以自动启动冷却器，用来保证系统的油温。加压提升油缸之路装有减压阀和平衡阀，用于满足加压工况的要求。支腿油缸之路装有平衡阀组，可以保证只有钻机起落的平稳性。钻架举升油缸之路也装有平衡阀，可以克服钻架在起升与落下过程中重力导致的钻架不平稳运动，同时钻架举升油缸油口处装有防爆管阀，当发生爆管情况时，仍可保证钻架平稳落下，从而保证钻机的可靠性。

2 液压行走系统原理

钻机液压系统主要由变量柱塞泵、比例多路换向阀、行走液压发动机总成、回转发动机、加压提升油缸、支腿油缸、钻架举升油缸、平衡阀、防爆阀及液压油箱、液压附件等组成。液压行走系统原理图如图1。

2.1 工作主油路

钻机的行走系统是整机在工作中重要的组成部分，因此，用2片比例多路阀分别控制钻机的左右行走发动机，通过改变比例换向阀电磁铁的通断情况，控制阀的换向，从而控制行走发动机的正反转，控制钻机的前进与后退。由于钻机在工作中，各个位置岩层的硬度差别很大，因此，回转发动机和加压提升油缸是钻机工作中负载变化情况最为复杂的部分，也分别单独采用1片比例多路阀控制，可以排除别的液压之路对此的影响；钻机举升和支腿等辅助动作共用1片比例阀控制。通过控制比例阀的电流大小，可以对以上液压执行元件进行无极调速控制，满足钻机各种工况要求。

2.2 负载敏感系统

在液压钻机停机时，在弹簧力的作用下，柱塞泵的斜盘会处于最大摆角。但当启动电机后，变量泵的斜盘会在瞬间由最大摆角转变为最小摆角，在此时，比例多路换向阀上公共的负载“LS”信号通道通过阀的“T”口卸压，可以防止例多路换向阀的操作失灵[5]。此时，由于比例多路阀无换向操作，阀芯处于中位位置，这样，比例多路阀的“LS”口就无压力反馈到变量柱塞泵的“X”口，V30D变量柱塞泵的流量－压力控制器上的变量控制口接收不到比例多路阀反馈的压力信号，此时，负载敏感泵默认为无负载状态，变量泵的斜盘处于最小摆角，此时泵的流量很小，约为3～ 5 L/min[6]。这样泵在该状态下的排量就会很小，压力也只是由于损失产生的，因此系统的功率损失较小，系统产热量会很低。这时，泵中少量的油液进行空循环，从而建立液压油膜，起到对轴承润滑的作用，防止在泵高速旋转下轴承发热量过高，影响轴承的寿命，从而影响泵的使用。

图1 液压行走系统原理图

在比例多路换向阀的每片阀板上都单独装有1个液压梭阀，通过该梭阀可以对每片阀上的负载压力进行比较，并取出钻机各个液压之路工作工作时的最大的压力值，通过“LS”口反馈到负载敏感式变量泵的排量控制口。这样，可以保证多个液压执行元件同时且独立的工作，互不影响[7]。泵的LSN变量机构会根据负载敏感阀“LS”口反馈的压力信号来控制泵的摆角，使泵的输出流量与负载所需的流量几乎完全匹配。不会产生多余流量溢流掉，从而减少产热量，提高液压系统工作效率[8]。同时每个阀片具有二次压力限制的溢流阀，可以保证进入每个液压之路的压力各不相同，满足钻机各个执行元件对不同压力的需求。

3 样机的试制试验

结合新疆露天矿现场的实际作业要求，完成了钻机液压系统的分析和设计，进行了液压元件的选型、采购与制作，并按照系统的工作要求对钻机进行整机的样机试制。

全液压驱动钻机试制成功后，在新疆露天矿现场进行了整机的试验，整机各个性能均能满足最初设计要求的指标，具体为：

1）行走性能测试。钻机在露天矿现场进行多次行走试验，行走速度可根据速度调节手柄进行无级调速，慢速可以从0～1 km/h进行随意速度调整，当切换到高速行走挡时，最快速度可达到1.5 km/h，满足最初的设计要求。而且，钻机在爬坡、转弯等工况下运行均很平稳。

2）支腿性能测试。将钻机的每个支腿进行了单独试验，每个支腿，都可平稳的举起钻机，可以保证钻机在各种地形钻孔的要求。同时，4个支腿油缸同时伸出缩回，钻机升降落下平稳，无明显倾斜现象。将钻机举起保压24 h，24 h后钻机无明显下落，证明了液压支腿的可靠性。

3）举升性能测试。钻机钻架在举升与落下过程中，运行平稳，钻架无明显振动现象，验证了举升油缸平衡阀组设计的合理与可靠性。

4）整机性能测试。最后，对钻机进行了整机的试验，液压系统能够满足各种工况要求，而且，通过负载敏感泵与负载敏感阀的结合使用，降低了液压系统的发热量，节约了能耗。

4 结语

通过场地试验改进后，负载敏感泵与负载敏感阀组合使用的负载敏感系统在液压钻机中试验成功，不仅实现了供需功率匹配，同时也最大限度的减少不必要的能量损失和系统发热问题，提高了液压系统的工作效率，节约了能耗。比例多路阀的运用，使钻机各个液压执行元件的速度可以进行无级调整。双速发动机切换，可以实现钻机行走速度高低档的切换。新型的负载敏感系统可以广泛的应用于钻机以及各类工程机械中。