液壓節能策略在鉆機開發中的應用

王士昭，王克虎，程林，孔令滬，張益男，朱立強，解少朋，王浩，薛滋苗

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081; 2.河北石探機械制造有限責任公司，石家莊 050081)

0 引言

鉆機是地質勘探及工程施工等領域的重要設備，在鉆機設計時，只有提高機電液節能控制技術，才能保證設備的運行質量，從而整體提高設備品質。基于上述思路來指導機械產品的設計，才能夠符合當前社會的發展需求。

我單位研制的多功能取樣鉆機以高頻沖擊進行直推取樣和回轉鉆進螺旋取樣兩種方式確保取樣率及樣品符合標準。該鉆機以內燃發動機為動力源，通過液壓系統驅動液壓沖擊及動力頭回轉，實施取樣作業。據此，我們針對該鉆機動力匹配系統，合理設置了發動機負荷率，通過調整液壓系統的參數來適應鉆進工況的變化[1]，使發動機始終工作在最佳油耗點，提高發動機的燃油利用率，達到節能減排的目的。

1 發動機的節能分析

1.1 發動機負荷特性

負荷特性是指維持發動機轉速不變，其燃油經濟性指標隨負載而變化的關系[2]。當發動機保持固定轉速，通過調整噴油泵齒條或拉桿位置，改變每循環供油量時，有效燃油消耗率be隨負荷扭矩T變化的關系即為發動機負荷特性[3]。

當發動機空轉時，be為無窮大，隨著負荷Ttq增加，每循環的供油量增加，be下降，供油量增加到點1位置時，be達到最低值，再繼續增加負荷和供油量時，由于過量空氣系數的減少，燃燒惡化，不完全燃燒及補燃增加，be升高；當供油量增加到點2的位置(該轉速下最大扭矩)時，排氣冒黑煙，達到國家法規規定的煙度限值，繼續增加油量已為公害[2]，見圖1。

圖1 發動機負荷特性曲線

由負荷特性曲線可見，耗油率be隨負荷增加而降低，在接近全負荷(常在80%負荷率左右)時，be達到最小。因此，提高發動機燃油經濟性的關鍵是為發動機匹配到合適的負荷率，從而降低發動機的燃油消耗[2]。

基于以上分析，發動機外特性與目標值負荷間的關系曲線如圖2所示。當轉速在發動機怠速至最大轉矩轉速之間時，負荷率設置為 80%或略微低一些。其中，曲線A-B-C為發動機的外特性轉矩曲線(油門全開)，曲線F-D-E-C為外負載經傳動裝置轉換后所需要的轉矩曲線。n0為發動機怠速，n1為液壓泵的啟動轉速，n2為發動機最大轉矩時的轉速，n3為發動機的額定轉速。按圖2所示的負荷率工作，既滿足了復合動力裝置高效率、高動力性的要求，又使發動機有一定的儲備功率，有利于提高加速性能并且在遇到突發載荷而控制裝置因慣性滯后調節時可以防止發動機熄火[4]。

圖2 發動機扭矩特性與目標值負荷率曲線

1.2 發動機節能設計

鉆機在實際作業中，將外負載以扭矩和轉速的形式反饋到發動機主軸，其中扭矩T的大小由外負載和傳動比決定。

發動機工作中的輸出扭矩應在曲線A-B-C以下，如果負載扭矩過界，發動機將冒黑煙熄火，如果負載扭矩過低將造成負荷率過低、燃油利用率過低的情況發生。如果將發動機負荷點設置在A-B-C和D-E-C之間，則發動機抗過載能力偏差，在鉆機主軸負荷稍微增大時，發動機就可能熄火。故鉆機負荷率應沿D-E-C曲線來設置，這樣即使鉆機在運行中負荷有過載的情況，由于D-E-C與A-B-C間的余量存在，也會避免因負載突變造成的發動機熄火。

2 液壓傳動系統的節能策略

變量泵變量馬達的容積調速回路的主要優點是沒有節流調速中通過溢流閥和節流閥的溢流功率損失和節流功率損失，所以發熱少、效率高，更節能。轉盤鉆機的機械式變速箱調速范圍不夠寬廣，且不能實現無級調速，致使發動機經常使用負荷過低，燃油經濟性極差。

由變量泵變量馬達組成的液壓傳動系統，除了實現無級調速外，更重要的是可以根據鉆機實際工況實時調節發動機負荷扭矩，使發動機穩定在最佳油耗區工作，動態調節發動機、液壓系統和主軸工況的參數，使其匹配更趨科學合理。

泵通過法蘭聯軸器與發動機飛輪相連，故泵的轉速與發動機轉速相等，泵的輸入轉矩與發動機的輸出扭矩相等。要實現發動機的節能減排，提高燃油利用率，發動機應在該轉速下的最佳負荷率下運行，在該轉速下其輸出轉矩應為一固定值，該固定值應按照圖2中D-E-C曲線選定。

液壓泵的輸入轉矩根據下式計算：

(1)

式中：Mb為泵的輸入轉矩，N·m；pb為泵出口進口壓差，MPa；qb為泵的排量，mL/r。其中，pb取決于負載，當負載變化時，引起pb和Mb變化，在液壓控制系統不干預的情況下，當Mb偏離最佳工作點時，發動機燃油經濟性將急劇下降，且有過載熄火的可能。此時主控制器根據壓力傳感器反饋的壓力信號，判斷出鉆機動力頭液壓馬達內壓力升高或者降低，通過發出控制信號來改變變量柱塞泵的斜盤擺角，來調節泵的排量qb以穩定Mb為一定值，使發動機和液壓泵之間實現扭矩的匹配。

雖然鉆機負載隨實際工況在實時變化，但是通過控制系統對液壓元件參數的調節，可以實現發動機恒轉速恒扭矩的輸出，保證了發動機有效燃油消耗率始終處于最佳狀態。

3 發動機—液壓系統節能策略的實現

為了使鉆機在最佳工況點運行，從而降低鉆機的燃油消耗，最理想的控制方式是利用控制器根據鉆進工況，組合控制發動機轉速及液壓元件參數，使發動機根據不同工況穩定在理想負荷率下工作。如圖3所示，通過速度傳感器和壓力傳感器感知負載變化，通過控制機構調節液壓馬達和液壓泵的排量來調節傳動比平衡負載變化，確保發動機在最佳油耗點運轉。

圖3 電液比例功率匹配控制系統

當鉆進至堅硬巖層，主軸所需扭矩增加，根據傳感器反饋信號，以及如下公式計算馬達輸出轉矩：

(2)

式中：Tm為馬達輸出的轉矩，N·m；pm為馬達出口進口壓差，MPa；qm為馬達的排量，mL/r。

主軸所需扭矩即為馬達輸出扭矩，當Tm增大，馬達進出口壓差pm增大，如果pm增大在液壓泵排量不變的情況下，液壓泵所需扭矩Mb將會變大，發動機工作點將飄移出最佳工作點，為了阻止pm增大，故主控將增大馬達的排量qm來使pm保持原值不變，通過降速增扭的方式來平衡Tm的增大，以使發動機負荷維持在最佳油耗點。

4 結語

由于地層情況復雜多樣，多功能取樣鉆機在回轉鉆進螺旋建井過程中主軸負載多變，采用發動機—液壓系統—負載的聯合控制策略既能充分發揮發動機的動力，又能提高有效燃油消耗率，節能減排。改善鉆機鉆進作業經濟性的關鍵是改善傳動系統與發動機的匹配，其本質是維持發動機的最佳負荷率。