JWZ-L-300工程鉆機液壓系統(tǒng)設計

李源周，劉 忠＊，，呂 勇，熊中剛，陳 忠，李慧嫻

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

0 引言

隨著液壓控制技術的應用和發(fā)展，我國的液壓控制技術不斷成熟，液壓控制技術具有啟動平穩(wěn)、無級調(diào)速、輸出轉(zhuǎn)矩大、控制簡單和性能良好等特點，被廣泛應用于運輸、工程機械、冶礦和煉膠等行業(yè)[1]。

JWZ-L-300工程鉆機主要應用于高海拔山區(qū)輸電線路基礎樁施工建設，該地區(qū)交通運輸條件和作業(yè)環(huán)境惡劣，且鉆機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)會受到很大的沖擊，對鉆機性能、液壓系統(tǒng)動力匹配度提出了很高的要求，且鉆機的可靠性和鉆機工作的性能都會影響著工程鉆機的壽命[3]。目前國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的工程鉆機大多采用傳統(tǒng)的液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，體積大、笨重、動力匹配度差，不能滿足高海拔山區(qū)輸電線路基礎樁施工建設要求[4]，且高海拔山區(qū)輸電線路基礎樁施工建設過程中，工程鉆機受現(xiàn)有技術和地理環(huán)境限制，使得工程鉆機在惡劣地質(zhì)環(huán)境的應用較少；對于高海拔山區(qū)輸電線路基礎建設采用人工挖孔，對于高原地區(qū)低壓、低氧、低溫作業(yè)環(huán)境下，作業(yè)人員的適應性差，且工作環(huán)境的安全性差，導致施工效率極其低下。

為此，本文針對JWZ-L-300工程鉆機現(xiàn)有技術和地質(zhì)環(huán)境條件的限制進行液壓系統(tǒng)研發(fā)和設計，使工程鉆機機型操控簡單、體積小、重量輕和動力匹配度好，從而提高鉆機的工作效率和施工進度。

1 鉆機基本結(jié)構(gòu)

JWZ-L-300工程鉆機主要是由行走機構(gòu)、液壓動力系統(tǒng)、機械傳動機構(gòu)、操縱機構(gòu)、推進機構(gòu)、起塔機構(gòu)、動力頭機構(gòu)和桅桿機構(gòu)等組成。具體結(jié)構(gòu)和相關參數(shù)如圖1和表1所示。

表1 JWZ-L-300鉆機結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 JWZ-L-300工程鉆機結(jié)構(gòu)

2 鉆機工作原理

鉆機工作時，首先利用2個液壓行走馬達帶動履帶行至工作位置，4個支腿油缸為落地支撐，利用其將鉆機固定至穩(wěn)定的位置，可以在鉆機工作時穩(wěn)定鉆機，減少鉆機不穩(wěn)定帶來的施工質(zhì)量問題[5]，為鉆機后續(xù)的工作提供堅實的基礎。起塔油缸將桅桿總成支撐至鉆機工作位置。動力頭推進油缸負責將動力頭和鉆頭部分推進至工作位置或抬起鉆頭進行鉆頭更換和鉆桿加長，穩(wěn)定的推力可以提高鉆機工作效率和可靠性，是鉆機正常工作中一個極重要的參數(shù)。鉆頭旋轉(zhuǎn)動力供給主要是由柴油機提供動力，利用皮帶傳動傳遞至變速箱，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)管傳遞至動力頭齒輪箱，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)工作，為鉆機的工作提供轉(zhuǎn)矩。桅桿總成上的動力頭包含動力頭夾緊油缸和動力頭開合油缸，此時的動力頭鎖緊油缸和動力頭開合油缸主要是對動力頭總成分別起到鎖緊和松開的作用，當動力頭需要移動時，動力頭開合油缸就會工作，動力頭總成在動力頭推進油缸作用下移至最佳位置，工程鉆機再次工作時，動力頭鎖緊油缸將動力總成鎖緊。

綜上所述，可靠的液壓控制系統(tǒng)和液壓動力匹配度對于JWZ-L-300鉆機工作起到了至關重要的作用，合理的液壓控制系統(tǒng)設計可以提高鉆機的工作效率和工作的可靠性。

3 鉆機液壓系統(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)采用一個液壓泵提供液壓動力，液壓泵輸出液壓動力通過分流閥將進油回路分成兩個進油回路，即A進油回路和B進油回路，A進油回路利用1個三位四通M型手動多路換向閥組控制2個液壓行走馬達和4個支腿油缸，B進油回路利用1個三位四通M型手動多路換向閥組控制起塔油缸、動力頭開合油缸、動力頭固定油缸和動力頭推進油缸；在4個支腿油缸回路中需要加液壓鎖對回路進行互鎖，為鉆機提供穩(wěn)定的支撐，保證其正常穩(wěn)定工作。其中，推進油缸換向閥的控制采用手動回位功能，推進油缸為鉆機工作時提供穩(wěn)定的推進力，保證正常的鉆進工作。

由于工程鉆機需控制的液壓執(zhí)行元件較多，一個單泵系統(tǒng)無法滿足液壓系統(tǒng)的動力需求，存在執(zhí)行元件所需求的液壓動力不足的問題，無法滿足其工作要求。兩個液壓馬達串聯(lián)在一個回路中，各個元件的速度不容易匹配，且兩個馬達同時工作時，馬達承受一定的背壓，對液壓馬達壽命造成一定的影響[6]。綜上分析，單泵-流閥控制系統(tǒng)的液壓回路很復雜，且液壓回路經(jīng)過分流閥分流為2個進油回路的過程會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)無法正常進行工作，各工作執(zhí)行元件之間的動力匹配度差，總體會影響液壓系統(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)采用一個外嚙合齒輪雙聯(lián)泵為液壓控制系統(tǒng)提供液壓動力，外嚙合齒輪雙聯(lián)泵的輸出液壓動力可以分為C端和D端，其中C端輸出的液壓動力給1個液壓行走馬達和4個支腿油缸提供動力，D端輸出的液壓動力給另一個液壓行走馬達、起塔油缸、動力頭固定油缸、動力頭開合油缸和動力頭推進油缸提供動力，采用兩個同規(guī)格的齒輪泵為系統(tǒng)提供動力，其中2個液壓馬達分別設于雙聯(lián)泵兩個輸出油路中，2個履帶行走時產(chǎn)生速度差更小[8]，行走精度更高，液壓控制系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)的動力匹配度更好[9]，系統(tǒng)效率、動力匹配度優(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個單泵并聯(lián)時要小，可減少設計尺寸空間。

綜上分析，采用雙聯(lián)泵進行液壓控制系統(tǒng)設計，使液壓系統(tǒng)設計更加簡單可靠，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

3.3 JWZ-L-300工程鉆機液壓系統(tǒng)

3.3.1 JWZ-L-300工程鉆機液壓系統(tǒng)工作原理

如圖2所示。JWZ-L-300工程鉆機液壓系統(tǒng)主要是由雙聯(lián)泵、柴油機、多路閥組、M型三位四通手動換向閥、液壓行走馬達、4個支腿油缸、動力頭鎖緊油缸、動力頭開合油缸、動力頭推進油缸、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)是使用一個外嚙合雙聯(lián)齒輪泵，液壓油通過雙聯(lián)泵為鉆機的各液壓執(zhí)行機構(gòu)供液。其中，雙聯(lián)泵的一個回路通過M型手動換向閥控制1個行走液壓馬達和1個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液壓行走馬達和動力頭鎖緊油缸、動力頭開合油缸、動力頭推進油缸和起塔油缸供液；動力頭推進油缸需要嚴格控制其流量和壓力的關系，利用進油節(jié)流調(diào)速回路來控制推進油缸推進鉆桿的速度。

圖2 JWZ-L-300工程鉆機液壓系統(tǒng)原理

推進油缸控制回路如圖3所示。

圖3 推進油缸控制回路

3.3.2 速度負載特性分析

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

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

由于推進油缸的供油壓力pp為定值，故節(jié)流閥兩端的壓差為：

經(jīng)過節(jié)流閥進入液壓缸的流量為[11]

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

故推進油缸的運行速度為：

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

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個液壓行走馬達和4個支腿油缸屬于動力互斥關系；工程鉆機雙聯(lián)泵輸出端口P3連接另1個液壓行走馬達與動力頭鎖緊油缸、動力頭開合油缸、動力頭推進油缸、起塔油缸屬于動力互斥關系?？刂?個液壓行走馬達的控制閥采用三位四通M型手動換向閥，采用泵和液壓馬達的形式，靠液壓壓力傳遞動力，驅(qū)動液壓馬達工作，帶動履帶行走。這種傳動方式的優(yōu)點是可實現(xiàn)無級調(diào)速，對閥的操作更加靈活可靠。同時，采用柴油機輸出機械動力帶動雙聯(lián)液壓泵旋轉(zhuǎn)輸出液壓動力的輸出端口P2，當三位四通M型手動換向閥位于左位機能或右位機能時，帶動液壓行走馬達完成行走工作，輸出端口P2和P3分別并聯(lián)一個溢流閥，保護液壓回路的安全。其中雙聯(lián)泵的工作原理：它是有相互獨立、分離的兩個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，由同一個進油口P1輸入液壓油，能夠相互獨立的出油口P2和P3排出液壓油，從而實現(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

當三位四通M型手動換向閥位于中位機能時，由雙聯(lián)泵輸出的液壓油由P2輸出液壓動力帶動4個支腿油缸工作，4個支腿油缸由1個4路多路閥組控制，在4個支腿油缸的回路中分別設置4個液壓鎖，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O型三位六通換向控制閥處于左位機能時，支腿油缸無桿腔高壓進油，有桿腔液壓油被壓回油箱，支腿油缸的活塞桿起支撐作用。當控制閥處于右位機能時，工作功能和左位機能剛好相反。當控制某一個支腿油缸的三位六通O型換向控制閥處于中位機能時，液壓鎖實現(xiàn)回路互鎖，支腿油缸的左右油腔的油液處于靜止狀態(tài)，保持支腿油缸穩(wěn)定支撐。雙聯(lián)泵旋轉(zhuǎn)輸出液壓動力的輸出端口P3通過三位四通M型手動換向閥給液壓行走馬達提供液壓動力，帶動其工作。當三位四通M型手動換向閥位于中位機能時，這時動力頭鎖緊油缸、動力頭開合油缸、動力頭推進油缸、起塔油缸可以正常工作。

4 結(jié)論

（1）相對于市場直徑為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；本文設計的工程鉆機的外形尺寸縮小了近1/2，重量減少了1/2，各機構(gòu)模塊之間分別采用可拆卸連接，實現(xiàn)了模塊化、輕量化的需求，使鉆機更容易拆裝、維修和運輸。

（2）采用雙聯(lián)泵液壓控制系統(tǒng)設計，能較好地滿足了該工程鉆機的工作需求，液壓控制系統(tǒng)簡單可靠，各液壓執(zhí)行機構(gòu)動力匹配度較好；并采用進油節(jié)流閥調(diào)速回路對推進油缸實施速度控制，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）本文設計方法可為此類工程鉆機液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設計與應用提供技術支撐。