防突远距离控制钻机液压系统的设计.pdf

2 0 1 0年 l 2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第6期 防突远距离控制钻机液压系统的设计 辛德 忠 ， 陈松林 ， 王志红 煤炭科 学研究总院重庆研 究院 ， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘 要 详细阐述 了防突远距离控制钻机 简称远控钻机 液压系统的设计。该 系统不仅采用 了电 液比例控制， 而且采用 了高可靠性、 良好的微调性的闭中心负载敏感液压系统， 确保 了钻机 的使用性能。 关键 词 远 控钻机 ； 电液 比例控 制 ； 负 载敏 感控 制 中图分类号 T D 4 0 3 文献标志码 C 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 0 】 0 6 0 0 3 8 0 3 在突出煤层 中施工钻孔时常有 突出事故发生 ， 使得钻孔施工人员没有安全保障。对突出煤层瓦斯 抽放采用了各种不同的技术和装备 ， 但是要在确保 安全前提下开采此类煤炭几乎成为不 可能。因此 ， 为了在瓦斯突出时有效保障操作人员的人身安全 ， 远控钻机通过 P L C点对点远程通信控制 ， 使操作者 在安全区域通过视频及人机界面远距离操作控制钻 机， 达到远距离钻孔、 自动钻杆加接及拆卸 ， 实现钻 场无人化操作。 为了实现远控钻机钻进 、 钻杆 自动加接与拆卸 ， 就要求远控钻机执行元件的控制性能远远高于普通 钻机。因此， 远控钻机液压系统的可靠性、 微调性要 求高于普通钻机。同时 ， 远控钻机为 自带钻杆储存 移送装置的履 带 自行式钻机 ， 结构 复杂， 执行元件 多。因此， 设计先进可靠 的液压系统对于保证钻机 的使用性能至关重要。 1 远控钻机执行机构及动作要 求- 1 I 2 J 远控钻机主机总体布局如图 1所示 ， 与普通钻 机相比， 除旋转 、 推进以外 ， 该钻机还包括实现钻杆 自动装卸 的双夹持器 、 钻杆 移送装置、 钻杆顶 升装 置 、 钻杆箱钻杆列选择装置 ， 以及钻机钻进时的支撑 立柱油缸及钻机倾 角调节油缸， 履带行走马达等执 行元件。 1 ． 1 钻 机主 要传动 元件的控 制要求 钻机主要传动机构包括 回转 、 推进、 双夹持器 、 顶杆机构及送杆机构。 这些机构密切配合 ， 才能有 收稿 日期 2 0 1 0 0 41 0 基金项 目 国家发改委项 目 0 6 0 9 2 5 ； 煤炭科学研 究总院 青年创 新基金项 目 2 0 0 7 Q N 5 0 作者简介 辛德忠 1 9 7 6 一 ， 男， 硕 士， 工 程师， 主要从事 煤矿钻机设计 、 制造等领域 的科研工作。 3 8 1 一 支撑 立柱 ； 2 ～ 油箱 ； 3 一 电动 机 油 泵 组件 ； 4 一 随机 操 纵 台 I； 5 一 防爆 电控箱； 6 一履带底 盘； 7 一 随机操纵 台 11； 8 一动 力头； 9 一 钻 杆箱； l O 一 双夹持 器。 图 l 远控钻机总体布局图 效保证钻机钻进及 自动装卸钻杆 ， 是钻机最重要的 执行元件。钻杆装卸机构简图见图 2 。 l 一滑臂 ； 2 一 滑臂驱动马达 ； 3 一钻杆 钩定位 油缸 ； 4 一钻杆钧 ； 5 一 夹 持器夹紧油缸； 6 一前 夹持 器摆动 油缸； 7 一前 夹持 器； 8 一 后 夹持 器； 9 一钻杆箱 内钻杆 ； l 0 一 顶杆机构 ； 1 1 一 顶升 油缸 ； l 2 一动力头。 图 2 钻杆 自动装卸机构简图 2 0 1 0年 1 2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第6 期 1 ． 1 ． 1 钻机 自动安装钻杆动作过程 初始状态 动力头位于机架后端 ； 前夹持器夹紧 已钻入孑 L 内的钻杆 ； 后夹持器打开 ， 顶升机构顶起位 于钻杆箱内的钻杆。 操作过程 初始状态一滑臂后退 ， 钻杆钩对准被 选中的一列钻杆一顶升机构下降一被选 中的钻杆落 入钻杆钩 ， 其余被滑臂挡住一滑臂伸出， 将钻杆送到 与动力头中心线重合的位置一动力头慢速正转并慢 速 前进 ， 拧 紧 钻杆 接 头一顶升 机构 上 升一滑臂 后 退一前夹持器松开一动力头正常钻进 。 1 ． 1 ． 2 钻机 自动拆卸钻杆的动作过程 初始状态 动力头位于机架前端 ； 顶升机构顶起 所有位于钻杆箱内的钻杆 ； 滑臂缩 回。 操作过程 初始 状态一前 、 后 夹持 器打 开一动 力头起拔孔 内钻杆一 当动力 头处于第 1定位点 时 即钻杆前接头位 于前 、 后 夹持器 之 间 ， 前 、 后夹 持器同时夹紧 ， 前夹持器摆动拧松钻杆前接头一后 夹持器松开 ， 动力 头慢速反转并慢 速后退 ， 钻杆前 接头螺纹完全松 开一动力头慢 速后退 至第 2定位 点一后夹持器夹紧一滑臂送出 ， 钻杆钩抓住钻杆一 钻杆顶升机构下 降 ， 钻杆箱 内钻杆下 降至滑臂一动 力头反转 ， 拧 松钻杆后 螺纹接头一滑臂后退 ， 钻杆 钩带动钻杆缩 回一顶升机构上升 ， 拆下的钻杆顶 回 钻 杆箱 。 由钻 机工作过程来看 ， 特别是 在 自动钻杆装拆 时 ， 钻机旋转及推进速度变化大 ， 推进定位精度要求 较高， 需要较好 的速度调节性能。 1 ． 2钻机辅助元件控制要求 由于远控钻机为履带式 自行钻机， 钻机开钻前 需要移机 、 支护、 钻孔倾角及方位角的调节等。但这 部分执行元件既不 需要 高的控制精度 ， 也不需要远 控操作 ， 可用普通多路阀实现其控制功能。 2 远控钻 机液压 系统原理 J 2 ． 1 钻机液压系统设计特点 远控钻机的液 压系统原理见 图 3 ， 该 系统是 由 负载敏感多路 阀及负载敏感泵组成 的闭中心负载敏 感系统。在该系统 中， 负载敏感 多路 阀的反馈 口与 负载敏感 泵的反馈 口连接 ， 实现压力～流量 的负载 反馈控制。在系统工作时 ， 不仅泵 的输 出压力与负 载需要相适应 ， 而且泵的输 出流量也 与负载需要 的 流量相适应。当系统各换 向阀阀芯处于 中位时 ， 泵 的输出压力较低 1～2 MP a 而输 出流量几乎为 0， 可有效降低钻机功率消耗 ， 实现节能保护。 2 O 1 9 1 8 1 一 泵； 2 一 负载敏感 多路阈； 3 一旋 转马达 ； 4 一推进油缸； 5 一 钻杆 顶升油缸 ； 6 一钻杆移送 马达 ； 7 一液压锁 ； 8 一后夹持 器夹紧油缸 ； 9 一前 夹持 器夹紧 油缸 ； 1 O 一顺序 阀； 1 l 一摆 动油缸 ； 1 2 一行走马迭 ； 1 3 一 两联 多路 阀 ； l 4 一倾 角调 节油缸 ； 1 5 一上 支撑 立柱 油缸； 1 6 一 下 支撑 立柱 油缸 ； l 7 一 九连 阀； 1 8 一 滑臂 定位油缸 ； 1 9 ～ 防爆 电磁 阀； 2 O 一先导比例减压阀。 图 3 防突远距 离控制钻机液压 系统原理示 意图 为了降低系统复杂程度 ， 减少系统油泵数量 ， 通 过转换阀将普通六通多路阀连接在负载敏感多路 阀 的尾片上 ， 这样就可以用普通多路 阀实现对钻机行 走及支护等元件的控制 。 2 ． 2 负载敏感多路阀的选择要点 多路阀采用 P V 4 1系列负载敏感多路阀 ， 该系列 负载敏感多路 阀采用 比例 电控或液控操作 ， 并且带 有手动推杆。因此 ， 使用该多路 阀不仅可 以在远距 离电控操作钻机 ， 满足远距离控制的需要 ； 也可以在 近距离手动操作钻机 ， 满足钻机开孔及事故处理的 需要 。 由于多路 阀阀芯可 以精 确控制流量 及分配 流 ． 39 2 0 1 0年 1 2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7 卷第6 期 量， 因此 ， 选择适当的多路阀阀芯及压力补偿器可以 满足不 同执行元 件同时控 制速度 的需要 。 钻机 的旋转 操 作及 推 进控 制 需 要 同时 动作 ， 而 其他元件均为单个动作。为 了防止压力干扰， 在负 载敏感多路阀的旋转阀片及推进阀片中采用了二通 压力补 偿器 。通过压力 补偿 器及 操作 阀芯 的 流量控 制 ， 满足钻机旋转及推进 同时操作时的精确流量控 制需求。 2 ． 3 液 压泵 的选 择要点 1 泵的控制功能选择。采用 AI O V系列具有恒 压恒流控制功能负载敏感泵。由于钻机 的旋转 、 推 进 、 钻杆移送 、 顶升机构等执行元件在工作时需要精 确的流量控制， 泵的恒流控制功能使泵改变排量仅 提供负载敏感多路阀阀芯允许通过的流量 ， 无多余 流量溢流回油箱 ， 无溢流损失 ， 可有效降低系统的发 热量 。 当执行元件负载压力达到泵 的恒压设定值时 ， 泵提供的流量仅维持设定的恒定压力不变， 实现 了 泵的过载保护。 2 泵排量选择要求 。由于 P V 4 1型负载敏感多 路阀无负流量控制功能， 因此泵 的输出流量必须大 于多路阀单个 阀片最大设定流量 ， 并且大于所有同 时动作阀片设定流量的总和， 即 Q≥m a x Q 。 ， Q ， ⋯， Q 且 Q≥Q Q ⋯ 式中 Q为泵输出的流量 ； Q。 ， Q ， ⋯， Q 为多路阀各 阀片设 定 的流量 ； Q Q 为 同时工作 的 阀片设定 流量 。 设电动机转速为 n ， 泵容积效率 7 7 ， 多路阀旋转 阀片设定压力最大且仅 旋转及推进同时工作 ， 其流 量为 Q Q 则泵的排量为 C ≥ Q l Q 2 ／ 叼 n 2 ． 4 双夹持 器顺序 动作设计 要求 双夹持器具有前 、 后夹持器夹紧油缸及前夹持 器摆动油缸 3个执行元件， 为了简化操作步骤 ， 减少 多路阀操作阀片数量 ， 在前夹持器夹 紧油缸及摆动 油缸之间采用顺序阀联动。 为了保证前夹持器的夹紧可靠性 ， 选用适 当的 参数 ， 可以用摆动油缸动作时的压力反馈控制夹紧 油 缸 。如 图 4所示 ， 设 夹 紧油缸活 塞 面积 S ， 摆 动油 缸活塞面积S ， 夹紧增力 比为 i ， 夹紧压力P ， 顺序阀设 定压力P ， 钻杆直径 D， 卡瓦与钻杆之间摩擦系数 ， 为拧松钻杆所需转矩 ， 则在满足 P P 5 ， ≥ 条件 下 拧 松钻杆 接头过程 中夹持 器不打 滑的条件 为 P P S 2 L ≤p S l i D／ 2 4 0 p s l 一单向顺序 阀； 2 一摆 动缸 ； 3 一 夹紧缸 ； 4 一 旋转体 ； 5 一钻杆。 图 4 前夹持器顺序动作原理 由此可 得 妾 ≥ 1 _ 由于当 P P 时， 夹持器摆动油缸开始动作 ， 并 且， 该公式右端为随 P增大而增大递增函数 ， 最大值 为 ， 因此 L U S． 2L--1 ≥ 在实际设计时， P 通常设定为 2～3 M P a ， 保证 夹持器顺序动作 ， 提供初始夹紧力。并且 ， 通过选择 适当的 S ， ， S ， L ， i 参数， 不仅可以保证夹持器 的可靠 性， 而且简化了钻机的操作步骤。 2 ． 5滑臂定位油缸控制油路设计特点 由于钻杆箱内钻杆采用列式排列 ， 在钻杆装卸 时需要将 钻杆 钩对 准 钻 杆箱 相 应 位 置 见 图 2 ， 从 而选择钻 杆箱 内相 应列 的钻 杆 。钻 杆钩 采用 限位油 缸定位。限位油缸 由 1 组两位四通隔爆型电磁 阀控 制 ， 其控制功能设计如下 开机后所有限位油缸 自动 伸出， 这样钻杆钩默认选择钻杆箱内第 1列钻杆 ， 不 会由于误操作滑臂后移而导致钻杆滑落出钻杆箱 ， 当选择其中某一列钻杆时 ， 此列的限位油缸其右边 的所有油缸一起缩回， 防止误操作。 3 结语 远控钻机液压系统操作性好， 可靠性高 ， 节能效 果显著， 达到了钻机远距离操作的使用要求 ， 在实际 应用 中取得 了较好 的效果 。 下转 第 4 3页 2 0 1 0年 l 2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 7卷第6 期 2 ． 2 模 型 的反 向检验 对于模糊评价数学模型 ， 笔者采用 M a t l a b编程 ] 进行求解， 依据前述模型的五大步骤得到如表 4所示 的结果 。 表 4 检验结果 根据表 4的结 果 ， 可以看 出在 2 0个案例 中有 2个案例与实际情况不 同， 造 成这种结果 的主要原 因是考虑的影响底板突水的因素只有 4项 。但是检 验的结果仍十分令人满意 。 2 ． 3预测样本的突水情况 同反向检验模型的方法一样 ， 采用 Ma t l a b编程 ， 只需将 标准 样本 替 换 为预 测 样 本 即可 ， 得 到 的 结 果 如表 5所示。从表 5可以看到， 5组预测结果均与实 际情况一致 ， 说明了模型的预测准确性。 表 5预 测 结 果 3 结论与建议 1 使用模糊评 价模型对煤矿底 板突水的判别 结果与实际结果基本吻合 ， 说 明该方法具有较高的 可信度和准确度 ， 是可行的。 2 模糊评价模 型在利用原始数 据时对数据进 行了无量纲化处理 ， 可提高数据使用的准确性 。 3 由于模糊评价 模型各 等级对应 因子标 准尚 无统一的标准 ， 需要根据实际情况进行构建 ， 并且影 响因子的选择也无法做到全面准确 。因此选取合适 的影响因子和构建合理的等级标准对模型的求解准 确尤 为重 要 。 4 由于模糊评价模型对 因子的选取要求较高 ， 因此加大对矿井底板 突水成因的分析研究显得十分 必要 。 参考文献 [ 1 ] 张立新 ， 李长洪 ， 赵 宇． 矿井突水预测研究现状及 发展趋 势[ J ] ． 中国矿业， 2 009 ， 1 8 1 8 8 9 0 ． [ 2 ]邱秀梅， 王连国． 煤层底板突水人工神经网络预测[ J ] ． 山东农 业大学学报， 2 002 ， 3 3 1 6 2 6 5 ． [ 3 ]汪浩， 马武生。 F u z z y综合评价模型在京杭大运河扬州段 水质评价中的运用[ J ] ． 淮海工学院院报， 2 0 0 8 ， 1 7 4 576 0． [ 4 ]张 文泉． 矿井底板 突水灾害的动态机理及 综合判测 和预 报软件开发研究[ D] ． 青岛 山东科技大学， 2 0 0 4 ． [ 5 ]张 志涌 ， 杨祖樱． MA T L A B教程 [ M] ． 北 京 中国航 空航 天 出版社 ， 2 0 0 6 ． 责任编辑 吴 自立 上接第4 0页 参考文献 [ 1 ] 张红军 ， 魏永辰 ， 王 慧基． 液压钻机 液压 系统的设计[ J ] ． 液压与气动 ， 1 9 9 9 5 3 6 ． [ 2 ]黄园月． 液压锚杆钻机的液压系统分析[ J ] ． 凿岩机械气 动工具 ， 1 9 9 8 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