架柱式钻机全液压自动控制装置的研究.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 7 架柱式钻机全液压 自动控制装置的研究 张戚 北汽福田汽车股份有限公司，北京 1 0 1 4 0 0 摘要为适应高瓦斯环境坑道施工的需要，现有架柱式液压回转钻机基本采用全液压系统、人工控制技术，严格要求 操作人员在钻机进给油缸系统的操作施工中，要时刻注意钻机立柱顶紧装置液压系统的压力表值变化，当其压力低于一定 值时．务必人工给顶紧装置液压系统进行充压操作。利用螺纹插装阀等常用液压元件 ，研究出了一种能实现架柱式钻机顶 紧油缸系统充压及其进给油缸系统工作两种状态全液压 自动切换控制的装置，彻底解决了必须人工对架柱式钻机顶紧装置 充补压的问题 ，简化了钻机操作的同时，通过顶紧系统充压与进给系统工作两者间的液压互锁 ，也极大地提升了整个钻机 工作 时的安全 可靠 性。 关键词架柱式钻机；顶紧装置；螺纹插装阀；全液压自动切换 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 - 0 8 7 - 4 Re s e a r c h o n t he Po s t Dr i l l Hy dr a ul i c Aut o ma t i c Co nt r o l De v i c e Z H A N G Q i B e i q i F O T O N Mo t o r C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 1 4 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t C u r r e n t p o s t d ri l l i s c o n t r o l l e d b y ma n p o w e r i mp l e me n t e d h y d r a u l i c s y s t e m．T h i s c o n t r o l s y s t e m r e q u i r e s o p e r a t o r s t o f oc us o n t he h y d r a u l i c p r e s s u r e i nd i c a t i o n d ur i n g o pe r a t i o n i n t he pu r p o s e o f p r e s s ur e l e v e l ma i nt e na nc e ．An a u t o ma t i c hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n c o mm o n h y d r a u l i c c o mp o n e n t s c a r t r i d g e v a l v e e t c w a s d e v e l o p e d ． T h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m w a s c a p a b l e t o r e a l i z e s t a t u s a u t o s wi t c h，S O h u man l a b o r wa s e x p i r e d，t h e c o n t r o l o p e r a t i o n w a s s i mp l i fi e d a n d t h e s y s t e m r e l i a b i l i t y wa s e n h an c e d b e c a u s e o f i t s mu t u a l h y d r a u l i c l o c k ． Ke y wo r d s P o s t d ri l l ；J a c k i n g d e v i c e；T h r e a d c a r t ri d g e v alv e ；Hy d r a u l i c a u t o s w i t c h 架柱式液 压 回转钻机 是近年来 广泛 应用 于煤矿 、 勘探等工程现 场的主要施工装备之 一 ，适用 于放 顶炮 孔 、放水孔 、瓦斯抽放孔 、注浆孔 、地址勘探孔及其 他工程 用孔 ，适用 于岩石坚 固性系统 厂 ≤1 0的各种煤 层 、岩层。钻机可在基本参数表中规定的方位角和倾 角范围内任意钻孑 L ．可配多种形式及规格的钻具使 用 ，适用不同钻探要求。 它采用全液压驱动无极变速，钻机破岩速度快 ， 钻程长且省 时省力 ．主要 由泵站 、主机 、操作 台等部 分组成 。其 中主机 主要包括液 压推 进 、液 压顶 紧及液 压旋转等部分。图 1 为架柱式液压回转钻机实物图。 l 主机、 操作 台 ＼ I ＼ l 液 压泵 站 ’■■■■- ， ● 图 1 架柱式液压回转钻机实物图 泵站通过 防爆 电动机驱动油泵转动 ，将 电能转换 成顶紧油 路 、旋转 油路 和 进 给油路 的液压 能 压力 油 ，再通过操纵台上的单向阀和换向阀组将压力油 输送到液压执行机构 ，从而实现钻机 的各种功能 ，具 体动作原理参见 图 2 。 图 2 原架柱式钻机液压原 理图 这是一种架 柱式钻 机现有 市场产 品普遍 采用的技 术 ，结构简单 、施工效率高 ，且操作方便 、实用 ，由 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 0 作者简介张戚 1 9 6 8 一 ，男，学 士，工程师，主要从事液压及其控制系统 的设计与研究。E m a i l q i z h a n g 1 9 6 8 1 63 ．c 0 m 。 8 8 机床与液压 第 4 3卷 于采用 了全液压驱动系统及 防爆 电机 ，整机不存在 电 信号控制 ，因而杜绝 了电火 花产生 的可能 ，满足 了高 瓦斯地下坑道施工的环境要求 架柱式钻机在驱动旋转头 向前做进给 时。立柱顶 紧装置必须顶紧坑道顶 、底 面而固定 ．要 求顶紧油缸 顶紧且其液压 系统压力必须大于一定值 ，以确保整个 钻机在前向钻孔作业时不会发生倾倒翻机事故。顶紧 液压系统压力 由操 作 台上的一只液压表显示 ，严格要 求操作人员在对钻机进给油缸系统的操作施工中。要 时刻注意钻机顶紧装置液压系统 的压力表值 变化 。当 其压力低于一定值时 ，务必人工先给顶紧装置液压系统 进行充压操作。这就增加 了施工人员操作负担 ，在恶劣 的施工环境下也极易因疏忽造成整机倾倒的翻机事故。 1 架柱式钻机液压 自动切换原理 针对架柱式钻机存在的上述问题，文中利用螺纹 插装阀等常用液压元件，研究出了一种能实现架柱式 钻机顶 紧油缸系统充压及其进给油缸系统 工作这两种 状态全液压 自动切换控制的装置。图 3 显示 了该 自动 切换装置在架柱式钻机系统中的具体应用。 进 旋 缸 回转 马达 ⋯ 广 广 直 。 ／ 自 动切换 山j ／ ／ 顶 一 虱 I ．w 厂中] ／ _r 岳 ⋯H 二 } 桑 作 阀 顷 稠 桑 作 阀 L _ j 9 ]l 7 胁 I ● 、 0 ◇ I 令 令 I ． l} 仅增用了一个全 液压控制 的 自动切换 阀组 。该全液压 自动切换 阀组是 由常用 的几 种 V i c k e r s阀组合 而 成 ， 节 旋 钮 、『 i 。号 阀 黼 钮 缚 阀 ； 卜_J } 敞 控 抉 向 阀 一 一 一 回吲 图 4自动切换 阀组原理 图 现结合 图 3 、图 4说 明全液压 自动切换 阀组 的工 作原理 。当施工人员完成钻机的移动 、安 装后 ．首先 操作操作 台上 的顶紧操作阀，立柱上的顶紧油缸伸 展 ，使立柱撑 固住施工坑道 的顶 、底板 。再使顶 紧操 作阀复中位 ，这时双联齿轮泵中小泵开始通过顶紧操 作 阀中位 向 自动切换 阀组供油 ， 自动切换 阀开始进入 下述工况 1 初始充液工况。这时单 向阀 5后 的顶紧油 缸系统 压力低 于低 压调节压 力值 P 而 p 概 ，说 明立 柱 顶紧坑道顶 、底板力量不足，不能启动进给油缸进给 施工，阀 1 开启 ，阀 2 、阀 3 、阀 4在弹簧力作用下 均工作在左位 ，切换阀向顶紧油缸系统供油充压。 2 充液 向进 给切换 的工况 。由于 切换 阀 向顶 紧油缸系统充 压 ，单 向阀 5后 的顶紧油缸 内压力持续 上升，当p 低 压 p 顶 p 高 压 时，阀 1 断开，但单向阀 5后 的压力仍可 以通过 阀 3 、阀 2作用 到 阀 4左 弹 簧腔 ， 弹簧力作用下阀 4 仍处于左位，切换阀继续向顶紧油 缸系统供油充压 ，p 顶 继续 上升 ，当 P 低 压 高 压 P 顶时 ， 阀 1 断开，阀 2工作在右位 ，阀 3 、阀4左弹簧腔通 过 阀 2泄油 ，阀 3 、阀 4工作 到右位 ，这 时 ，自动切 换 阀断开 向顶紧油缸系统的充压供 油 ，切换到 向进 给 系统供油的工况，由于单向阀 5的作用，顶紧油缸系 统将长时间保压。 3 进给 向充液 切换 的工 况。保压 中的顶 紧油 缸系统 ，由于内 、外 泄漏 的客观存在 ，实 际系统压力 p 顶 将缓缓下降 ，当p 低 压 p 顶 印高 压 时 ，阀 2由右位切换 到左位，但阀 1 、阀3 仍然处于断开状态，阀 3 、阀4 的左端弹簧腔压力依然为 O ，阀4依然工作在右位， 继续向进给油缸系统工作供油、不给顶紧油缸系统充 压供油。当p 顶 继续下降至p 顶 低 压 p 高 压 时，阀 1 由断 开切换到接通状态 ，单 向阀 5后 的液 压压力 通过 阀 1 作用到阀3 、阀4两阀左端弹簧腔。在弹簧力作用下 阀 3再次接通 ，而阀 4的阀芯切换 为左位 ，自动 切换 阀将向顶紧油缸系统供油充压，同时断开向进给油缸 系统的工作供油。 4 充液再 次 向进 给切换 的工况 。 自动 切换 阀 向顶 紧油缸 系统充 压 ，顶紧油 缸 内压 力 P 而 将 再 次上 升 ，当p 低 压 顶 p 高 压 时，阀 1断开，但单向阀 5后的 压力仍可以通过阀 3 、阀 2 作用到阀 4左弹簧腔，弹 簧力作用下阀4仍处于左位，切换阀继续向顶紧油缸 系统供油充压 ， p 顶 继续上升 ，当p 低 压 高 压 p 顶 时，阀 1 断开，阀 2工作在右位 ，阀 3 、阀4左弹簧腔通过 阀 2 泄油 ，阀 3 、阀 4工作 到右位 ，于是 自动切换 阀 断开向顶 紧油缸 系统的充压供 油 ，再次切换 到向进 给 系统供 油的工况 全液压 自动切换阀的上述工作原理。可用表 1 所 列的各阀工作状 态表来 概括。 第 1 0期 张戚架柱式钻机全液压 自动控制装置的研究 8 9 表 1 各阀工作状态表 2 架柱式钻机 自动切换装置及功能 2 ． 1 全 液压 自动 切换 装置 架柱式钻机全液压 自动切换装置充分利用市 场常 用液压元件来实现，阀 1 、阀 2 、阀 3 、阀 5均采用 V i c k e r s 螺 纹插装 阀 ，而阀 4采用 了 V i c k e r s 板式 安装 的液控换 向阀。图 5为全液压 自动切换 阀组 图 ，图 6 为全液压 自动切换 阀组 内部结构 。 1 一供油P口 2 -- 回油T口 3 - - 顶紧系统供油 4 一逻 辑阍 5 一 常开顺序 阀 6 - -- 液控换 向阀 7 --单 向阀 8 _液动换向阀f 板 9 进给供油 图 5 全液压 自动切换 阀组图 图 6 全液压 自动切换阀组 A A剖视图 2 ． 2 自动切换装置应 用回路功率特性 p - Q图 图 3所示 的 自动切换装置能完成对顶 紧油缸 系统 加载、卸载 ，同时能 自动切换成给进给油缸系统供油 工作 ，相应回路的功率特性可用 图 7所示的 p - Q图 进行 图解分析 。 图7中p 、Q 。 分别为液压泵 的输 出压力和流量 ； 其 中的点 A为液压泵对顶紧油缸系统充压结束 、切换 为 向进 给 油 缸 供 油 工 作 的 临 界 状 态 工 作 点 Q 。 、 p 高 压 ；点 B为液压泵 停止对 进 给油缸 系统 供油 、切 换为向顶紧油缸 系统供 油充压的临界状态工作点 Q 、p 低 压 ；点 C为液压泵在各操作 多路 阀中位卸荷 时 的 工 作 点 Q 。 、p 。 ； 线段 B A为液压 泵 向顶 紧 油缸系统供油冲压工况工 作点轨迹 P m 为液压泵 在 充压 工 况 的 平 均 输 出压 力 。则不难得出液压泵在 向顶紧油缸系统充压 、向 进给油缸系统供油工作及 油泵卸荷 ，这 3 种工况 下 所耗功率分别为 Ⅳ1 |s 0 N2 so Q D p 图 7 装置应用 回路工 作状态 p - Q图 S 0 Q 。印。 在人工充压不能 自动切换 到进 给供油 的状态 下 ， 能节省的功率 △ Ⅳ为 A N Ⅳ】 一 Ⅳ 3 S n I 2 而在实现 自动切换功能后 ，当液压泵给顶紧油缸 系统充压完成后将立即切换到向进给油缸系统供油工 作，此时液压油泵所耗功率 Ⅳ ， 依然为工作的有效功 率 。这种情况下能节省的功率 △ Ⅳ AN， _ Ⅳ1 S 0 Q 二 1 显然。自动切换装置的应用将使系统节省更多的 功率 。由于两种工况是 自动无间隔切换 ，比人工切换 控制在效率上也将有所提高 。 3 装置回路主要功能及与传统回路比较 3 ． 1 全 液压 自动切 换 装置 的主要 功 能 全液压 自动切换装置 的主要功能如下 1 自动检 测顶 紧油 缸 液压 系统 的压 力 ，与顶 紧油缸系统构成 自动充压回路，无需人工控制。 2 顶紧油 缸 系统压 力 区 间任意 控制 ，压力 区 间 卸 p 高 压 - p 低 压 ， p 高 压 及p _低 压 均可调节。 3 实现顶 紧油 缸 系统供 油充压 与进 给 油缸 系 统供油工作液压上的互锁功能，消除了安全隐患。 这种全液压 自动切换装置 ，与顶紧油缸系统 、进 给油缸系统构成的自动充压及进给工作系统。不仅能 使顶紧油缸 系 统在 设 定 的 P 低 压 到 P 高 压 压力 区 间 内工 作 ，避免 了人工对顶紧油缸系统频繁 的充压操作 ，提 高了生产效率，也由于两系统在液压上的互锁，避免 了由于操作疏忽造成翻机倾覆的可能．提高了安全可 靠性。控制的压力区间任意可调、自动切换进给与充 压、进给与充压液压 锁定成为此装 置的 3个 显著 特点 。 9 O 机床与液压 第 4 3卷 3 ． 2回 路 比 较 图 8 是采用双压力继电器与电磁换 向阀配合 ，实 现顶紧油缸系统压力可调式 自动切换系统 。此 回路 的 工作原理是工作时．液压泵首先向顶紧油缸系统充 压 ，压力将逐渐 上升 ，低压力继电器 、高压力继电器 将逐个动作 ，当低 、高压力 继 电器 均发 出动作 信 号 时 ，电磁换 向阀切 换 ，油泵 向进 给 油缸 系 统供 油 工 作；顶紧油缸系统压力在保压的过程中，压力将缓缓 下降 ，当低 、高压力继 电器均不发 出动作信号时 ，电 磁换 向阀再次切换 ，油泵 向顶 紧油缸 系统供油充压 。 高 图 8 双压力继 电器 自动切换 系统 此控制回路的特点是靠两压力继电器的电气动作 发出控制信号来实现自动切换 。属电、液联合控制回 路。下面以表 2 所列内容，对图 4 、图 8两个 自动切 换回路作简单比较。 表 2 两回路工作特性 比较 4结论 针对架柱式 液压 回转 钻机 现有 技 术所 存 在 的 问 题 。利用市场常用的液 压元件 。研究 出一种全液压 自 动控制装置，反应灵敏、工作可靠、安全性好、效率 高，全液压控制也适应高防爆要求场地施工，因此 ， 该 自动切换装置技术必定具有较强的实际应 用价值 。 参考文献 [ 1 ]成大先． 液压传动 机械设计手册单行本 [ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 2 ]徐灏． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 3 ] 章宏甲， 黄谊， 王积伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ． 2 0 0 2 ． 上接第 6 1页 3 数控四轴加工中心加工 图 1 5为利用 C A X A制造工程师生成的加工程序 在大连机床 厂生 产 的 V D F ． 8 5 0四轴 加工 中心上加 工 的零件实体。在加工过程中为了追求加工速度 ．设定 的进给量较大，四轴平切面加工中行距设置较大，导 致最终工件表 面质量较差 。 图 l 5 实际加工结果 4 结束语 随着数控技术的高速发展 ．高速切削与多轴加工 已经广泛应用于数控 加工行业 ．C A D ／ C A M软件 为高 速切削与多轴加工的发展起到了非常重要 的作用 。四 轴加工绝大部分情况下需要采用球头铣刀，加工效率 很低 ，因此在四轴零件加工过程中要注意尽可能分块 去做 。尽可能在普通机床上对毛坯 的简单部分进行初 步加 工 ，在数控机床上能用三轴方式的就用三轴方式 去加工 ，这样不仅可以提高加工效率，还能极大降低 零件的加工成本。在做四轴零件建模时 。最好将工件 坐标 系设定好 ，可 以大大 节约对刀 时间。对 于 C A X A 制造工程师软件来说 ，在做走刀路线阵列时一定要选 择 “ 轨迹坐标 系阵列 ”选 项 由于缺乏 一些 刀具 系 统 ，因此在做 一些 加工 比如 孔加工 时无 法 完全 按照实际情况去做 。 参考文献 [ 1 ]杨明珠． C A X A制造工程师在数控加工中的应用[ J ] ． 机 械工程师 ， 2 0 1 4 1 7 2 - 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