定向钻机制动机构液压系统控制集成设计

定向钻机制动机构液压系统控制集成设计

0对刹车装置的磨损随着定向钻在矿山坑的应用，钻头的易用性、安全性和可靠性变得越来越受到重视。由于施工工艺的差别，钻机在定向钻进时采用孔底螺杆马达回转的切削方式；为了实现轨迹可控，需要动力头夹紧钻杆保持螺杆钻具的方位角在对应的孔深处保持不变，因此，在动力头上的输入轴端设置了锁紧机构，俗称刹车。刹车机构采用楔形块或摩擦盘产生的摩擦力来实现动力头的制动，既是定向钻机的关键部件也是易损件，其使用寿命与操作者的使用习惯有较大的关系。在实际使用过程中，特别是在调整钻具方位角和上、下钻杆时，操作者可能会忽略刹车装置仍处于制动状态，从而直接操作旋转手柄，对刹车机构造成不必要的磨损，甚至损坏刹车卡瓦。因此，本文对现有钻机的刹车液压系统进行了分析，提出了钻机刹车优先系统的逻辑关系及设计思路，采用液压螺纹插装阀设计了具有逻辑功能的刹车优先集成阀块，并通过现场测试验证设计结果，提高刹车优先系统的可靠性，最终达到实用的目的。1驾驶民液压驱动系统全液压定向钻机的刹车装置由刹车油缸、刹车卡瓦、碟簧和制动轴组成，一般为常开结构，液压夹紧，碟簧松开，刹车部分的液压原理图如图1所示。液压马达和刹车装置分别安装在动力头齿轮传动系统的输入轴两端，液控换向阀为三位四通阀，分别控制液压马达的正、反转和刹车装置的制动与解锁，液压先导手柄控制换向阀完成对应的动作。当操作刹车手柄制动时，来自系统的高压油经换向阀右位和液控单向阀进入刹车油缸中，克服碟簧力夹紧输入轴，液控单向阀作为保压装置，用于维持刹车油缸的高压状态，完成刹车制动后，刹车手柄回到中位；反向操作刹车手柄，换向阀的高压油进入液控单向阀的液控口，反向打开单向阀，刹车油缸卸压，在碟簧力的作用下刹车打开，处于解锁状态。在实际使用过程中，由于钻机刹车和旋转系统相互独立，当出现误操作时，可能会出现带刹车旋转或边旋转边刹车的动摩擦状态，不仅会造成刹车卡瓦的提前磨损，还会对液压系统产生冲击。2钻机液压系统的改进钻机刹车优先系统是一种应用在液控先导操作的定向钻机上、实现刹车越权动力头旋转的保护系统，不论动力头处于旋转或停止状态，操作刹车制动手柄，将在制动的同时迅速切断旋转液控阀的先导油路，避免刹车和旋转的“打架”现象，有效减少人为因素造成的误动作，提高刹车装置的可靠性。为了实现上述功能，可以在操作手柄的先导油路之间设置一组逻辑“非”关系，当刹车手柄制动时，刹车制动，同时切断旋转手柄的先导油路，使得旋转动作失效；当刹车手柄解锁时，刹车松开，同时恢复旋转手柄的先导油路，旋转手柄才可以动作。整个回路采用液压逻辑插装元件设计成集成阀块，具有结构紧凑、安装方便、通用性强的特点，可以在现有钻机操作台上直接升级，不影响其他功能的使用。(2）实现原理在液压系统中，“是、非”逻辑可由二位三通换向阀来实现，该阀的控制原理如图2所示。其逻辑表达式为y=x。根据使用要求的不同，分为常开型和常闭型2种，常开型的逻辑阀在输入信号受到干扰或出现故障时，输出信号始终处于导通位置，可能导致控制逻辑的错误，可靠性较低；常闭型的逻辑阀在输入信号故障或系统初始化时自动切断输出信号，具有较高的安全性。(3）设计方案刹车优先系统的设计需考虑系统的初始状态，当钻机长时间停机或断电重启后，液压系统泄漏导致控制信号出现丢失，无法保持停机前的状态，造成控制逻辑失效，因此宜采用旋转手柄常闭的初始状态，只有在刹车解锁状态下才可执行旋转动作，从而提高钻机操作的安全性和刹车系统的可靠性。常闭式刹车优先系统原理图如图3所示。位于旋转手柄正、反转先导油路上的逻辑控制阀1.1和1.2将主控阀的控制油路与T口连通卸压，使得旋转手柄失效；当执行刹车解锁动作时，液压先导油不仅控制刹车主控阀3.2的切换，同时进入逻辑控制阀的信号口，使其切换到右位，旋转手柄可以正常工作。因刹车手柄为“点动”操作，不具备压力保持功能，所以增加液控单向阀2用于保持刹车解锁信号的压力油。该系统虽结构简单，但其使用效果主要取决于液控单向阀和逻辑控制阀阀芯的保压效果，长时间使用后可靠性下降。为此，在信号输入回路中增加一路先导油源Pi和一个逻辑控制阀1.3，刹车解锁信号由Pi油路（手柄先导油源）代替，手柄动作后，首先打开逻辑控制阀1.3，由Pi回路控制逻辑阀1.1和1.2的切换，同时Pi油路补偿控制阀1.3的先导控制压力泄漏，维持其打开状态；液压阻尼孔4.1在动作瞬间产生的压差用来控制逻辑阀1.3的换向，阻尼孔4.2用于缓冲先导油源在手柄动作时产生的压力波动。在系统停机后，Pi口先导油压力为0，逻辑控制阀1.1、1.2和1.3同时在阀芯弹簧力的作用下恢复初始状态。3弹簧对插芯的控制(1）液压集成阀块的设计原则液压集成阀块的设计包括阀体尺寸及材料的确定、油道尺寸计算、插件的选型及位置布局等，在设计时需遵守以下原则：(1)油道孔的通径尺寸要适中，最小壁厚要满足强度要求；(2)合理使用不同刚度的复位弹簧，尽量使用低刚度弹簧以减小压力损失；(3)注意方向控制先导阀泄漏可能导致的插芯误动作，必要时选择无泄漏的结构；(4)合理使用阻尼结构，达到控制运动平稳、减少功率损失、匹配不同插芯启闭顺序的效果。(2）主要参数计算式中q———最大流量，L/min;v———油道中允许流速，回油管油道取v=2.5～4m/s，压力油道取v=6～8m/s。阻尼孔的流量式中αdΔp———阻尼孔前、后压差，MPa;ρ———液体密度，kg/m根据使用目的计算出阻尼孔的直径，为避免油路堵塞，直径一般不宜小于准0.6mm。(3）阀块的结构设计阀块整体为六面体结构，长×宽×高=120mm×85mm×100mm，材料为35钢，外形图如图4所示。4旋转手臂失效结果为了验证设计方案的实际使用效果，对刹车优先集成阀块进行了装机测试，测试内容包括动作是否正常、动作的有效性和可靠性、阀块复位功能等，测试在ZYWL-23000DS型全液压定向钻机上进行。测试过程：(1）钻机开机后，旋转手柄失效，正、反转均无动作，常闭功能有效；(2）刹车解锁后，旋转手柄可以正常工作，Pi油路对旋转手柄的有效保持时间大于2h;(3）切断Pi油路后，再次操作刹车解锁，旋转手柄可以正常工作，但工作时间小于15min;(4）恢复Pi油路后，再次操作刹车解锁，旋转手柄可以正常工作，对钻机进行断电操作，再次开机后，旋转手柄失效，系统复位成功；(5）静态刹车测试：按照刹车解锁→旋转→停止旋转→刹车制动→旋转失效的顺序重复操作100次，均能正常实现功能，动作正常；(6）动态刹车测试：在旋转过程中，操作刹车制动手柄，旋转动作迅速停止，刹车有效制动。测试结果表明，刹车优先阀块工作正常、动作灵敏、无泄漏和异常动作，能够达到设计目标和使用要求。5钻机驾驶