全液压钻机液压系统研究设计和实现—以ZDY3200S全液压钻机为例机械制造自动化专业.doc

全液压钻机液压系统研究 —以ZDY3200S全液压钻机为例 摘 要 钻机作为当今我国钻井作业中最为主要的设备，在我国的钻井作业和矿物勘探等领域占据着举足轻重的地位。论文根据国内外钻机的发展现状，首先分析了目前传统钻机的液压系统，其次介绍了目前国内研究比较多的两类矿物勘探钻机，煤矿坑道钻机和全液压钻机，分析其各自液压设计原理，最后通过对比总结， 可得到全液压钻机在液压控制方面的优势，并通过仿真分析，对于改进的液压系统进行了验证，对钻机未来发展的趋势的指导。 关键词　钻机；液压原理；分析 Abstract Drill rig as the most major equipment for drilling operation in today's China, areas such as drilling and mineral prospecting in our country occupies a pivotal position.According to the current situation of drilling rigs’ development in China and oversee, the paper analysis the traditional rigs’ hydraulic system first, and introduces the current coal mine tunnel drilling rigs’ hydraulic design principle, compare these two kinds of rigs’ hydraulic system to get the advantage of the hydraulic control and the direction of future development. Keywords　 drilling rigs; hydraulic principle; analysis 目录 摘 要 i Abstract ii 第1章 绪论 5 1.1 国内外研究现状 5 1.1.1 国内研究现状 5 1.1.2 国外发展现状 5 1.2 钻机的发展概况 6 1.2.1 卧式钻机介绍 7 1.2.2 立式钻机简介 7 1.3 钻机中液压原理的应用现状 8 第2章 传统钻机液压系统功能与分析 9 2.1 常见钻机液压系统 9 2.1.1 单泵液压系统 9 2.1.2 双泵液压系统 10 2.1.3 多泵液压系统 10 2.2 传统钻机液压系统基本回路 11 2.2.1 回转液压回路 11 2.2.2 调压限压回路 11 2.2.3 调速回路 12 2.2.4 给进液压回路 13 2.2.5 压力控制回路 13 2.2.6 速度控制回路 17 2.2.7 辅助液压回路 17 2.2.8 控制机身起落的液压回路 17 2.2.9 控制卡夹机构的液压回路 18 2.3 传统钻机液压回路的特点 18 第3章 钻机液压系统优化设计 19 3.1 钻头回转液压回路优化设计 19 3.2 动力钻头给进回路优化设计 21 3.3 行走及卷场控制回路 22 3.4 泥浆泵液压回路优化设计 23 第4章 ZDY3200S型煤矿用全液压坑道钻机实例研究 25 4.1 适用范围 25 4.2 型号含义 25 4.3 主要技术参数 25 4.4 钻机结构简介 27 4.4.1 回转器 27 4.4.2 夹持器 28 4.4.3 给进装置 28 4.4.4 机架 28 4.5 操纵台 29 4.6 泵站 29 4.7 液压系统工作原理 30 第5章 总结与展望 32 5.1 总结 32 5.2 展望 32 参考文献 34 致 谢 35 第1章 绪论 因此本文在总结和分析前人研究的基础上，对于煤炭开采用坑道钻机的液压原理应用和全液压钻机中全新液压原理的设计应用进行了详细的分析和介绍，以期通过本文，对钻机中液压原理的设计提出新的思路。 1.1 国内外研究现状 1.1.1 国内研究现状 目前，我们国产的钻机依然沿用着定量泵和手控阀的液压系统。这种液压系统操作繁琐且功能单一，技术较为落后。最主要的是，这种传统的液压系统不能够实时的监控环境的变化和地质的变化，因此不能够遥控或者调整工艺参数，不能够适应多种地质条件的勘探。与此同时，传统的设计方案将重点放在了控制和参数调整方面，没有针对能耗和效率问题进行深入研究。这样既增加了一次性投资，也因设计不当使得能量损耗过大。当前我国对于钻机的应用，大部分集中在煤炭的开采上。由于煤炭是一种一次性的消费品，且大多储藏在地势复杂的地区。因此在煤炭的开采过程中，钻机需要克服地势、安全、采矿等多方面的要求，并能够在地下进行顺畅的开采任务。 1.1.2 国外发展现状 在上世纪 80 年代初，英国在煤矿井中最先应用井底马达定向钻进技术，当时钻进距离为1000米，但是如果去掉钻进工艺尺寸和煤层的尺寸，那么实际的钻进距离只有635米。从20 世纪中期开始，澳大利亚将此技术发展到了瓦斯抽放井及地质勘探井的施工中，并成为该井的主要技术，且有了显著的效果。一般可以达到 700 米左右的井深，于2002年达到 1761 米的最大井深。此技术有很强井眼轨迹控制能力，缺点为井底马达的输出的扭矩较小，井眼直井较小，且钻井成本较高。 立式钻机逐渐被取代发生在20世纪60年代，那时候国外的一些国家开始研究全液压式钻机，并且逐渐将立式钻机淘汰。在20世纪90年代，在原有的全液压钻机技术上，应用了电液比例控制技术，这一技术的应用，使得液压钻机的钻进能力和其他能力都有了质的飞跃。随着自动控制技术的发展，由于钻机的人工操作不便于深井作业，且面临着很大的危险，因此此项技术进而发展到新型勘探钻机领域中，并且快速扩展适用钻机的范围，使得钻机机电一体化，为接下来的钻井工作提高了很大的效率。 图1-1 总得来说，在钻机的液压元、部件的性能及选用方面国外煤矿坑比国内水平要高，另外整体性能更好，更具备完善的功能。在当今社会，劳动力的成本正在不断上涨，随着科技的发展，人工智能的出现，电液比例技术应运而生，各大钻探设备生产商开始对智能钻探设备进行探究，电液比例技术开始广泛运用于智能钻探设备。 1.2 钻机的发展概况 不管是立式钻机还是卧式钻机，在工作的过程中，都是由各个液压系统组成并且控制其动作的，因此液压系统在钻机的设计中，是非常重要的。液压系统的好坏直接影响着钻机的能耗高低，性能高低和钻机的寿命长短等。 煤矿坑道钻机在施工过程中，会因为工作环境的变化而引起负载的变化，从而影响钻进的速度和效率，所以钻机必须解决负责不稳定性，且钻进时要满足工艺要求，比如起钻杆，接钻杆等工艺。 1.2.1 卧式钻机介绍 卧式钻机主要由机架、动力钻头、液压操纵台、液压站、辅助卡盘等结构构成。这种钻机的动作都是液压驱动的，如钻杆旋转、钻杆升降、调整井架等。而全液压式钻机能够更强的适应各式工况，能够根据工作环境的不同要求，适当的调整其执行机构的参数 。此外，卧式钻机还具有钻机适应性强，可进行多种钻进工艺、单一机构的多功能性，并且全液压钻机重量轻，转速高，工作平稳，操作也是方便安全，容易实现自动化。 1.2.2 立式钻机简介 目前市场上通用的立式钻机，一般是由电机、液压系统、离合器、变速箱等部分构成，其工作原理比较古老，偏向机械化。主要由电机先启动，然后拉动变速箱，变速箱再传至分动箱，最后分动箱带动回转器产生转动，所以市场上也称为机械式钻机。在立式钻机中，有一个部分是很重要的，那就是液压系统，其作用原理主要是通过改变压强增大作用力，作用方式主要为控制液压与辅助卡盘的松紧以及钻杆的推进。 图1-2 其控制过程是这样的，首先电机带动液压泵工作，将液压油输入到液压系统，将电能转换为液压能。然后通过液压系统中各个元器件和液压系统的各种回路，控制执行元件的动作。如在立式钻机中，通过液压缸内部直线运动所产生的动能，来推动立式钻杆的进给运动，通过支撑油缸，可以固定立式钻机，通过油缸的不断运动，可以对回转器进行微调。 1.3 钻机中液压原理的应用现状 液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，主要进行能量之间的转换。由于其具有控制稳定且输出的能量较为可靠的特点，自从开始应用液压系统以来，各个工业领域已经得到了广泛的应用和推广。 现在，我国钻机液压系统设计还停留在靠经验来设计的路线上，其基本内容一般包括首先明确钻机工作的环境，然后分析其环境和钻进条件对于钻机的要求，包括动作要求和动力要求等，最后通过初步的设计，进行逐渐深入的明细化设计，将各个元器件的参数，各个液压回路进行组合，设计成一套完成的液压系统。传统的立式钻机和卧式钻机，其液压系统大多由手动控制，控制较为简单，但是精度不高，不能根据实际的工作环境进行动态的参数设计和控制。钻机在使用过程中，大多的动作时由多个机械结构共同完成的，其液压系统在控制执行元件进行工作的过程中，不可避免的会发生泄漏，而液压的泄漏将会导致压力的流量等液压参数的改变，而这些改变却不能通过液压系统的动态调整来进行适应。本文通过查阅国内和国外一些钻机的发展历史和现状，对其优缺点进行比较和学习，对传统的液压钻机系统进行创新设计，使得新型的钻机能够根据环境的变化而适时的调整液压的参数，保证钻进工作的正常进行。 第2章 传统钻机液压系统功能与分析 从不同的角度出发，液压系统可以分成不同的形式。按油液的循环方式，可分为开始系统和闭式系统；按液压系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双泵系统和多泵系统；按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统；按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统；按用途的不同，可分为固定设备用系统和行走设备用系统；按主换向阀在中位时液压泵的工作状态，可分为中开式系统和中闭式系统；除此之外，按工作特征的不同，还可分为液压传动系统和液压控制系统。 2.1 常见钻机液压系统 目前市场上普遍的钻机液压系统，主要区别就是液压泵的数目不同，即是单泵系统、双泵系统和多泵系统。 2.1.1 单泵液压系统 在小功率的钻机中，由于变量泵液压系统成本相对于定量泵液压系统偏高，且组成较为复杂，所以一般的生产商都会选择定量泵液压系统。 此型钻机采用机械式调节执行机构速度，比较多的小型钻机采用压力控制阀来调节压力。此类钻机液压系统的结构较为简单, 方便操作和维护,但效率不高、能耗较大，比较典型的此类液压系统原理如下图2-1所示。 图2-1 单泵钻机液压系统原理图 尽管定量泵系统的结构简单，成本较低，但正是由于它的结构简单，导致了全液压钻机在运行的过程中不能高效率的进行能量的转化，这主要是因为钻机的各个部分在工作的时候，其变化区间较大，同时由于能量的大量流失，还会导致钻机在使用的过程中温度过高，使得在操作的过程中存在过高的危险性。近年来，由于资源的减少，能源成本在不断的增加，所以钻机生产商开始将定量泵系统改为变量泵单泵系统，从而可以将能量损失避免掉，也进一步减少了钻机的能耗，也解决了油温升高等问题。 2.1.2 双泵液压系统 单泵系统钻机的液压系统在完成一些复合动作之后，由于其使用的油源唯一，因此当这两个动作回路之间发生较大的差别时或者某一个回路的负载发生突变的时候，会影响其他动作。为了解决一个泵影响不同的回路问题，采用两个泵作为系统动力源，这样就避免了不同回路之间的相互影