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1、钻机液压系统设计1 概述目前，随着非开挖施工技术的日益成熟，作为非开挖施工主要设备的水平定向钻机也得到了突飞猛进的发展。液压系统以它体积小、重量轻、结构紧凑、动力便于传递、力量大等特点，在水平定向钻机中得到了广泛的应用。钻机液压系统的液压元件以及各回路的性能对钻机的整体性能起着决定性的作用。2 钻机液压系统在大吨位的钻机中，采用液压系统驱动显示出了巨大的优越性，它使产品的结构变得简单，体积大大缩小。全液压水平定向钻机的液压系统包括：动力头回转液压系统、动力头推进或回拖液压系统、夹持卸扣器液压系统、履带行走液压系统、钻臂升降液压系统、钻机支腿液压系统、驾驶室平移液压系统、吊车液压系统、泥浆泵马达
2、液压系统。在设计液压系统时，以满足性能和使用要求而又没有多余元件为最佳。下边我们就分别探讨一下钻机各部分液压系统的工作原理。2.1 动力头回转液压系统动力头回转液压系统，一般由一对规格相同但转向正好相反的低速大扭矩液压马达组成，液压马达带有减速机以便增大扭矩力，两液压马达之间设有一块可使两马达实现串、并联作用的电液动换向阀。液压系统图见图一。图一 动力头回转液压系统首先，从液压泵站来的液压油的压力和流量要和各液压元件相匹配，液压系统的压力不能超过任何一个液压元件的额定工作压力，否则要用减压阀进行减压。选择换向阀时要注意，换向阀的通径要满足液压马达到达最大设计转速时对液压油流量的需要。当电液换向
3、阀4的左边电磁铁带点且换向阀3不带电时，电磁铁将阀4的左边阀芯位置推到中间，来自系统的液压油经过阀4到达马达1的左边，另一路则经过换向阀3到达马达2的右边，推动马达1、2作方向相反的转动，此时主轴正转。马达1的回油经过换向阀3与马达2的回油会合，经换向阀4流回油箱。这时两马达并联，转速低，但扭矩最大。当电液换向阀4的左边电磁铁和换向阀3同时带电时，阀3的右边阀芯被推到左边位置接通，液压油经过马达1、阀3到达马达2的右边，推动两马达转动，主轴正转。这时两马达串联，马达转速比并联时高一倍，但扭矩是并联时的二分之一，回油则经过阀4流回油箱。当电液换向阀4的右边电磁铁带点且换向阀3不带电时，电磁铁将阀
4、4的右边阀芯位置推到中间，液压油经过阀4到达马达2的左边，另一路则经过换向阀3到达马达1的右边，推动马达1、2作方向相反的转动，此时主轴反转。马达2的回油经过换向阀3与马达1的回油会合，经换向阀4流回油箱。这时两马达并联，转速低，扭矩大。当电液换向阀4的右边电磁铁和换向阀3同时带电时，电磁铁将阀4的右边阀芯位置推到中间，同时阀3的右边阀芯被推到左边位置接通，液压油经过阀4到达马达2的左边，出来后流经换向阀3到达马达1的右边，推动马达1、2作方向相反的转动，此时主轴反转。这时两马达串联，马达转速比并联时高一倍，但扭矩是并联时的二分之一，回油则经过阀4流回油箱。以上是开式液压系统时的情况，如果液压
5、系统为闭式系统，而且液压泵采用双向变量泵，则可省去电液换向阀4，因为泵自身能实现换向。此外，两液压马达的泄油管路一定要连接在一起单独引回油箱，泄油管路中不允许有背压元件存在。为了获得多种转速，可将换向阀4改用电液比例换向阀。2.2 动力头推进或回拖液压系统动力头推进或回拖液压系统一般由两对规格相同转向相反的低速大扭矩液压马达组成，液压马达都带有减速机以便为钻机提供较大的推进或回拖力。液压系统的组成形式与动力头回转液压系统相同，只是增加了一组，液压系统图见图二。图二 动力头推进或回拖液压系统首先，选择液压马达和换向阀的额定工作压力不能低于液压系统的最高工作压力，电液换向阀7的通径要满足1、2、4
6、、5四台马达在最高设计转速时对流量的需要。当电液换向阀7的左边电磁铁带点，换向阀3、6不带电时，电磁铁将阀7的左边阀芯位置推到中间，液压油经过阀7到达马达4和马达1的左边，另外一部分液压油分别经过阀3到达马达2的右边，经过阀6到达马达5的右边，推动马达1、2和4、5转动，带动动力头向前推进。此时，四台马达并联，推进力最大。当电液换向阀7的左边电磁铁带点，换向阀3、6也带电时，电磁铁将阀7的左边阀芯位置推到中间，电液换向阀3和6的右边阀芯位置被推到左边接通，液压油经过阀7后，一路油经过马达1、换向阀3，通过马达2，再经换向阀7流回油箱。另外一路液压油经过马达4、换向阀6，通过马达5，再经换向阀7
7、流回油箱。从而推动马达1、2和4、5转动，带动动力头向前推进。此时，马达1、2串联，4、5串联，而马达1、2和马达4、5两组之间并联，动力头的推进力比全并联时小了一半，但动力头的推进速度比全并联时高了一倍。当电液换向阀7的右边电磁铁带点，换向阀3、6不带电时，四台马达实现反向旋转，动力头实现回拖。此时四台马达并联，回拖力最大。当电液换向阀7的右边电磁铁带点，换向阀3、6也带电时，马达1、2串联，4、5串联，而马达1、2和马达4、5两组之间并联，动力头的回拖速度最大，但回拖力比全并联时小了一半。为了获得多种行走速度也可将换向阀7改换成电液比例换向阀。2.3 夹持卸扣器液压系统夹持卸扣器液压系统由
8、夹持器夹持、卸扣器夹持、卸扣、夹持卸扣器分离、夹持卸扣器游动马达等几部分液压系统组成。液压系统图见图三。图三 夹持卸扣器液压系统当电磁换向阀1左边电磁铁带电时，夹持器夹持油缸夹紧；当电磁换向阀1右边电磁铁带电时，夹持器夹持油缸松开。当换向阀1从夹紧状态回到中位时，液压缸保持夹紧状态；当换向阀1从松开状态回到中位时，液压缸保持松开状态。一般需要保持夹紧力的液压系统会设计成液控单向阀和蓄能器合用，换向阀中位机能选择“Y”型的液压锁紧回路。但本系统考虑到保持夹紧力的时间很短，故省去了液控单向阀，以降低成本，换向阀中位机能则选用“O”型。卸扣器夹持液压系统和夹持器夹持液压系统相同。在卸扣回路中，当换向
9、阀3左边电磁铁带电时，卸扣油缸伸出卸扣；当换向阀3右边电磁铁带电时，卸扣油缸返回。在分离系统中，当电磁换向阀4左边电磁铁带电时，分离油缸伸出，夹持器和卸扣器分离，此时卸扣器的夹紧油缸再次夹紧已经卸开的钻杆一端时，可实现动力头一端的钻杆卸扣。当电磁换向阀4右边电磁铁带电时，分离油缸缩回，夹持器和卸扣器恢复原始状态。当电磁换向阀5的阀芯换向时，可实现夹持卸扣器在桅杆上的全程前后游动，利用节流阀6可调节夹持卸扣器的游动速度。为了减少液压管路，换向阀1.、2、3、4、5可选用组合在一起的既可手动又可电动的多路换向阀，并安装在夹持卸扣器旁边。如果需要对各组油缸的速度进行调整，可在各系统中分别增加节流阀来
10、实现，也可直接选用组合在一起的电液比例多路换向阀来实现，如选用比例换向阀控制，节流阀6可省去。2.4 履带行走液压系统钻机行走部件一般选用市场上的挖掘机底盘，经过改装后作为钻机的行走底盘，左右两个行走液压马达1、2由两个电液比例换向阀3、4分别控制，而电液比例换向阀的远程控制手柄则安装在钻机的驾驶室内。这样钻机的驾驶人员通过操纵远程控制手柄，就可以实现钻机的前进、后退和转向，以及行进速度快慢的调整。液压系统图见图四。图四 履带行走液压系统2.5 钻臂升降液压系统钻臂升降液压系统一般采用由两个液压缸组成的带液压锁的锁紧回路，液压系统图见图五。图五 钻臂升降液压系统当电磁换向阀1的左边电磁铁带电时
11、，压力油经过换向阀1、液压锁2、节流阀3进入油缸下腔，油缸伸出，钻臂举升。当电磁换向阀1的右边电磁铁带电时，压力油经过换向阀1、液压锁2进入油缸上腔，油缸缩回，钻臂回落。当电磁换向阀1在中位时，回路锁死。当钻臂回落时，由于回油路上有节流阀3形成一定的背压，使钻臂回落时较稳定，可避免桅杆因自重引起的冲击。2.6 钻机支腿液压系统钻机就位后，钻机支腿油缸伸出，配合前面的地锚稳定钻机，以保证施工精度，液压系统图见图六。支腿液压系统由手动换向阀和液压锁组合而成，工作原理基本上与钻臂升降液压系统相同，只是省去了节流阀，因为支腿油缸缩回时不会产生冲击。支腿油缸安装在钻机后部，左右各一支。图六 钻机支腿液压
12、系统2.7 驾驶室平移液压系统钻机在施工时，由于桅杆向前伸出，前端的夹持卸扣器离驾驶室较远，操作者不便观察。为了方便施工，要求驾驶室也要随着向前伸出，驾驶室平移液压系统图见图七。图七 驾驶室平移液压系统当电磁换向阀1的左边电磁铁带电时，驾驶室向前伸出，回油经节流阀2流回油箱；当电磁换向阀1的右边电磁铁带电时，驾驶室向后收回，回油仍然经节流阀2流回油箱。节流阀2既可以调整平移油缸的速度，又起到了背压阀的作用，使驾驶室在移动过程中比较平稳。2.8 吊车液压系统大型钻机为了装卸钻杆方便，一般都配有小型吊车，吊车一般外购，主油路则由钻机液压系统提供。钻机为吊车配置的液压系统见图八。图八 吊车液压系统有
13、的钻机为了方便工作，在施工时让吊车整体伸出到桅杆外侧，待撤场时再收回到桅杆旁边，以减少整体宽度，方便运输，所以配置了手动换向阀5来控制吊车的伸出和收回。由于吊车液压系统的压力一般低于钻机主系统压力，所以来自主系统的高压油要经过减压阀6减压后才可以供吊车液压系统使用。2.9 泥浆泵马达液压系统现在的钻机大部分都自备泥浆泵，泥浆泵由液压马达来驱动，而驱动马达的动力则来自钻机液压系统。如果所选用的泥浆泵马达额定压力低于主系统压力，主系统液压油要先经减压阀减压后才可供给泥浆泵系统。泥浆泵马达液压系统图见图九，基本和动力头回转液压系统相同，只是泥浆泵系统只有正转没有反转而已。图九 泥浆泵马达液压系统3
14、钻机的液压泵站钻机的液压泵站主要由：油箱、滤油器、液压泵、柴油发动机和溢流阀等元件组成。由于钻机工作环境比较恶劣，连续工作时间较长散热较差，所以油箱容积一般要选大于等于泵最大流量的7倍，而且液压系统回油要配有散热器。因为钻机的回油管路有回油滤油器、散热器和一些为了方便维修而设的截止阀门等元件，回油阻力较大，所以液压马达和泵的泄油不要接入回油管路，要单独引回油箱，否则容易造成马达和泵的损坏。滤油器的通油流量要大于等于系统通过液压油最大流量的2.5倍。液压泵的流量总和要满足动力头回转、动力头推进或回拖、泥浆泵马达等液压系统同时工作时对流量的需要。柴油发动机的功率要满足液压泵最高工作压力、最大工作流量时对功率的需要。所选用的液压胶管所能承受的最高工作压力要大于等于液压系统最高工作压力的1.5倍，以免液压胶管受液压冲击而爆裂。4 结束语液压系统的设计没有一个固定的模式，设计者可以根据自己的不同使用要求，进行不同的组合，设计成不同的液压系统。但是在满足使用和性能要求的前提下，液压系统元件越少、系统越简单越好，不要盲目提高设计精度，增加制造成本。
