地表岩心钻机动力头液压系统设计(液压系统经典设计实例)ppt课件

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1、液压系统传动设计第第4 4章章 地表岩心钻机动力头地表岩心钻机动力头液压系统设计液压系统设计 ( (看钻探看钻探3D3D视频视频) ) 全液压动力头式地表岩心钻机代表了岩心钻探技术全液压动力头式地表岩心钻机代表了岩心钻探技术的先进水平。该类型钻机由于具有钻速高、调速范围大、的先进水平。该类型钻机由于具有钻速高、调速范围大、能实现无极调速和无极调压、工作平稳、给进行程长、能实现无极调速和无极调压、工作平稳、给进行程长、过载保护好、机械化自动化程度高、适用范围广等优点，过载保护好、机械化自动化程度高、适用范围广等优点，成为目前地表岩心钻机的主流机型。成为目前地表岩心钻机的主流机型。 国外多数发达国

2、家的岩心钻机行业经过几十年发展，国外多数发达国家的岩心钻机行业经过几十年发展，已进入全液压钻机时代，部分发展中国家也开始大力推已进入全液压钻机时代，部分发展中国家也开始大力推广应用全液压岩心钻机，国外主要的岩心钻机生产厂商广应用全液压岩心钻机，国外主要的岩心钻机生产厂商已全面生产全液压岩心钻机，不再生产机械立轴式岩心已全面生产全液压岩心钻机，不再生产机械立轴式岩心钻机，但在一些发展中国家，机械立轴式岩心钻机还有钻机，但在一些发展中国家，机械立轴式岩心钻机还有着广泛的应用。着广泛的应用。 目前，地表岩心钻机有机械驱动式、电驱动式和全液压式驱动三种。目前，地表岩心钻机有机械驱动式、电驱动式和全液压

3、式驱动三种。机械驱动式立轴岩心钻机的外观和结构如下图所示。机械驱动式立轴岩心钻机的外观和结构如下图所示。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 钻探工程是通过钻探机械向地下钻进钻孔，并从中取得岩心、钻探工程是通过钻探机械向地下钻进钻孔，并从中取得岩心、矿心、矿粉借以了解地下地质矿产资源情况并圈定矿体的工程。矿心、矿粉借以了解地下地质矿产资源情况并圈定矿体的工程。 地质勘探中的钻孔作业有浅层取样钻探地质勘探中的钻孔作业有浅层取样钻探( (通常称为浅钻通常称为浅钻) )和岩和岩心钻探两类方法。心钻探两类方法。 浅钻一般为垂直的浅层钻进，其深度一般在浅钻一般为垂直的浅层钻进，其深度一般在

4、100m100m以内，设备以内，设备简单，费用低，效率高。简单，费用低，效率高。( (见三个便携钻机视频见三个便携钻机视频) ) 岩心钻探是一种采用机械回转并加压的钻进方法，配备有一岩心钻探是一种采用机械回转并加压的钻进方法，配备有一整套机械设备，包括钻塔、钻机、水泵、采油机或电动机、钻杆整套机械设备，包括钻塔、钻机、水泵、采油机或电动机、钻杆及套管等，其钻进深度为及套管等，其钻进深度为1001001000m1000m。( (岩心钻探视频岩心钻探视频) )4.1.1 4.1.1 地表岩心钻机的应用及分类地表岩心钻机的应用及分类 地表岩心钻机可完成取心钻探、工程地质勘察、锚固孔施工、地表岩心钻机

5、可完成取心钻探、工程地质勘察、锚固孔施工、地下资源探采地下资源探采( (如浅层石油、天然气、煤炭、地下水如浅层石油、天然气、煤炭、地下水) )、堤坝注浆、堤坝注浆、坑道通风排水等钻孔工程。坑道通风排水等钻孔工程。 地表岩心钻机通常采用的钻进方法包括金刚石取心钻进地表岩心钻机通常采用的钻进方法包括金刚石取心钻进( (金金刚石钻头视频刚石钻头视频) )、反循环钻进、反循环钻进( (简称简称RCRC，反循环视频反循环视频) )、螺旋钻进、螺旋钻进( (螺旋视频螺旋视频) )、空气取心钻进、起动冲击钻进、空气取心钻进、起动冲击钻进( (冲击钻视频冲击钻视频) )以及声以及声波钻进。波钻进。4.1 4.

6、1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统电驱动式岩心钻机未找到视电驱动式岩心钻机未找到视频和图片。频和图片。 与机械驱动式和电驱动与机械驱动式和电驱动式钻机相比，全液压钻机具式钻机相比，全液压钻机具有功率重量大、结构紧凑、有功率重量大、结构紧凑、控制性能好、易于实现远程控制性能好、易于实现远程遥控及自动化控制等优点。遥控及自动化控制等优点。目前，国外钻机多以全液压目前，国外钻机多以全液压顶驱动力头式为主流结构，顶驱动力头式为主流结构，国内全液压钻机品种和数量国内全液压钻机品种和数量也呈现出快速增长的趋势。也呈现出

7、快速增长的趋势。 全液压式钻机是指钻机全液压式钻机是指钻机全部执行机构的驱动部件均全部执行机构的驱动部件均为液压执行器的一类钻机。为液压执行器的一类钻机。目前，全液压钻机逐渐取代目前，全液压钻机逐渐取代传统的立轴式岩心钻机。传统的立轴式岩心钻机。 右图所示为右图所示为CS-1000CS-1000型全型全液压顶驱动力头式地表岩心液压顶驱动力头式地表岩心钻机。钻机。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统瑞典阿特拉斯瑞典阿特拉斯科普柯公司的科普柯公司的C6C6地表全液压岩芯地表全液压岩芯钻机，见视频。钻机

8、，见视频。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.1.2 4.1.2 全液压全液压动力头式地表动力头式地表岩心结构岩心结构 CS-1000CS-1000型全液压顶驱型全液压顶驱动力头式地表动力头式地表岩心钻机的主岩心钻机的主要工作部件包要工作部件包括给进机构、括给进机构、动力头动力头( (回转回转机构机构) )、升降、升降机构机构( (提升绞提升绞车和取心绞车车和取心绞车) )、滑架变幅、滑架变幅机构液压夹盘机构液压夹盘( (钻杆夹持机钻杆夹持机构构) )以及控制以及控制器和辅助装置器和辅助装置等

9、，如图等，如图4-24-2所示。所示。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统其中，钻机其中，钻机的给进机构、的给进机构、回转机构和回转机构和升降机构是升降机构是实施钻进动实施钻进动作的主要执作的主要执行器，而变行器，而变幅、夹持、幅、夹持、卸扣等执行卸扣等执行机构实现辅机构实现辅助动作。全助动作。全液压动力头液压动力头式地表岩心式地表岩心钻机所有功钻机所有功能模块均由能模块均由液压系统驱液压系统驱动和实施。动和实施。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求

10、 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统CS-1000CS-1000型的进给型的进给机构是为主机提机构是为主机提供推进和回拖动供推进和回拖动作的机械传动和作的机械传动和执行机构。执行机构。 液压夹盘是液压夹盘是一类特殊设计的一类特殊设计的钻杆夹持机构，钻杆夹持机构，由特制的机液联由特制的机液联合操纵装置组成，合操纵装置组成，液压夹盘安装在液压夹盘安装在动力头上，可随动力头上，可随动力头沿导轨移动力头沿导轨移动。动。 另一钻杆夹另一钻杆夹持机构为持机构为“木马木马式式”夹持器，辅夹持器，辅助实现钻杆与动助实现钻杆与动力头的分离及分力头的分离及分离后的加持与悬离后的加持与悬停。停。4.1

11、 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统升降机构实际上是升降机构实际上是由主、副卷扬机两由主、副卷扬机两个执行器组成，其个执行器组成，其中主卷扬用于提放中主卷扬用于提放成孔钻具，副卷扬成孔钻具，副卷扬用于提放取心钻具，用于提放取心钻具，主、副卷扬一般采主、副卷扬一般采用了定制的液压绞用了定制的液压绞车成品部件。车成品部件。 在副塔上安装在副塔上安装有钻杆扶正器，可有钻杆扶正器，可在加接钻杆过程中在加接钻杆过程中协助上部钻杆轴线协助上部钻杆轴线对准动力头回转中对准动力头回转中心。钻杆扶正器的心。钻杆扶正器的执

12、行元件是一个轻执行元件是一个轻型液压缸，该液压型液压缸，该液压缸驱动一套带有扶缸驱动一套带有扶正凸轮的连杆机构，正凸轮的连杆机构，可实现钻杆导板的可实现钻杆导板的升高和降落。升高和降落。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.1.3 4.1.3 动力头动力头( (会钻机构会钻机构) )的结构的结构 全液压钻机动力头的功能是将液压能转化为机械能，使钻具以不同转全液压钻机动力头的功能是将液压能转化为机械能，使钻具以不同转速和扭矩，做正向或反向回转运动。速和扭矩，做正向或反向回转运动。 全液压动力头式地

13、表岩心钻机动力头的主体包括液压马达、输入端变全液压动力头式地表岩心钻机动力头的主体包括液压马达、输入端变速箱、主变速箱、液压夹盘、润滑系统以及翻转机构，其结构如图所示。速箱、主变速箱、液压夹盘、润滑系统以及翻转机构，其结构如图所示。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 由于岩心钻机主轴转速高，安装在输入轴侧的液压马达通常选择高速小扭由于岩心钻机主轴转速高，安装在输入轴侧的液压马达通常选择高速小扭矩马达。矩马达。 输入端变速箱用于手动变速，能够可靠锁定在确定档位。输入端变速箱用于手动变速，能够可靠锁

14、定在确定档位。 主变速箱用于驱动动力头主轴回转。主变速箱用于驱动动力头主轴回转。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 液压夹盘与动力头主轴刚性相连，在夹持钻杆的状态下，其内套可在动力液压夹盘与动力头主轴刚性相连，在夹持钻杆的状态下，其内套可在动力头主轴驱动下随同钻杆一同回转。夹盘通过动力头主轴上的推力调心滚子轴承头主轴驱动下随同钻杆一同回转。夹盘通过动力头主轴上的推力调心滚子轴承克服轴向载荷。克服轴向载荷。 翻转机构由锁紧液压缸和翻转液压缸组成，用于完成下钻过程中的动力头翻转机构由锁紧液压缸和翻转

15、液压缸组成，用于完成下钻过程中的动力头开合操作。开合操作。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 在动力头工作过程中，由高速液压马达驱动输入端变速箱，然后通过变速在动力头工作过程中，由高速液压马达驱动输入端变速箱，然后通过变速箱输出轴驱动主变速箱，传递功率，带动主轴回转。动力头主轴与液压夹盘相箱输出轴驱动主变速箱，传递功率，带动主轴回转。动力头主轴与液压夹盘相连接，夹盘夹持钻杆后可带动钻杆回转，实现加压回转钻进。在工作过程中，连接，夹盘夹持钻杆后可带动钻杆回转，实现加压回转钻进。在工作过程中，动力头

16、在驱动钻杆钻头回转的同时需要承受钻进、回拖过程中的反力。动力头在驱动钻杆钻头回转的同时需要承受钻进、回拖过程中的反力。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.1.4 4.1.4 对钻机功能模块技术要对钻机功能模块技术要求求 (1)(1)给进装置要求调压准确、给进装置要求调压准确、平稳，并可实现加、减压钻进，平稳，并可实现加、减压钻进，称重，快速提升等动作。称重，快速提升等动作。 (2)(2)回转机构应有大范围回转机构应有大范围不停钻无极调速功能，调速过不停钻无极调速功能，调速过程平稳，扭矩大，负载

17、适应能程平稳，扭矩大，负载适应能力强，转速不受负载变化影响。力强，转速不受负载变化影响。 (3)(3)提升绞车机构应有足提升绞车机构应有足够提升力，提升和下放速度可够提升力，提升和下放速度可灵活调整，调速过程平稳，不灵活调整，调速过程平稳，不受负荷变化影响，载荷波动小。受负荷变化影响，载荷波动小。 (4)(4)取心绞车机构除提供取心绞车机构除提供足够的取心提升力外，还应具足够的取心提升力外，还应具有较高的提升速度，以提高系有较高的提升速度，以提高系统取心效率。统取心效率。 (5)(5)为适应偏远地区钻探为适应偏远地区钻探需要，节省动力成本，应减小需要，节省动力成本，应减小钻探过程中能量损失，调

18、高系钻探过程中能量损失，调高系统能量利用率。统能量利用率。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.1.5 4.1.5 对钻机动力头液压系统技术要求对钻机动力头液压系统技术要求 (1)(1)动力头的转速与扭矩可在较大范围内无级调节，调节过程平动力头的转速与扭矩可在较大范围内无级调节，调节过程平稳，以适应孔内钻进情况变化的需要；稳，以适应孔内钻进情况变化的需要；(2)(2)为满足孔内特殊工艺要求，为满足孔内特殊工艺要求，动力头应具有较低反转转速；动力头应具有较低反转转速；(3)(3)具有机械硬特性，即

19、转速不受负载具有机械硬特性，即转速不受负载变化影响；变化影响；(4)(4)具有带载频繁启停功能，且启停平稳；具有带载频繁启停功能，且启停平稳；(5)(5)具有一定的具有一定的超载能力及过载保护功能；超载能力及过载保护功能；(6)(6)为保证钻头的正常钻进工况和钻孔质为保证钻头的正常钻进工况和钻孔质量，钻机动力头应回转平稳，振动和摆动小；量，钻机动力头应回转平稳，振动和摆动小；(7)(7)功率损耗小，回转功率损耗小，回转运动效率高；运动效率高；(8)(8)具有处理卡钻等特殊工况的能力。具有处理卡钻等特殊工况的能力。4.1 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求地表岩心钻机动力头液压系统设计要

20、求4.1.6 4.1.6 设计参数设计参数(1)(1)最大钻进深最大钻进深度度1000m(1000m(对应对应73mm73mm钻杆钻杆) )；(2)(2)钻孔直径范钻孔直径范围围57.1557.15117.47mm117.47mm；(3)(3)柴油机最柴油机最高转速为高转速为2400r/min2400r/min。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.2.1 4.2.1 执行元件的选择执行元件的选择 本设计实例要求实现连续的回转动作，因此应考虑采用液压马本设计实例要求实现连续的回转动作，因此应考虑采用液压马达作为系统的执行元件。达作为系统的执行元件。 液压马达有高速液压马达和低速

21、液压马达两种。液压马达有高速液压马达和低速液压马达两种。 由于低速大扭矩液压马达外形尺寸大，占用空间多，又考虑到由于低速大扭矩液压马达外形尺寸大，占用空间多，又考虑到本设计小孔径金刚石钻进工艺对高转速的要求，因此本动力头采用本设计小孔径金刚石钻进工艺对高转速的要求，因此本动力头采用小排量柱塞式液压马达作为执行元件。考虑到动力头转速的调节要小排量柱塞式液压马达作为执行元件。考虑到动力头转速的调节要求，应选用变量液压马达。求，应选用变量液压马达。 可供选择的变量液压马达有德国力士乐公司的可供选择的变量液压马达有德国力士乐公司的REXROTH A6VREXROTH A6V系系列液压马达，意大利的列液

22、压马达，意大利的BREVINI H2VBREVINI H2V系列液压马达以及瑞典林德公系列液压马达以及瑞典林德公司和国内贵州力源液压的产品。考虑到钻机液压系统在质量可靠性、司和国内贵州力源液压的产品。考虑到钻机液压系统在质量可靠性、可维护性、供货周期、制造成本等方面的要求，同时动力头设计结可维护性、供货周期、制造成本等方面的要求，同时动力头设计结构需紧凑，设计时又综合考虑给进滑车所承受的倾覆力矩，尽可能构需紧凑，设计时又综合考虑给进滑车所承受的倾覆力矩，尽可能减小径向尺寸以降低主轴回转中心，因此最终选定性价比高的手动减小径向尺寸以降低主轴回转中心，因此最终选定性价比高的手动变量变量A6VMA6

23、VM系列液压马达作为动力头执行元件。系列液压马达作为动力头执行元件。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.2.2 4.2.2 传动方案的选择传动方案的选择 本设计拟采用高速液压马达作为动力头液压系统的执行元件，为满足主轴本设计拟采用高速液压马达作为动力头液压系统的执行元件，为满足主轴最大输出扭矩要求，可在动力头主轴与输入端最大输出扭矩要求，可在动力头主轴与输入端( (液压马达输出端液压马达输出端) )之间设置必要之间设置必要的减速传动装置。的减速传动装置。 本设计在动力头主轴和液压马达之间采用一个主变速装置来实现传动。

24、本设计在动力头主轴和液压马达之间采用一个主变速装置来实现传动。 液压马达输出端，即动力头主轴输入端采用输入端变速装置，如图所示。液压马达输出端，即动力头主轴输入端采用输入端变速装置，如图所示。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 根据岩心钻探工艺根据岩心钻探工艺方法对转速分级要求，方法对转速分级要求，输入端变速装置采用多输入端变速装置采用多级齿轮变速箱。钻机结级齿轮变速箱。钻机结构设计要求输入轴与主构设计要求输入轴与主轴平行布置，并考虑主轴平行布置，并考虑主轴设计方案及输入轴一轴设计方案及输入轴一侧零部件装配空间，主侧零部件装配空间，主变速装置选择齿形链传变速装置选择齿

25、形链传动方式，电传动装置由动方式，电传动装置由链轮、小链轮和齿形链链轮、小链轮和齿形链组成，传动速比组成，传动速比2.282.28( (厂家提供的数值厂家提供的数值) )。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.2.3 4.2.3 动力图液压主回路方案拟定动力图液压主回路方案拟定 液压系统的设计必须考虑到负载特性对液压回路的性能要求，液压系统的设计必须考虑到负载特性对液压回路的性能要求，选择最佳的液压系统设计方案。选择最佳的液压系统设计方案。 钻机动力头液压系统全回路可采用开式循环回路和闭式循环回钻机动力头液压系统全回路可采用开式循环回路和闭式循环回路，如图所示。路，如图所示。4

26、.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统开式循环回路正反转线路图。开式循环回路正反转线路图。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 在开示循环回路中，溢在开示循环回路中，溢流阀起调压作用，液压马达流阀起调压作用，液压马达的最大输出扭矩由溢流阀调的最大输出扭矩由溢流阀调节，如图所示。节，如图所示。 开示循环回路功率损失开示循环回路功率损失大，但由于可采用容量较大大，但由于可采用容量较大的油箱，散热性能好，对液的油箱，散热性能好，对液压油的清洁度要求不高，适压

27、油的清洁度要求不高，适合在野外复杂环境条件下工合在野外复杂环境条件下工作。另外，动力头回转系统作。另外，动力头回转系统最好使用单独的液压泵供油最好使用单独的液压泵供油或使用压力补偿器，以避免或使用压力补偿器，以避免引起压力和运动干扰。开式引起压力和运动干扰。开式循环回路不需要额外的辅助循环回路不需要额外的辅助液压泵，因此不会引起压力液压泵，因此不会引起压力和运动干扰。和运动干扰。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 有些大功率的钻机动力有些大功率的钻机动力头液压系统也采用闭式循环头液压系统也采用闭式循环方式，如图方式，如

28、图4-54-5所示。闭式所示。闭式循环回路中主回路溢流阀作循环回路中主回路溢流阀作安全阀处于常闭状态，只起安全阀处于常闭状态，只起到限压保护作用。闭式循环到限压保护作用。闭式循环回路完全由动力头的负载决回路完全由动力头的负载决定。因此，系统工作压力的定。因此，系统工作压力的变化不会影响动力头转速和变化不会影响动力头转速和其他执行机构正常工作。其他执行机构正常工作。 闭式循环回路效率高，闭式循环回路效率高，但系统散热条件差，需要单但系统散热条件差，需要单独的冷却系统，对液压油的独的冷却系统，对液压油的清洁度要求高。清洁度要求高。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟定动力头液压系统方案拟定 组合机

29、床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 根据前述动力头根据前述动力头液压系统的设计要求，液压系统的设计要求，本设计实例动力头液本设计实例动力头液压主回路采用液压泵压主回路采用液压泵和普通多路阀控制方和普通多路阀控制方式，其结构连接示意式，其结构连接示意图如图图如图4-64-6所示。又根所示。又根据前述动力头液压系据前述动力头液压系统负载适应能力和节统负载适应能力和节能的设计要求，动力能的设计要求，动力头液压系统主回路适头液压系统主回路适合采用开式循环回路。合采用开式循环回路。为提高系统效率，可为提高系统效率，可考虑采用负载敏感系考虑采用负载敏感系统。统。4.2 4.2 动力头液压系统方案拟

30、定动力头液压系统方案拟定 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 目前，地表岩心钻进方法主要是金刚石绳索取心钻进、硬合金目前，地表岩心钻进方法主要是金刚石绳索取心钻进、硬合金取心钻进等。在特殊需要时，也时常采用空气泡沫钻进、冲击回转取心钻进等。在特殊需要时，也时常采用空气泡沫钻进、冲击回转钻进以及反循环钻进等。本实例全液压动力头式岩心钻机以金刚石钻进以及反循环钻进等。本实例全液压动力头式岩心钻机以金刚石绳索取心钻进方法为主要工艺，但本设计实例的钻进规程参数也可绳索取心钻进方法为主要工艺，但本设计实例的钻进规程参数也可满足其他工艺方法的基本要求。满足其他工艺方法的基本要求。 岩心钻机动

31、力头的工况分析包括运动分析和负载分析。岩心钻机动力头的工况分析包括运动分析和负载分析。 运动分析主要是对动力头输出转速及其变化规律进行分析，其运动分析主要是对动力头输出转速及其变化规律进行分析，其中转速包括最高转速、最低转速、速度档数及各中间速度。中转速包括最高转速、最低转速、速度档数及各中间速度。 负载分析主要是分析动力头的负载扭矩及其变化规律。负载分析主要是分析动力头的负载扭矩及其变化规律。4.3.1 4.3.1 运动分析运动分析 在我国现有条件下，采用不同的钻进方法和不同直径钻头的使在我国现有条件下，采用不同的钻进方法和不同直径钻头的使用转速分别如表用转速分别如表4-14-1和表和表4-

32、24-2所示。所示。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到1.51.53.5m/s3.5m/s，而表镶金刚石钻，而表镶金刚石钻头适用的圆周线速度一般为头适用的圆周线速度一般为1 12m/s2m/s。在钻头直径不变的情况下，钻。在钻头直径不变的情况下，钻头转速越快，转速越高。但钻头转速过高会引起金刚石磨损加剧，头转速越快，转速越高。但钻头转速过高会引起金刚石磨损加剧，钻杆柱发生强烈

33、振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头钻杆柱发生强烈振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头转速范围。转速范围。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到1.51.53.5m/s3.5m/s，而表镶金刚石钻，而表镶金刚石钻头适用的圆周线速度一般为头适用的圆周线速度一般为1 12m/s2m/s。在钻头直径不变的情况下，钻。在钻头直径不变的情况下，钻头转速越快，转速越高。但钻头

34、转速过高会引起金刚石磨损加剧，头转速越快，转速越高。但钻头转速过高会引起金刚石磨损加剧，钻杆柱发生强烈振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头钻杆柱发生强烈振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头转速范围。转速范围。 动力头主轴的主要参数包括最高转速、最低转速和调速范围。动力头主轴的主要参数包括最高转速、最低转速和调速范围。 (1)(1)动力头主轴最高转速动力头主轴最高转速n nmaxmax 以往给类钻头的适用最高转速通常是按照最小钻头尺寸计算的。以往给类钻头的适用最高转速通常是按照最小钻头尺寸计算的。 例如，对于孕镶金刚石钻头，圆周线速度常取例如，对于孕镶金刚石钻头，圆周线速度常取1

35、.51.53.5m/s3.5m/s，则，则对于对于46mm46mm钻头，动力头主轴转速为钻头，动力头主轴转速为6206201460r/min1460r/min。 对于表镶金刚石钻头，圆周线速度常取对于表镶金刚石钻头，圆周线速度常取2m/s2m/s，则对于，则对于46mm46mm钻钻头，动力头主轴转速为头，动力头主轴转速为850r/min850r/min。 硬质合金钻进的最高转速为硬质合金钻进的最高转速为400400500r/min500r/min。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 由于钻深能力的增加，采用小尺寸钻杆存在强度不足的安全隐患，由于钻

36、深能力的增加，采用小尺寸钻杆存在强度不足的安全隐患，因此目前以小口径金刚石取心钻进工艺为主的岩心钻机动力头主轴因此目前以小口径金刚石取心钻进工艺为主的岩心钻机动力头主轴最高转速通常取最高转速通常取6006001500r/min500r/min。对于。对于73mm73mm孕镶金刚石钻头，圆周孕镶金刚石钻头，圆周线速度为线速度为1.51.53.5m/s3.5m/s，因此动力头主轴转速为，因此动力头主轴转速为4004001000r/min1000r/min。考虑。考虑到国内钻杆与钻机性能的实际水平及钻进工艺的发展趋势，本设计到国内钻杆与钻机性能的实际水平及钻进工艺的发展趋势，本设计取动力头主轴最高转

37、速为取动力头主轴最高转速为1000r/min1000r/min，这一转速是根据，这一转速是根据73mm73mm钻杆结钻杆结合合73mm73mm孕镶金刚石钻头的钻进工艺要求确定的，而这种近似外平孕镶金刚石钻头的钻进工艺要求确定的，而这种近似外平的结构也是千米岩心钻机最为常用的钻具组合。的结构也是千米岩心钻机最为常用的钻具组合。(2)(2)动力头主轴最低转速动力头主轴最低转速 动力头最低转速根据开孔钻进、复杂地层钻进、扫孔及处理事动力头最低转速根据开孔钻进、复杂地层钻进、扫孔及处理事故的需要来确定。硬质合金钻进的最低转速一般为故的需要来确定。硬质合金钻进的最低转速一般为100100150r/min

38、150r/min。金刚石钻进一般为金刚石钻进一般为6060150r/min150r/min。推荐小口径动力头的最低转速取。推荐小口径动力头的最低转速取150r/min150r/min左右为宜，大口径动力头的最低转速为左右为宜，大口径动力头的最低转速为60r/min60r/min左右为宜。左右为宜。 因此本设计因此本设计73mm73mm钻头取动力头主轴最低转速为钻头取动力头主轴最低转速为100r/min100r/min。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 (3)(3)动力头主轴调速范围动力头主轴调速范围 最高转速与最低转速的比值称为调速范围，即最高

39、转速与最低转速的比值称为调速范围，即4.3 4.3 工况分析工况分析 通常对于硬质合金钻进钻机，通常对于硬质合金钻进钻机，i id d取取3 35；对于金刚石钻机，；对于金刚石钻机， i id d取取4 416，少数可达，少数可达15.过小，当过小，当n nmaxmax一定时，即意味着一定时，即意味着n nminmin减小，则减小，则动力头回转系统扭矩增大，钻机尺寸与质量也相应增大；如果动力头回转系统扭矩增大，钻机尺寸与质量也相应增大；如果n nminmin不变，则意味着不变，则意味着n nmaxmax增高。总之，应该首先根据钻进工艺需要来确增高。总之，应该首先根据钻进工艺需要来确定动力头主轴

40、定动力头主轴n nmaxmax及及n nminmin ，从而确定，从而确定i id d 。 根据确定的动力头主轴最高转速根据确定的动力头主轴最高转速1000r/min和最低转速和最低转速100r/min，计算得到动力头主轴的调速范围为，计算得到动力头主轴的调速范围为10。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.3.2 4.3.2 负载分析负载分析 动力头的负载主要是钻头切削过程中所受到的回转扭矩。影响动力头的负载主要是钻头切削过程中所受到的回转扭矩。影响回转扭矩的因素很多，如孔深变化、钻孔与钻杆直径匹配关系、转回转扭矩的因素很多，如孔深变化、钻孔与钻杆直径匹配关系、转速等，很难精

41、确计算动力头回转机构所需扭矩的大小。在设计钻机速等，很难精确计算动力头回转机构所需扭矩的大小。在设计钻机时，通常可根据实际钻探经验以及借鉴同类设备性能参数来确定钻时，通常可根据实际钻探经验以及借鉴同类设备性能参数来确定钻机回转系统的最大回转扭矩。机回转系统的最大回转扭矩。 对于地表岩心钻机，由于要求动力头输出转速高，通常输出扭对于地表岩心钻机，由于要求动力头输出转速高，通常输出扭矩较小，一般为矩较小，一般为0.50.55kNm5kNm，本设计取动力头输出扭矩，本设计取动力头输出扭矩4000Nm4000Nm。4.3.3 4.3.3 动力头输出功率计算动力头输出功率计算 根据动力头的输出转速和扭矩

42、，动力头输出功率可计算为根据动力头的输出转速和扭矩，动力头输出功率可计算为4.3 4.3 工况分析工况分析 代入上述确定的动力头输出扭矩和输出转速，本设计动力头的代入上述确定的动力头输出扭矩和输出转速，本设计动力头的输出功率可计算为输出功率可计算为P=41.89kWP=41.89kW。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.3.4 速度档数及速比选择速度档数及速比选择 从满足钻进工艺来看，希望动力头有较多档数，甚至能实现无从满足钻进工艺来看，希望动力头有较多档数，甚至能实现无级变速，以便选择最佳的回转参数，提高钻进效率。液压钻机随可级变速，以便选择最佳的回转参数，提高钻进效率。液

43、压钻机随可实现无级变速，但为提高液压驱动工作效率，有的钻机仍设置变速实现无级变速，但为提高液压驱动工作效率，有的钻机仍设置变速箱。钻机变速箱档数越多，变速箱的结构越复杂，尺寸和质量也越箱。钻机变速箱档数越多，变速箱的结构越复杂，尺寸和质量也越大，这将使钻机成本增加，搬运困难，维护不便。大，这将使钻机成本增加，搬运困难，维护不便。 全液压动力头式钻机的速度档数一般为全液压动力头式钻机的速度档数一般为46档。本设计实例速档。本设计实例速度档数定为四档，根据前述确定的动力头最高转速度档数定为四档，根据前述确定的动力头最高转速1000r/min和最和最低转速低转速100r/min，从转速分配均匀来考虑

44、，四档转速为，从转速分配均匀来考虑，四档转速为n4=1000r/min，n3=700r/min，n2=400r/min， n1=100r/min，四档，四档传动示意图如图传动示意图如图4-7所示。所示。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统根据图根据图4-7， n4=1000r/min，i0=2.28，在设计过程中通常取最高档，在设计过程中通常取最高档速比速比i4=1.0，即最高档为直接档，因此可得液压马达转速为，即最高档为直接档，因此可得液压马达转速为nm=n4i0i1=2280r/min，根据液压马达这一转速，可初步确定输入端，根据液压马达这一转

45、速，可初步确定输入端变速箱速比分别为变速箱速比分别为i1=10，i2=2.5，i3=1.4，i4=1.0。但该档位速比分。但该档位速比分配不均匀，配不均匀，1档和档和2档之间速比差别太大，不合理。因此，根据前述档之间速比差别太大，不合理。因此，根据前述确定的动力头转速范围和功率以及适合选用的变速箱产品，重新调确定的动力头转速范围和功率以及适合选用的变速箱产品，重新调整了输入端变速箱四档速比如表整了输入端变速箱四档速比如表4-3所示。所示。4.3 4.3 工况分析工况分析 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.4.1 4.4.1 确定工作压力确定工作压力 本钻机属于具有中等载荷特性

46、的行走机械，根据先进行走机械本钻机属于具有中等载荷特性的行走机械，根据先进行走机械液压系统的常用压力等级，并考虑钻机整体结构要求以及液压元件液压系统的常用压力等级，并考虑钻机整体结构要求以及液压元件的方便选择与组配等方面的因素，选定工作压力为的方便选择与组配等方面的因素，选定工作压力为25MPa25MPa。4.4 4.4 确定液压系统的主要参数确定液压系统的主要参数 地表岩心钻机的动力头为典型移动式回转器，必须用液压胶管地表岩心钻机的动力头为典型移动式回转器，必须用液压胶管供油。为使系统布置具有较高的灵活性，多路阀进、回油路均需采供油。为使系统布置具有较高的灵活性，多路阀进、回油路均需采用液压

47、胶管。在此前提下，在管路通径选择得当时，进油路压力损用液压胶管。在此前提下，在管路通径选择得当时，进油路压力损失不超过失不超过0.5MPa，因此液压执行元件的工作压力为，因此液压执行元件的工作压力为25-0.5=24.5MPa。 作为主执行元件的轴向柱塞高速小扭矩液压马达通常有背压要求，作为主执行元件的轴向柱塞高速小扭矩液压马达通常有背压要求，且由于系统采用回油过滤，综合考虑管路、过滤器所引起的压力损且由于系统采用回油过滤，综合考虑管路、过滤器所引起的压力损失，在正常工作流量下系统背压将达到失，在正常工作流量下系统背压将达到0.5MPa。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.4

48、.2 4.4.2 确定液压马达的排量确定液压马达的排量 动力头液压马达的最大排量可计算为动力头液压马达的最大排量可计算为4.4 4.4 确定液压系统的主要参数确定液压系统的主要参数 通过计算得动力头液压马达最大排量为通过计算得动力头液压马达最大排量为V Vm m=77mL/r=77mL/r。 对应动力头主轴最低输出转速为对应动力头主轴最低输出转速为100r/min100r/min时，液压马达所需理时，液压马达所需理论流量为论流量为 通过计算得动力头液压马达所需理论流量为通过计算得动力头液压马达所需理论流量为123.6L/min123.6L/min。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压

49、系统 根据上述计算参数，选择力士乐公司的根据上述计算参数，选择力士乐公司的A6VM-80型轴向柱塞变型轴向柱塞变量马达，其技术参数为：量马达，其技术参数为： (1)最大排量最大排量Vmmax=80L/r； (2)额定压力额定压力p=40MPa； (3)最大转速最大转速n=3900r/min； (4)最大扭矩最大扭矩Tmmax=590Nm。其额定工作压力下理论最大输出扭矩为其额定工作压力下理论最大输出扭矩为4.4 4.4 确定液压系统的主要参数确定液压系统的主要参数 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 动力头所输出的最大回转扭矩可计算为动力头所输出的最大回转扭矩可计算为4.4 4.

50、4 确定液压系统的主要参数确定液压系统的主要参数 为了增加动力头转速变化范围，液压马达采用两点电控变量马为了增加动力头转速变化范围，液压马达采用两点电控变量马达，最大排量达，最大排量80mL/r80mL/r，最小排量，最小排量50mL/r50mL/r。全液压动力头式地表岩心钻机的动力头通常采用单个液压马达驱动。全液压动力头式地表岩心钻机的动力头通常采用单个液压马达驱动。 动力头主轴调速可采用节流调速或容积调速两种方式，动力头动力头主轴调速可采用节流调速或容积调速两种方式，动力头的输出扭矩可通过压力阀的调定压力进行调节。的输出扭矩可通过压力阀的调定压力进行调节。4.5.1 4.5.1 多路阀中位

51、方式多路阀中位方式 国产钻机液压系统普遍采用传统的定量泵及普通多路阀组成的国产钻机液压系统普遍采用传统的定量泵及普通多路阀组成的中位开式节流调速回路，少数采用中位闭式变量泵容积调速回路。中位开式节流调速回路，少数采用中位闭式变量泵容积调速回路。 图图4-84-8为多路阀中位开式回路，采用一个定量泵提供恒定的流为多路阀中位开式回路，采用一个定量泵提供恒定的流量，通过多路阀开口大小的调节进行调速，因此是节流调速回路。量，通过多路阀开口大小的调节进行调速，因此是节流调速回路。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 组合机床动力滑台液压系

52、统组合机床动力滑台液压系统 当多路阀处于中位时，液压泵通过多路阀中位与油当多路阀处于中位时，液压泵通过多路阀中位与油箱直接连通，可实现中位卸荷，节省能量。箱直接连通，可实现中位卸荷，节省能量。 但多路阀中位开式回路的调速特性受负载压力变化但多路阀中位开式回路的调速特性受负载压力变化和液压泵流量影响较大，如图和液压泵流量影响较大，如图4-10(a)4-10(a)所示。所示。4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 图图4-94-9为多路阀中位闭式回路，采用一个变量液压泵供油，具为多路阀中位闭式回路，采用一个变量液压泵供油，具有液压泵输

53、出流量随工作情况变化进行调节的优点，属于容积调速有液压泵输出流量随工作情况变化进行调节的优点，属于容积调速回路，如果与多路阀阀口节流调节相配合，则形成容积节流调速特回路，如果与多路阀阀口节流调节相配合，则形成容积节流调速特性。当多路阀工作在中位时，液压泵出口被封闭，液压泵工作压力性。当多路阀工作在中位时，液压泵出口被封闭，液压泵工作压力达到最大值，此时通过液压泵的流量调节作用，使液压泵的排量降达到最大值，此时通过液压泵的流量调节作用，使液压泵的排量降低到最小值，以实现液压泵的卸荷。通过这种方式也能实现节能目低到最小值，以实现液压泵的卸荷。通过这种方式也能实现节能目的，提高系统工作效率。的，提高

54、系统工作效率。4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图如图如图4-10(b)4-10(b)所示，所示，多路阀中位闭合多路阀中位闭合回路的调速特性回路的调速特性基本不受负载变基本不受负载变化的影响，而且化的影响，而且工作过程中液压工作过程中液压泵输出流量与负泵输出流量与负载所需要的流量载所需要的流量基本相适应，回基本相适应，回路效率高。路效率高。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.5.2 4.5.2 调速回路调速回路 动力头液压系统调速目的是在较大范围内无极调节动力头转速，动力头液压系统调速目的是在较大范围内无极调节动力头转速，且具有带载频繁启停功能，并确保转速不受

55、负载变化影响。且具有带载频繁启停功能，并确保转速不受负载变化影响。 动力头工作时间长，其功率消耗占全部功率的比例很大。为减动力头工作时间长，其功率消耗占全部功率的比例很大。为减小系统的功率损失，改善系统的工作性能，普遍采用容积调速方式，小系统的功率损失，改善系统的工作性能，普遍采用容积调速方式，如定量泵如定量泵- -变量马达调速、变量泵变量马达调速、变量泵- -变量马达调速和变量泵变量马达调速和变量泵- -定量马定量马达调速等。达调速等。 (1)(1)定量泵定量泵- -变量马达调速。由于变量马达受最大排量限制，难变量马达调速。由于变量马达受最大排量限制，难以获得很低的转速，而且变量马达在很低的

56、转速下工作状态也很不以获得很低的转速，而且变量马达在很低的转速下工作状态也很不稳定；同时，其排量也不可能调得太小，否则将超出其最高转速限稳定；同时，其排量也不可能调得太小，否则将超出其最高转速限制。因此，定量泵制。因此，定量泵- -变量马达这种调速系统的调速范围小，变量马变量马达这种调速系统的调速范围小，变量马达输出扭矩直接受转速调节的影响，不能满足钻机的钻机工艺要求。达输出扭矩直接受转速调节的影响，不能满足钻机的钻机工艺要求。 (2)(2)变量泵变量泵- -变量马达调速。虽然该回路对钻进工艺的适应范围变量马达调速。虽然该回路对钻进工艺的适应范围宽于定量泵宽于定量泵- -变量马达调速回路，但其

57、结构复杂、价格贵，且没有变量马达调速回路，但其结构复杂、价格贵，且没有明显的性能优势，因此不适合在钻探工作中使用。明显的性能优势，因此不适合在钻探工作中使用。4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 (3)变量泵变量泵-定量马达调速。该回路既可以用于开式循环系统，定量马达调速。该回路既可以用于开式循环系统，也可用于闭式循环系统。由于闭式循环系统的散热条件差，对液压也可用于闭式循环系统。由于闭式循环系统的散热条件差，对液压油的清洁度要求高，因此不适合在较恶劣的环境条件下作业。而开油的清洁度要求高，因此不适合在较恶劣的环境条件下作业。而

58、开式循环系统具有较好的环境适应能力，很适合在野外钻探工作中使式循环系统具有较好的环境适应能力，很适合在野外钻探工作中使用。如果系统功率足够，调节液压泵的排量就可改变动力头的转速，用。如果系统功率足够，调节液压泵的排量就可改变动力头的转速，且不会引起扭矩的变化；如果不考虑泄漏，不改变泵的排量，动力且不会引起扭矩的变化；如果不考虑泄漏，不改变泵的排量，动力头负载的变化不会影响其转速的大小。头负载的变化不会影响其转速的大小。 由于变量泵由于变量泵-定量马达开式循环调速系统具有较好的调速性能定量马达开式循环调速系统具有较好的调速性能和较硬的机械特性，本设计采用这种调速方式。和较硬的机械特性，本设计采用

59、这种调速方式。 变量泵的变量方式有手动式、液动式、电动式以及电液伺服控变量泵的变量方式有手动式、液动式、电动式以及电液伺服控制式等几种，变量泵变量特性有恒压变量、恒流量变量、恒功率变制式等几种，变量泵变量特性有恒压变量、恒流量变量、恒功率变量等。量等。 本设计拟采用目前较为先进的负载敏感变量控制方式。本设计拟采用目前较为先进的负载敏感变量控制方式。4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 负载敏感液负载敏感液压系统是一种感压系统是一种感受液压系统压力受液压系统压力- -流量需求，

60、且仅流量需求，且仅提供负载所需要提供负载所需要的压力和流量的的压力和流量的液压回路。液压回路。 负载敏感液负载敏感液压系统的功率损压系统的功率损耗低，效率远高耗低，效率远高于常规液压系统，于常规液压系统，因此液压系统发因此液压系统发热量少，节能效热量少，节能效果好。负载敏感果好。负载敏感液压系统如图液压系统如图4-4-1111所示。所示。4.5.3 4.5.3 负载敏感液压回路设计负载敏感液压回路设计 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 当液压系统未工作时，多路阀当液压系统未工作时，多路阀2 2切断执行元件与液压泵变量活塞切断执行元件与液压泵变量活塞5 5之间的压之间的压力信号，

61、液压泵输出流量接近于零，在较低的工作压力下处于待机状态。当多力信号，液压泵输出流量接近于零，在较低的工作压力下处于待机状态。当多路阀工作时，首先从执行元件处得到负载压力需求信号，然后将该压力信号通路阀工作时，首先从执行元件处得到负载压力需求信号，然后将该压力信号通过负载敏感油路过负载敏感油路( (途中虚线途中虚线) )传递给负载敏感阀传递给负载敏感阀3 3，该阀和最高压力调节阀，该阀和最高压力调节阀4 4共同共同作用，控制柱塞泵的变量活塞作用，控制柱塞泵的变量活塞5 5，调节变量泵的排量及输出流量，从而使变量泵，调节变量泵的排量及输出流量，从而使变量泵4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压

62、系统原理图的输出压力始终比负载的输出压力始终比负载压力高出一个压力差。压力高出一个压力差。泵的输出压力与负载压泵的输出压力与负载压力的差值力的差值p p是由负载是由负载敏感阀的弹簧调定的，敏感阀的弹簧调定的，通常为液压泵最高工作通常为液压泵最高工作压力的压力的1%1%5%(5%(为为1.51.52.5MPa),2.5MPa),因此液压因此液压泵的压力始终只比负载泵的压力始终只比负载压力略高。如果系统有压力略高。如果系统有多个执行元件，则液压多个执行元件，则液压泵的压力比其中最高的泵的压力比其中最高的负载压力略高。负载压力略高。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 负载敏感系统可根

63、据负载压力变化快速平稳地自动负载敏感系统可根据负载压力变化快速平稳地自动调整系统压力，使其与负载阻力特性相适应，满足带载调整系统压力，使其与负载阻力特性相适应，满足带载平稳启动的要求。在钻杆回转切削过程中，回转阻力矩平稳启动的要求。在钻杆回转切削过程中，回转阻力矩的变化是一个动态过程，尤其是钻头工作在不均匀地层的变化是一个动态过程，尤其是钻头工作在不均匀地层时，钻头所受到的回转扭矩变化很大，容易引起动力头时，钻头所受到的回转扭矩变化很大，容易引起动力头回转速度不稳定。而回转速度的波动，又会造成切削过回转速度不稳定。而回转速度的波动，又会造成切削过程更大的振动。如果采用负载敏感控制技术，则液压系

64、程更大的振动。如果采用负载敏感控制技术，则液压系统对动力头转速的控制更为灵活可靠，回转运动的机械统对动力头转速的控制更为灵活可靠，回转运动的机械特性更好，负载变化对动力头回转运动造成的不良影响特性更好，负载变化对动力头回转运动造成的不良影响更小，在一定程度上可提高钻探质量，延长钻具寿命。更小，在一定程度上可提高钻探质量，延长钻具寿命。如果负载压力超过安全限制，则最高压力调节阀开启，如果负载压力超过安全限制，则最高压力调节阀开启，液压泵处于高压等待状态，这样既可以起到过载保护作液压泵处于高压等待状态，这样既可以起到过载保护作用，也避免了大量能量损耗。用，也避免了大量能量损耗。 同时通过负载敏感反

65、馈控制作用，钻机动力头回转同时通过负载敏感反馈控制作用，钻机动力头回转系统的输出流量也始终与负载要求相适应，因此可提高系统的输出流量也始终与负载要求相适应，因此可提高动力头回转机构的能量利用率，降低运行成本。动力头回转机构的能量利用率，降低运行成本。4.5 4.5 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 根据上述原则，初步拟定动力头回转机构液压系统原理图如图根据上述原则，初步拟定动力头回转机构液压系统原理图如图4-134-13所示。其中，最高压力调节阀所示。其中，最高压力调节阀6 6调定液压泵的最高工作压力调定液压泵的最高工作压力4.5 4.5

66、拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图，系统，系统压力超压力超过这一过这一压力值压力值时，液时，液压泵卸压泵卸荷，输荷，输出流量出流量降到最降到最低，只低，只用来满用来满足系统足系统的泄漏的泄漏即可。即可。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 由于动力头液压系统与钻机的其他液压系统共用过滤器和油由于动力头液压系统与钻机的其他液压系统共用过滤器和油箱等辅助元件，因此本设计实例省略过滤器和油箱等辅助元件的选箱等辅助元件，因此本设计实例省略过滤器和油箱等辅助元件的选择。择。4.6.1 4.6.1 液压泵的选择液压泵的选择 液压泵的选择主要是依据液压泵的工作压力和流量进行选择。液压泵的选择

67、主要是依据液压泵的工作压力和流量进行选择。 (1)(1)液压泵的工作压力液压泵的工作压力 液压系统所提供的最大工作压力为液压系统所提供的最大工作压力为25MPa25MPa，这一压力也是液压，这一压力也是液压泵的额定工作压力。泵的额定工作压力。 (2)(2)液压泵的流量液压泵的流量 液压马达所需要的理论流量为液压马达所需要的理论流量为123.6L/min123.6L/min，假设液压泵的容积，假设液压泵的容积效率为效率为0.920.92，则液压泵的理论流量为，则液压泵的理论流量为 4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 已知驱动液压泵的柴油机转速为已知驱动液压泵的柴油机转速为2400r/min

68、2400r/min，则液压泵的排量，则液压泵的排量应该为应该为56.2mL/r56.2mL/r。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 根据转速和排量，选取丹佛斯根据转速和排量，选取丹佛斯S45S45系列系列160B160B型开式液压泵，技型开式液压泵，技术参数为：术参数为： (1)(1)额定工作压力为额定工作压力为31MPa31MPa； (2)(2)排量为排量为60mL/r60mL/r； (3)(3)额定转速为额定转速为2600r/min2600r/min； (4)(4)理论流量为理论流量为156L/min156L/min。 由于本设计实例柴油机转速为由于本设计实例柴油机转速为2

69、400r/min2400r/min，如果液压泵的容积，如果液压泵的容积效率为效率为0.920.92，则液压泵的实际流量为，则液压泵的实际流量为4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 此时液压马达的回转速度为此时液压马达的回转速度为 此时液压马达的回转速度为此时液压马达的回转速度为 动力头的回转速度为动力头的回转速度为 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 根据上述参数，对动力头回转系统的性能参数进行重新计算，根据上述参数，对动力头回转系统的性能参数进行重新计算，计算结果如表计算结果如表4-44-4所示。所示。4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 表表4-4表明，动力头回转液压

70、系统的输出转速范围为表明，动力头回转液压系统的输出转速范围为1031066r/min，满足钻进速度范围的要求，输出扭矩范围为，满足钻进速度范围的要求，输出扭矩范围为4024156Nm，满足负载扭矩范围要求，因此上述设计是合理的。，满足负载扭矩范围要求，因此上述设计是合理的。 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.6.2 4.6.2 液压阀液压阀的选择的选择 负载敏感负载敏感多路阀可选择多路阀可选择丹佛斯公司的丹佛斯公司的PVG32PVG32负载敏感负载敏感比例阀，其技比例阀，其技术参数如表术参数如表4-4-5 5所示。所示。4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 组合机床动力滑

71、台液压系统组合机床动力滑台液压系统4.6.3 4.6.3 负载敏感期和最高压力调节阀的调定压力负载敏感期和最高压力调节阀的调定压力 负载敏感控制负载敏感控制(LS(LS控制控制) )液压泵为系统提供与实际工作负载相关液压泵为系统提供与实际工作负载相关的匹配压力及流量，负载敏感控制阀组结构如图的匹配压力及流量，负载敏感控制阀组结构如图4-144-14所示。所示。4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 该阀组由负载敏感阀芯该阀组由负载敏感阀芯(LS(LS阀芯阀芯) )和最高压力调节阀芯和最高压力调节阀芯(PC(PC阀芯阀芯) )以及阀体构成，调节

72、以及阀体构成，调节LSLS调节螺栓则能够调节负载敏感阀的调定压力，调节螺栓则能够调节负载敏感阀的调定压力，调定调定PCPC调节螺栓能够调节最高压力调节阀的调定压力。调节螺栓能够调节最高压力调节阀的调定压力。4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件 组合机床动力滑台液压系统组合机床动力滑台液压系统 在本例的回路中，液压泵负载敏感阀的作用相当于流量补偿器，在本例的回路中，液压泵负载敏感阀的作用相当于流量补偿器，根据设计需要设定其调定值为根据设计需要设定其调定值为2.0MPa2.0MPa。 最高压力调节阀的作用相当于压力补偿器，限定系统压力不超最高压力调节阀的作用相当于压力补偿器，限定系统压力不超过

73、前述系统设计压力，因此其调定值为过前述系统设计压力，因此其调定值为25MPa25MPa。 负载敏感多路阀块中的各溢流阀均为安全阀，对系统起到双重负载敏感多路阀块中的各溢流阀均为安全阀，对系统起到双重保护的作用，其调定压力约为系统工作压力的保护的作用，其调定压力约为系统工作压力的1.11.1倍，因此取调定倍，因此取调定值为值为28MPa28MPa。4.6 4.6 选择液压元件选择液压元件4.7 4.7 设计经验总结设计经验总结 对钻机等大型工程机械液压系统的设计方法和设计经验总结对钻机等大型工程机械液压系统的设计方法和设计经验总结如下：如下： (1)(1)国内很多先进工程机械产品的研发都沿用了一

74、条引进、消国内很多先进工程机械产品的研发都沿用了一条引进、消化再创新的途径。化再创新的途径。CS-1000CS-1000型地表岩心钻机液压系统的设计即是在型地表岩心钻机液压系统的设计即是在这样一种背景下进行的。参考国外先进钻机液压系统的设计经验，这样一种背景下进行的。参考国外先进钻机液压系统的设计经验，钻机动力头液压回路有开式和闭式两种选择，通常以液压马达作钻机动力头液压回路有开式和闭式两种选择，通常以液压马达作执行元件的液压系统多采用闭式回路设计方式，但有时为了达到执行元件的液压系统多采用闭式回路设计方式，但有时为了达到节能的目的，在空间场地不受限制的情况下，也可以采用开式回节能的目的，在空

75、间场地不受限制的情况下，也可以采用开式回路的设计方案。路的设计方案。 (2)(2)为实现节能的目的，目前在工程机械液压系统上逐渐开始为实现节能的目的，目前在工程机械液压系统上逐渐开始采用负载敏感采用负载敏感(LS)(LS)和流量独立分配且负载无关和流量独立分配且负载无关(LUDV)(LUDV)等控制方式，等控制方式，这些较为先进的控制方式控制性能好、效率高，但系统构建成本这些较为先进的控制方式控制性能好、效率高，但系统构建成本也远高于传统的多路阀节流调速方式，因此在设计过程中需综合也远高于传统的多路阀节流调速方式，因此在设计过程中需综合考虑，根据不同的应用场合和使用要求等情况进行具体分析和设考

76、虑，根据不同的应用场合和使用要求等情况进行具体分析和设计。计。4.7 4.7 设计经验总结设计经验总结 (3)(3)负载敏感和负载敏感和LUDVLUDV技术具有新型容积技术具有新型容积- -节流调速回路在节能节流调速回路在节能方面的优越性。随着各个液压元件生产厂家逐步退出并完善相关方面的优越性。随着各个液压元件生产厂家逐步退出并完善相关产品，应用此类技术构建液压系统时进行元件选择也有了很大的产品，应用此类技术构建液压系统时进行元件选择也有了很大的空间。空间。 (4)(4)采用负载敏感控制元件构造系统，需要对回路的动态性能采用负载敏感控制元件构造系统，需要对回路的动态性能进行考察，可以用进行考察，可以用AMESimAMESim软件进行仿真。软件进行仿真。