黄红飞

(新宇岩土工程有限责任公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

千米定向钻机是进行井下长钻孔作业的主要机械设备，除了要具有对超千米深孔进行稳定钻机的性能，还要良好地适应各类地质条件。这对钻机液压系统提出了很高要求，但目前对于液压系统的设计一般主要关注功能实现，未能充分考虑负载发生变化后系统运行所受到的影响，因此研究千米定向钻机在井下钻探中对负载变化的适应性，是提升设备性能的重要课题。

1 概述

1.1 千米定向钻机结构

ZDY6000L型煤矿用履带式全液压坑道钻机是一种低转速大转矩、适于大直径近水平深孔钻进的自行式全液压动力头式坑道钻机。该钻机为煤矿井下大口径瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工提供了必要的技术装备。钻机为整体式布局，如图1所示，由履带车体、主机、泵站和操纵台4大部分组成，主机、泵站、操纵台之间用高压胶管连接，共同安装在履带车体之上，结构紧凑，便于井下搬迁运输。

1.2 千米定向钻机液压系统

对千米定向钻机而言，其动作执行机构分别是回转装置和给进装置。回转装置组成部分包括：液压马达、减速机构(行星轮与斜齿轮)、卡盘和主轴。在减速机构的作用下变量马达向主轴不断传递动力，卡盘使钻杆和主轴同时进行回转。而给进装置的结构主要为双液压缸，其活塞杆保持固定，当缸体移动时，会带动回转器，实现钻杆给进和起拔。

1-履带车体；2-泵站；3-主机；4-操纵台图1 ZDY6000L型煤矿用履带式全液压坑道钻机结构

在对超千米深孔进行钻进时，为良好适应不同地层，钻机应有较宽的调速范围，并且波动不宜过大，这就要求系统应不断提供给进力，以及能和回转负载良好匹配的回转压力。因负载敏感系统可使流量保持恒定，便于调速，且压力和负载能够良好适应，变量泵可在给进时始终保持一定的压力，同时在进入过载状态后能立即降低流量，起到保护钻具的作用，所以开发出恒压变量与负载敏感充分结合的新型钻机液压系统。这一系统主要由基本回路和辅助回路构成，其中基本回路为回转回路与给进回路：回转回路作用在于提供充足回转动力，确保钻具能够克服负载阻力矩；而给进回路的作用在于提供钻杆给进力与起拔力[1]。以上两回路如图2所示。

从图2(a)中可以看出，该回路组成部分包括：负载敏感泵、液压马达与换向阀，采用远控手柄对负载敏感阀进行控制，从而使马达完成正反转与停转。从图2(b)中可以看出，该回路组成部分包括：变量泵、双作用油缸、减压阀、浮动控制阀、补油回路、三位八通阀。采用远控手柄对三位八通阀进行控制，使双作用油缸完成前后移位与停止，以此实现钻杆给进及起拔。系统液压给进回路当中，浮动控制阀及减压阀对油缸浮动进行控制，同时与钻杆的加卸相配合，防止丝扣受到损伤；钻进时补油回路提供液压油，使钻进达到平稳状态；处于限压阀之后的减压阀能使钻机完成减压给进，并确保卡盘正常发挥夹紧作用[2]。

a-液压回转回路；b-液压给进回路图2 千米定向钻机液压回路

2 钻机液压系统性能分析

2.1 液压回转回路

如前所述，系统液压回转回路主要具有负载敏感特性。为便于分析，需构建相应的仿真模型。对回路的负载敏感阀，仿真是可借助可控节流口进行模拟，如果系统压力有明显变化，则压力油经限压阀及负载敏感阀对泵排量进行调整，从而完成对泵压的有效调整。将处于变化状态的负载阻力矩施加到这一模型当中，可以发现泵口与马达入口发生的压力变化情况和负载阻力矩发生的变化情况基本相同，同时压差也保持固定。此外，从钻杆钻速发生的变化可以看出，系统处于带载启动状态时，转速出现短暂波动，之后进入相对稳定的状态。通过仿真分析得出，该回路有着十分显著的负载敏感特性，同时处于负载变化状态时，钻杆回转速度未出现太大波动，说明系统具备良好的刚性[3]。

2.2 液压给进回路

如前所述，系统液压给进回路主要具有恒压变量特性，该回路给油主要采用变量泵，给进油缸主要受控于减压阀，以此来完成加压钻进和减压钻进。为便于分析，同样要构建相应的仿真模型。该模型的钻杆数量拟定为400根，每根质量在32 kg左右。回路处在初始状态时，其换向阀处于左端，即给进双缸左腔进油，此时活塞杆保持固定，整个缸体开始向右端发生移动。通过对钻杆给进时的负载变化，以及泵口流量、液压缸实际位移和泵口压力等的分析发现，给进时缸筒发生的位移变化趋于平稳，且泵口流量达到最大，压力稳定，为2.68 MPa；在缸筒位移达到最大以后，泵口流量几乎为零，而压力可以提高到最大值。通过更深一步的分析看出，这一回路在给进时压力能保持相对稳定，同时给进完毕，或者处于过载状态时，流量可在短时间内恢复至保持内泄的状态，这对能量损耗的控制十分有利[4]。

2.3 液压系统性能测试

千米定向钻机液压系统测试需在专业检测试验台上完成。按要求施加一定转矩负载，在189～6 576 N·m范围内，每运行1 min进行1次采样，共完成20次采集。从系统压力与转速试验输出结果可知，泵压实际输出除了具有和施加的阻力矩基本一致的变化情况，还能稳定在27 MPa左右，即额定压力；转速实际输出变化能达到相对平稳的状态。因此，该系统负载敏感特性十分显著[5]。

3 结论

(1)基于千米定向钻机对超千米深孔进行稳定钻进，以及良好适应工作负载不稳定变化的实际要求，通过对恒压变量控制与负载敏感的合理应用来改造液压系统的回转、给进两大回路，以此对二者进行分组控制。液压回转回路以负载敏感泵、液压马达与换向阀为主；液压给进回路则以变量泵、双作用油缸、减压阀、浮动控制阀、补油回路、三位八通阀为主。

(2)在分析掌握液压系统构成、特性与机理的前提下，采用仿真法进一步探究系统性能，不同回路有着不同的特性，对回转回路而言，其特性为负载敏感，而给进回路则为恒压变量。从仿真结果中可以看出，当负载持续变化时，液压回转回路具有十分显著的特性，即负载敏感；而液压给进回路可在给进时确保压力处于恒定状态，同时给进完毕，或者处于过载状态时，流量可在短时间内恢复至保持内泄的状态，这对能量损耗的控制十分有利。

(3)在专业检测试验台上对液压系统进行性能测试，结果表明被测系统刚性良好，且特性显著。通过井下钻探实践，这种液压系统完全可行、动作可靠，除了可以减少由于负载发生波动而对钻机自身造成的冲击，还能避免过剩压力及过剩流量的产生，节能效果显著。