劉旭光，盛海星，王 敏

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西西安710089)

0 引言

20世紀(jì)70年代，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展和液壓元件水平的提高，出現(xiàn)了全液壓頂驅(qū)型動(dòng)力頭式鉆機(jī)，許多國(guó)家將全液壓頂驅(qū)型動(dòng)力頭式的巖心鉆機(jī)作為主要鉆探設(shè)備，來(lái)進(jìn)行礦產(chǎn)勘查工作，從淺孔(100 m)到深孔(3000 m)都能使用，其使用范圍很寬。隨著電液比例控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家的勘探設(shè)備制造公司將電液比例控制技術(shù)應(yīng)用到了鉆機(jī)開(kāi)發(fā)當(dāng)中。電液比例控制技術(shù)作為一種新型的液壓傳動(dòng)控制技術(shù)，在全液壓鉆機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中取得了比較好的使用效果。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可以將液壓系統(tǒng)的控制功能集成在電液比例控制器內(nèi)，簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的構(gòu)成，提高液壓系統(tǒng)動(dòng)作的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)復(fù)雜的控制功能，提高鉆機(jī)的自動(dòng)化程度，提高工作效率，降低能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機(jī)是我廠在多年的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)全液壓巖心鉆機(jī)的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的，使用了電液比例控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)，具有很高的自動(dòng)化水平和工作效率。

1 XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機(jī)簡(jiǎn)介

XDQ－1200型全液壓輕型巖心鉆機(jī)(見(jiàn)圖1)專門針對(duì)山區(qū)丘陵地帶固體礦藏地表取心作業(yè)而設(shè)計(jì)，適用于金剛石繩索取心等多種鉆探工藝，適用于地質(zhì)、冶金、煤炭、石油、天然氣、地下水等行業(yè)。整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸、安裝搬遷方便，省時(shí)省力，單個(gè)模塊質(zhì)量≯200 kg，完全適用于交通不便的山區(qū)丘陵環(huán)境。采用電控操作方式，取代了以前的機(jī)械式手柄操作，改善了工人的工作環(huán)境。具有恒壓隨鉆控制系統(tǒng)，根據(jù)工況，設(shè)定壓力，自動(dòng)恒壓鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度采用電液比例控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。采用傳感器檢測(cè)技術(shù)對(duì)動(dòng)力頭扭矩、回轉(zhuǎn)速度、提升速度、液壓系統(tǒng)壓力及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)顯示，使機(jī)手能夠及時(shí)掌握鉆機(jī)和孔內(nèi)的工作狀況。

鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下。

圖1 XDQ－1200型全液壓輕型鉆機(jī)

(2)主卷?yè)P(yáng):空鼓提拔力75 kN;速度(空鼓)50 m/min;裝繩量60 m/22 mm。

(3)副卷?yè)P(yáng):空鼓提拔力12 kN;滿鼓提拔力4.5 kN;速度(空鼓)100 m/min;速度(滿鼓)270 m/min;裝繩量1200 m/5 mm。

(4)桅桿/給進(jìn):行程1.7 m;給進(jìn)速度為快—慢無(wú)級(jí)變速;給進(jìn)力60 kN;提拔力120 kN;鉆進(jìn)角度0°～90°。

(5)發(fā)動(dòng)機(jī):品牌 Perkins;型號(hào)403D－15T;輸出功率30 kW×3;轉(zhuǎn)速2600 r/min;渦輪增壓后冷式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

(6)動(dòng)力頭:最大通徑94 mm;轉(zhuǎn)速范圍0～900 r/min。

(7)卡盤:彈簧夾緊液壓型;打開(kāi)夾持力392 kN。

2 主要功能電液控設(shè)計(jì)

2．1 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．1．1 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的液壓原理圖，動(dòng)力頭采用大扭矩的變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，使用變量泵—比例換向閥—變量馬達(dá)調(diào)速回路，具有很大的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。其中比例換向閥和變量馬達(dá)使用電液比例控制，通過(guò)控制電流的大小，控制閥和馬達(dá)的流量從而調(diào)節(jié)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)速。該動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的變量泵采用的是負(fù)載敏感系統(tǒng)，泵可以根據(jù)動(dòng)力的負(fù)載情況調(diào)節(jié)排量，降低鉆機(jī)能耗。

2．1．2 電比例變量馬達(dá)的特性

圖2 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓原理圖

電比例變量馬達(dá)可以按照程序給出的PWM量無(wú)級(jí)控制馬達(dá)排量，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的無(wú)級(jí)調(diào)速功能。馬達(dá)排量與電磁鐵吸力成正比，即與控制電流的大小成正比。變量活塞的控制力由比例電磁鐵產(chǎn)生。變量馬達(dá)液壓原理見(jiàn)圖3。

圖3 變量馬達(dá)液壓原理圖

整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為24 V，由圖4看出控制比例電磁鐵的電流范圍為200～600 mA。變量的起點(diǎn)為200 mA，此時(shí)變量馬達(dá)為最大排量;變量的終點(diǎn)為600 mA，此時(shí)變量馬達(dá)為最小排量。

圖4 流量與電流控制圖

2．1．3 電液比例換向閥特性

電液比例換向閥與電比例變量馬達(dá)控制相似，電液比例換向閥每一油路的閥的開(kāi)口大小通過(guò)一個(gè)電液恒壓比例減壓閥控制，電流通過(guò)控制恒壓比例減壓閥的電磁鐵，產(chǎn)生一個(gè)成比例的壓力，從而控制閥心的開(kāi)口大小，調(diào)節(jié)閥的流量。

整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為24 V，由圖5看出控制比例電磁鐵的電流范圍為425～800 mA。變量的起點(diǎn)為425 mA，此時(shí)變量閥為最小排量;變量的終點(diǎn)為800 mA，此時(shí)變量閥為最大排量。

圖5 流量與電流關(guān)系

2．2 動(dòng)力頭給進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖6為給進(jìn)系統(tǒng)的液壓原理圖，給進(jìn)系統(tǒng)分快速提升給進(jìn)和慢速提升給進(jìn)，在提鉆或下鉆的時(shí)候使用快速提升給進(jìn)，這樣可以提高提鉆和下鉆的速度，提高工作效率。當(dāng)液壓油通過(guò)A1和B1口來(lái)接通驅(qū)動(dòng)給進(jìn)油缸時(shí)，這時(shí)候?yàn)榭焖偬嵘徒o進(jìn)的工作狀態(tài)。當(dāng)正常鉆進(jìn)需要慢速給進(jìn)，并且此時(shí)需要控制給進(jìn)油缸的給進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)孔底恒壓鉆進(jìn)的功能。當(dāng)P口和T口為進(jìn)出油口來(lái)驅(qū)動(dòng)給進(jìn)油缸時(shí)為慢速給進(jìn)工作狀態(tài)，通過(guò)控制恒壓比例減壓閥，可以控制給進(jìn)油缸的給進(jìn)力。恒壓比例減壓閥是電液比例控制閥，根據(jù)控制電流的大小來(lái)控制恒壓比例減壓閥的壓力，從而控制給進(jìn)系統(tǒng)的給進(jìn)壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓鉆進(jìn)。

圖6 動(dòng)力頭給進(jìn)系統(tǒng)液壓原理圖

2．3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于PLC控制器具有可靠性高、靈活性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、通用性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于機(jī)械、冶金、汽車、航空航天等領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用派芬公司的HE202和TTC公司的TTC60控制器作為系統(tǒng)的控制運(yùn)算中心。整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 鉆機(jī)整體電氣控制系統(tǒng)

由于XDQ－1200型鉆機(jī)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，鉆機(jī)的操作臺(tái)和鉆機(jī)主體部分是分離的。為了減少兩模塊之間的連接線路，分別在每個(gè)模塊上裝有一個(gè)PLC控制器，通過(guò)CANopen總線連接通信。由于CANopen具有很高的可靠性、實(shí)時(shí)性、低成本、抗干擾性、兼容能力等方面的優(yōu)勢(shì)，CANopen廣泛用于工業(yè)控制中。PLC控制器1(HE202)安裝在操作臺(tái)位置，采集工人發(fā)出的操作指令。PLC控制器2(TTC60)安裝在鉆機(jī)的主體部分上，采集鉆機(jī)的各種參數(shù)，例如液壓泵的實(shí)時(shí)壓力、動(dòng)力頭的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、動(dòng)力頭的進(jìn)尺速度，同時(shí)根據(jù)PLC控制器1傳遞過(guò)來(lái)的操作指令和PLC控制2采集的各種參數(shù)，經(jīng)過(guò)PLC控制器2計(jì)算，控制相應(yīng)的比例閥和電磁閥做出相應(yīng)的動(dòng)作。

本系統(tǒng)可以同時(shí)將采集到的指令、參數(shù)、發(fā)出的動(dòng)作指令實(shí)時(shí)的顯示在顯示屏上，使操作工人能夠時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)動(dòng)作的正確與否。

3 全液壓輕型巖心鉆機(jī)的生產(chǎn)試驗(yàn)

2014年7月XDQ－1200型巖心鉆機(jī)在陜西省安康市紫陽(yáng)山區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。紫陽(yáng)縣地區(qū)屬于秦嶺南麓山區(qū)，孔位定在山頂位置，山高大約在1000 m。上山的路基本上是一條彎彎曲曲的羊腸小路，徒步上山大約要4 h。

試驗(yàn)孔的設(shè)計(jì)傾角為75°，設(shè)計(jì)深度為600 m，鉆進(jìn)方向主要是沿著山體的地表鉆進(jìn)。采用89 mm鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)20 m后，下89 mm的套管。沖洗液使用清水。此時(shí)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速為200～500 r/min，給進(jìn)壓力為5 kN，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)為1臺(tái)，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為2000 r/min。此階段鉆機(jī)無(wú)故障。下完套管之后，采用73 mm鉆桿、75 mm金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，最終成孔深度為531.3 m。沖洗液使用清水，由于鉆進(jìn)方向是沿著地表鉆進(jìn)，地層的裂隙比較多，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中基本上是全孔漏水。在此階段，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速為500～700 r/min，給進(jìn)壓力在8～15 kN，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min。

最終終孔的原因是已經(jīng)穿過(guò)礦層，按照相關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行終孔。并且基本完成了對(duì)鉆機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行地全面檢測(cè)。

該鉆機(jī)順利完成了野外生產(chǎn)性試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了鉆機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)可以用于生產(chǎn)。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了不足:(1)主卷?yè)P(yáng)固定板薄弱，在生產(chǎn)中被拉變形;(2)主卷?yè)P(yáng)提升和下方速度比較慢，提下鉆效率偏低;(3)柴油機(jī)儀表安裝板薄弱，由于柴油機(jī)工作時(shí)的震動(dòng)頻率很高，使得儀表安裝板撕裂。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆機(jī)采用全液壓動(dòng)力頭式設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)效率高。鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，無(wú)論是液壓油管還是電器的連接線路，都是即插即用，方便快捷，便于鉆機(jī)的拆卸安裝，便于在山區(qū)搬遷。動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)和主卷?yè)P(yáng)控制采用電手柄控制，省去了機(jī)械式的手柄控制方式，可以大大降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以嚴(yán)格精確地控制動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)速度和主卷?yè)P(yáng)的提升下放速度。恒壓鉆進(jìn)過(guò)程中，操作者可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，可以精確地控制孔底的給進(jìn)壓力，防止壓力過(guò)高發(fā)生事故或者壓力過(guò)低浪費(fèi)資源，提高鉆進(jìn)效率和可靠性。鉆機(jī)的顯示器可以顯示鉆機(jī)的性能參數(shù)，是操作者直觀精確地掌握鉆機(jī)和鉆進(jìn)的工作狀況。

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