王士昭，王克虎，程林，孔令滬，張益男，朱立強(qiáng)，解少朋，王浩，薛滋苗

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081; 2.河北石探機(jī)械制造有限責(zé)任公司，石家莊 050081)

0 引言

鉆機(jī)是地質(zhì)勘探及工程施工等領(lǐng)域的重要設(shè)備，在鉆機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，只有提高機(jī)電液節(jié)能控制技術(shù)，才能保證設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，從而整體提高設(shè)備品質(zhì)?；谏鲜鏊悸穪碇笇?dǎo)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，才能夠符合當(dāng)前社會的發(fā)展需求。

我單位研制的多功能取樣鉆機(jī)以高頻沖擊進(jìn)行直推取樣和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)螺旋取樣兩種方式確保取樣率及樣品符合標(biāo)準(zhǔn)。該鉆機(jī)以內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓沖擊及動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，實(shí)施取樣作業(yè)。據(jù)此，我們針對該鉆機(jī)動(dòng)力匹配系統(tǒng)，合理設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，通過調(diào)整液壓系統(tǒng)的參數(shù)來適應(yīng)鉆進(jìn)工況的變化[1]，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳油耗點(diǎn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性

負(fù)荷特性是指維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，其燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)載而變化的關(guān)系[2]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持固定轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整噴油泵齒條或拉桿位置，改變每循環(huán)供油量時(shí)，有效燃油消耗率be隨負(fù)荷扭矩T變化的關(guān)系即為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性[3]。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，be為無窮大，隨著負(fù)荷Ttq增加，每循環(huán)的供油量增加，be下降，供油量增加到點(diǎn)1位置時(shí)，be達(dá)到最低值，再繼續(xù)增加負(fù)荷和供油量時(shí)，由于過量空氣系數(shù)的減少，燃燒惡化，不完全燃燒及補(bǔ)燃增加，be升高；當(dāng)供油量增加到點(diǎn)2的位置(該轉(zhuǎn)速下最大扭矩)時(shí)，排氣冒黑煙，達(dá)到國家法規(guī)規(guī)定的煙度限值，繼續(xù)增加油量已為公害[2]，見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線

由負(fù)荷特性曲線可見，耗油率be隨負(fù)荷增加而降低，在接近全負(fù)荷(常在80%負(fù)荷率左右)時(shí)，be達(dá)到最小。因此，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是為發(fā)動(dòng)機(jī)匹配到合適的負(fù)荷率，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗[2]。

基于以上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性與目標(biāo)值負(fù)荷間的關(guān)系曲線如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速至最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速之間時(shí)，負(fù)荷率設(shè)置為 80%或略微低一些。其中，曲線A-B-C為發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性轉(zhuǎn)矩曲線(油門全開)，曲線F-D-E-C為外負(fù)載經(jīng)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)換后所需要的轉(zhuǎn)矩曲線。n0為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，n1為液壓泵的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，n2為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速，n3為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。按圖2所示的負(fù)荷率工作，既滿足了復(fù)合動(dòng)力裝置高效率、高動(dòng)力性的要求，又使發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的儲備功率，有利于提高加速性能并且在遇到突發(fā)載荷而控制裝置因慣性滯后調(diào)節(jié)時(shí)可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[4]。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性與目標(biāo)值負(fù)荷率曲線

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)

鉆機(jī)在實(shí)際作業(yè)中，將外負(fù)載以扭矩和轉(zhuǎn)速的形式反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)主軸，其中扭矩T的大小由外負(fù)載和傳動(dòng)比決定。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的輸出扭矩應(yīng)在曲線A-B-C以下，如果負(fù)載扭矩過界，發(fā)動(dòng)機(jī)將冒黑煙熄火，如果負(fù)載扭矩過低將造成負(fù)荷率過低、燃油利用率過低的情況發(fā)生。如果將發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)設(shè)置在A-B-C和D-E-C之間，則發(fā)動(dòng)機(jī)抗過載能力偏差，在鉆機(jī)主軸負(fù)荷稍微增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就可能熄火。故鉆機(jī)負(fù)荷率應(yīng)沿D-E-C曲線來設(shè)置，這樣即使鉆機(jī)在運(yùn)行中負(fù)荷有過載的情況，由于D-E-C與A-B-C間的余量存在，也會避免因負(fù)載突變造成的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能策略

變量泵變量馬達(dá)的容積調(diào)速回路的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有節(jié)流調(diào)速中通過溢流閥和節(jié)流閥的溢流功率損失和節(jié)流功率損失，所以發(fā)熱少、效率高，更節(jié)能。轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)的機(jī)械式變速箱調(diào)速范圍不夠?qū)拸V，且不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，致使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常使用負(fù)荷過低，燃油經(jīng)濟(jì)性極差。

由變量泵變量馬達(dá)組成的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，除了實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速外，更重要的是可以根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在最佳油耗區(qū)工作，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和主軸工況的參數(shù)，使其匹配更趨科學(xué)合理。

泵通過法蘭聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，故泵的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相等，泵的輸入轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩相等。要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排，提高燃油利用率，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在該轉(zhuǎn)速下的最佳負(fù)荷率下運(yùn)行，在該轉(zhuǎn)速下其輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為一固定值，該固定值應(yīng)按照圖2中D-E-C曲線選定。

液壓泵的輸入轉(zhuǎn)矩根據(jù)下式計(jì)算：

(1)

式中：Mb為泵的輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；pb為泵出口進(jìn)口壓差，MPa；qb為泵的排量，mL/r。其中，pb取決于負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，引起pb和Mb變化，在液壓控制系統(tǒng)不干預(yù)的情況下，當(dāng)Mb偏離最佳工作點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性將急劇下降，且有過載熄火的可能。此時(shí)主控制器根據(jù)壓力傳感器反饋的壓力信號，判斷出鉆機(jī)動(dòng)力頭液壓馬達(dá)內(nèi)壓力升高或者降低，通過發(fā)出控制信號來改變變量柱塞泵的斜盤擺角，來調(diào)節(jié)泵的排量qb以穩(wěn)定Mb為一定值，使發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵之間實(shí)現(xiàn)扭矩的匹配。

雖然鉆機(jī)負(fù)載隨實(shí)際工況在實(shí)時(shí)變化，但是通過控制系統(tǒng)對液壓元件參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速恒扭矩的輸出，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率始終處于最佳狀態(tài)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓系統(tǒng)節(jié)能策略的實(shí)現(xiàn)

為了使鉆機(jī)在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，從而降低鉆機(jī)的燃油消耗，最理想的控制方式是利用控制器根據(jù)鉆進(jìn)工況，組合控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及液壓元件參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)不同工況穩(wěn)定在理想負(fù)荷率下工作。如圖3所示，通過速度傳感器和壓力傳感器感知負(fù)載變化，通過控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)和液壓泵的排量來調(diào)節(jié)傳動(dòng)比平衡負(fù)載變化，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳油耗點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 電液比例功率匹配控制系統(tǒng)

當(dāng)鉆進(jìn)至堅(jiān)硬巖層，主軸所需扭矩增加，根據(jù)傳感器反饋信號，以及如下公式計(jì)算馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩：

(2)

式中：Tm為馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩，N·m；pm為馬達(dá)出口進(jìn)口壓差，MPa；qm為馬達(dá)的排量，mL/r。

主軸所需扭矩即為馬達(dá)輸出扭矩，當(dāng)Tm增大，馬達(dá)進(jìn)出口壓差pm增大，如果pm增大在液壓泵排量不變的情況下，液壓泵所需扭矩Mb將會變大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)將飄移出最佳工作點(diǎn)，為了阻止pm增大，故主控將增大馬達(dá)的排量qm來使pm保持原值不變，通過降速增扭的方式來平衡Tm的增大，以使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷維持在最佳油耗點(diǎn)。

4 結(jié)語

由于地層情況復(fù)雜多樣，多功能取樣鉆機(jī)在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)螺旋建井過程中主軸負(fù)載多變，采用發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓系統(tǒng)—負(fù)載的聯(lián)合控制策略既能充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，又能提高有效燃油消耗率，節(jié)能減排。改善鉆機(jī)鉆進(jìn)作業(yè)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是改善傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，其本質(zhì)是維持發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳負(fù)荷率。