基于负载敏感技术的定向钻机给进系统研究

刘小华，辛德忠，万军，王志红

(1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039)

基于负载敏感技术的定向钻机给进系统研究

刘小华1，2，辛德忠1，2，万军1，2，王志红1，2

(1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039)

针对千米定向钻机给进工况对给进系统的要求，通过对现有钻机给进控制的分析对比，利用负载敏感的基本原理，开发出千米定向钻机的负载敏感给进液压系统。采用系统仿真软件AMESim对千米定向钻机的给进液压系统进行建模与仿真，并通过实验室测试及现场实验。结果表明:该给进控制系统具有流量与负载无关控制能力，有较好的调速性能，能够较好地满足千米定向钻机使用要求，可为同类钻机设计及实验提供理论依据和方法。

负载敏感;定向钻机;给进液压系统;建模与仿真

近年来，随着我国煤炭综采技术的推广和应用，对瓦斯抽放量和抽放效率提出了更高的要求。在井下瓦斯抽采中，千米定向钻机的使用，在一个钻场可进行多个分支孔的钻进施工，减少了钻机的搬运，大大减轻了工人的劳动强度，提高了煤层瓦斯的抽放半径和抽放效率，从而有效地保证了煤矿的安全生产，为矿产企业带来了巨大的经济效益。在千米定向钻机的施工过程中，特别是在开分支孔的时候，钻机需要在每分钟几毫米的给进速度下运行，在这种高压小流量的工况下，速度的控制精度和系统节能就显得尤为重要。负载敏感控制在这种高压小流量工况下的运用，解决了控制的高精度和能量的低损耗问题。

1 普通钻机给进速度控制方法

液压系统中常用的速度控制系统大体可分为三类:

(1)节流调速系统。即由流量控制阀、溢流阀、定量泵与液压缸和液压马达组成，通过改变流量控制阀的通流面积来调节流入或流出执行元件的流量，从而调节执行元件的运动速度。

(2)容积调速系统。靠改变泵或马达以及同时改变泵和马达的排量来调节执行元件的运动速度。

(3)容积节流调速系统。即利用变量泵和流量控制阀组合而成的一种调速系统。

钻机给进控制，其实质是控制钻机的给进压力，通常采用定量泵的节流调速系统，而调节元件一般分为流量控制元件和压力控制元件。

如图1所示，在流量控制阀的调速系统中，将节流阀安装在换向阀与执行元件之间的进口节流调速系统(图1(a))，例如ZL系列钻机，溢流阀始终处于开启状态，多余的流量通过溢流阀溢流回油箱，产生了大量的溢流损失，所以此类钻机一般功率和扭矩以及给进力都比较小，能量损失及发热较大。而将节流阀安装在执行元件进口与油箱之间的旁路节流调速系统(图1(b))，例如ZY系列钻机，其多余的流量通过节流阀回油箱，能量损失相对较小，但是负载特性较差。

图1 普通钻机的节流调速系统

在压力控制阀的调速系统中，普遍采用的是进口减压给进和旁路溢流给进，其安装位置和节流阀的安装位置一样，进口减压给进的钻机有ZDY系列钻机，旁路溢流给进的钻机有ZYW系列钻机，用压力阀代替节流阀的调速系统，有更好的负载特性。

2 负载敏感控制原理

如图2所示，负载敏感系统通常由电动机1、负载敏感变量泵2、闭中心的比例换向阀3和执行元件4组成。而负载敏感变量泵通常由变量泵2.1、流量补偿阀2.2、限压阀2.3和变量活塞2.4组成。

图2 负载敏感控制原理

当比例换向阀3处于中位时，变量泵会产生一定的压力油使流量补偿阀换向，让负载敏感变量泵工作在低压小流量的待机状态;当比例换向阀3换向时，将工作口的压力信号反馈到流量补偿阀上，根据阀口的开度所产生的压降与流量补偿阀相互作用便可得到一个负载所需的流量;当遇到足够大的负载时，压力升高到打开限压阀，此时反馈回来的压力与泵出口压力相等，使泵变至最小排量，泵就工作在高压小流量的待机状态。

3 定向钻机给进控制原理

如图3所示，电动机1为整个系统提供能源;负载敏感变量泵2为系统提供所需的压力和流量;负载敏感多路阀3作为主阀，限制系统最高压力和A/B口的工作压力，担任油路的换向工作，液压油经过负载敏感多路阀3进入推进油缸4从而推动钻杆做直线运动，同时将工作油口的压力反馈到负载敏感泵2的控制口，通过手动比例调压阀组改变多路阀3的阀口开度，从而控制泵的排量，得到钻杆所需的特定速度。

图3 液压原理图

4 给进的负载敏感系统AMESim建模

如图4所示，用液压元件设计库 (HCD)的模块组合在一起模拟负载敏感变量泵的流量补偿阀和限压阀，用两个单向阀代替液压系统图中的梭阀，并与比例换向阀、等差减压阀、溢流阀一同模拟负载敏感多路阀。而液压系统图中的手动比例调压阀组属于一个控制信号，用AMESim软件信号库中的控制信号代替。为了简化负载，仅对单活塞双作用油缸进行模拟，采用信号输入模拟负载阻力，从而建立起一个千米定向钻机给进的负载敏感系统的AMESim仿真模型。

图4 AMESim仿真模型

5 AMESim仿真分析

因为千米定向钻机为两根油缸并联给进，为简化仿真模型，仅对一根油缸进行模拟，因此在泵的排量设定时，按实际情况计算并设定排量。根据千米定向钻机正常给进工况设定相应的参数见表1。

表1 参数设置

5.1 负载为斜坡载荷的AMESim仿真

控制信号为恒定最大信号 (图5)，在前20 s负载从0线性变化到50 kN，到t=20 s时突然增加到80 kN，从t=20 s到t=40 s，负载从80 kN线性变化到120 kN，仿真曲线见图6—8。

图5 斜坡负载曲线

图6 压力曲线

图7 泵流量曲线

图8 负载速度曲线

5.2 负载为交变载荷的AMESim仿真

从0～40 s期间，如图9所示，施加100 kN、振幅为10 kN的交变负载，频率为0.1 Hz，仿真曲线如图10—12所示。

图9 交变负载曲线

图10 压力曲线

图12 负载速度曲线

图11 泵流量曲线

5.3 恒负载下的斜坡控制信号AMESim仿真

在给进油缸上作用一个50 kN的恒负载，对控制信号做斜坡输入，见图13，让阀芯的开度从零线性变化到最大，仿真曲线如图14—16所示。

图14 压力曲线

图13 斜坡控制信号曲线

图16 负载速度曲线

图15 泵流量曲线

通过以上的仿真曲线可以看出:

(1)泵的出口与油缸进口有一个稳定的压差，这个压差实际上是定差减压阀的调定值;

(2)在行程终端的液压冲击，使系统压力突变至溢流阀开启压力，然后降至泵的最高设定压力，因为此时泵的限压阀换向，使泵处于在高压小排量待机状态;

(3)在负载发生变化时，系统压力跟随负载变化，泵的流量和负载的运行速度基本没有改变，负载速度与控制信号基本一致，说明负载敏感系统的速度与负载无关，其速度由控制信号决定，且具有较好的负载特性。

6 结束语

根据千米定向钻机给进工况的特点，设计了给进的负载敏感控制系统。利用液压行业广泛采用的AMESim仿真软件对给进的负载敏感系统进行建模与仿真，对仿真曲线的分析表明:该给进控制系统具有流量与负载无关控制能力，有较好的速度控制特性，能很好地满足千米定向钻机的特殊工况。该负载敏感系统已经用于ZYWL-6000D千米定向钻机中，从实验测试和现场的使用情况看:该系统给进调速性能良好，尤其是在开分支孔的低速工况下，有优异的调速性能和速度稳定性，能够满足钻机各种工况的要求，可为同类钻机设计及实验提供理论依据和方法。

【1】范存德.液压技术手册［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2004.5.

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【4】萨澳－丹佛斯.静液压驱动产品综合技术文献，2006.

【5】王纪森，林志纲.基于AMESim的负载敏感系统仿真与分析［J］.机床与液压，2012，40(8):78－79.

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Research on the Feed System of Directional Drilling Rig with Load Sensing Technology

LIU Xiaohua1，2，XIN Dezhong1，2，WAN Jun1，2，WANG Zhihong1，2
(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corporation，Chongqing 400039，China; 2.Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology National Key Lab，Chongqing 400039，China)

Through analyzing the requirements of kilometers directional drilling rig feeding condition to feeding system and contrasting feed control of existing drill，a load-sensitivity feeding hydraulic system was designed for kilometers directional drilling rig using load sensitive principle.The feeding hydraulic system model of kilometers directional drilling rig was built by the system simulation software AMESim.The tests in laboratory and field show that there are no relation between flow and load in the feeding control system，and it is good at control performance，it can meet the operating requirements of kilometers directional drilling rig.It provides theory and methods for the drill design and test.

Load-sensitivity;Directional drilling rig;Feeding hydraulic system;Modeling and simulation

TH137

A

1001－3881(2014)7－013－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.07.004

2013－03－22

“十二五”国家科技重大专项资助项目 (2011ZX05041-001-002)

刘小华 (1981—)，男，硕士，助理工程师，主要从事钻机的设计研发工作。E－mail:xiaohua963@163.com。