插装阀技术在多工艺钻机液压系统设计中的应用

臧臣坤，何磊，何宗常，孙军盈，魏亮亮

（1.中国地质装备集团有限公司，北京 100102；2.张家口中地装备钻探工程机械有限公司，河北 张家口 075026）

0 引言

多工艺空气钻进技术（含空气泡沫钻进、气动潜孔锤钻进、气举反循环钻进等）被视为当代衡量钻探技术水平的重要标志之一。该钻进技术主要是用压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或者既用其作为破岩机具之动力，又兼作冲洗介质的一种钻进方法。国外从20世纪中叶开始应用，发展至今已逐渐形成包括多种循环介质、多种循环方式、多种破岩方法的多工艺空气钻进技术体系。我国多工艺空气钻进技术目前主要以气动潜孔锤钻进技术、气举反循环钻进技术为主，与国外有一定的差距［1］。

目前，国内外适用于多工艺空气钻进工艺的多工艺钻机大都采用液压传动的形式。在相同功率下，液压传动具有功率密度大、结构紧凑等优点［2］，在机动性强的自行式钻机设计中广泛应用。同时随着液压技术、材料科学的发展，液压元器件越来越小型化，集成度越来越高，与过去相比，同样体积情况下，实现的功能越来越复杂［3］。

动力头是钻机重要执行部件，为钻机提供回转扭矩与转速。液压传动多工艺钻机的动力头要求具有大扭矩和大的调速范围的能力，结合不同的钻具组合实现多工艺。设计动力头液压传动与控制系统是钻机液压系统设计的重要内容，钻机性能的好坏，钻机效率的高低，使用寿命的长短，主要取决于液压系统的性能［4］。

1 插装阀技术

液压螺纹插装阀产生于20世纪50年代，成长于20世纪70年代，并逐步发展成为覆盖方向控制、压力控制、流量控制的几乎所有阀种，用于比例控制压力阀、比例控制流量阀、比例控制方向阀等，形成一个独立体系。它体积小、结构紧凑、内泄小、应用灵活、安装维修简单、可以随意组合集成等优势，广泛用于工程机械中［5］。

液压插装阀无单独的阀体，其应用比较灵活。由阀芯、阀套等组成的单元体插装在插装块的预制孔中，用连接螺丝或盖板固定，当插装阀装入具有标准阀孔的集成阀块时，通过块内通道把各插装阀连接组成回路，插装块起到阀体和管路的作用。

2 动力头简介

钻机是一款适用于多种空气钻进工艺的液压传动轻型钻机，钻进能力150mm口径钻进深度300m，可以采用空气潜孔锤钻进或者硬质合金牙轮钻头钻进，综合考虑确定扭矩为8000Nm左右，所需转速范围0～150r／min。

2.1 动力头的结构形式

动力头由两个低速大扭矩马达驱动，如图1所示，两马达同步驱动两个小齿轮，小齿轮同步驱动大齿轮，实现一级减速，小齿轮对称布置与大齿轮两侧，大齿轮通过平键将扭力传递给主轴，主轴通过螺纹连接钻具，从而驱动钻杆回转。

图1 动力头外形图（a）和剖面图（b）

2.2 动力头的控制方式

通过串并联阀给动力头马达供油，使动力头可以实现两档调速。动力头马达串联时为高速、小扭矩；马达并联时为低速、大扭矩。通过动力头马达串、并联阀的切换，以及驱动动力头马达的两个液压泵单泵与双泵合流的组合，动力头可以实现四档转速，可以根据不同的地层、孔径、工艺选择不同的档位。每个档位内调速是靠液比例手柄控制，操作方便且控制精确。

3 动力头液压回路设计

3.1 动力头液压回路的原理

如动力头液压控制原理图2所示，液压泵组由两个变量泵及一个齿轮泵组成，图2中液控比例换向阀为简化示意图。图2中先导油源阀采用了插装阀的形式。工作原理为：

（1）当电磁铁得电时，先导换向阀换向，动力头两马达并联，系统流量同时分给两个马达，在同样的流量条件下，动力头转速减半，扭矩增加一倍。

（2）当电磁铁失电，动力头马达串联，流量先经过一个马达再经过另一个马达，马达压力减半，所以动力头扭矩减半，转速是并联时的两倍。

动力头串并联阀结构简单，只需控制电磁铁的通断电，电源为24V直流电，柴油机启动电瓶即可作为电源，方便实现动力头快慢速快速切换。通过动力头马达串、并联阀的切换，以及驱动动力头马达的两个液压泵单泵与双泵合流的组合，动力头可以实现四档转速，每个档位内调速是靠液比例手柄控制，操作方便且控制精确。

3.2 动力头串并联阀存在的问题

动力头串并联阀液压原理如图2所示，外形图如图3所示，串并联阀的安装如图4所示。串并联阀由一个电控换向阀和一个液压阀块叠加而成，液压阀块中管道设计配合电控换向阀使用，既实现了马达的串并联切换功能又简化了系统管路。为了便于动力头两个液压马达管路连接，该阀固定在动力头上，随动力头沿桅杆轨道上下移动。

通过钻机生产试验动力头串并联阀能够实现动力头两个马达串并联的功能，但是也暴露出控制不可靠的问题，主要原因是串并联阀采用电控换向阀，控制电线要频繁的随着动力头沿钻机桅杆上下移动，而且在采用空气正循环的钻进工艺时孔口会有岩屑及水喷出，导致电磁换向阀的控制电缆接头接触不良，电磁换向阀的控制电磁铁处于失电状态，按照控制原理动力头马达只能实现串联，失去并联的状态，不能满足动力头回转扭矩的要求。

4 动力头液压回路的改进

在采用空气钻进工艺特别是采用空气正循环工艺时，高压气体将岩屑及水带出损害电控换向阀的接头，通过物质－场分析，引入改进的动力头串并联阀消除岩屑及水的危害，将电磁换向阀改为插装式液控换向阀。以多工艺钻机动力头回路液压回路的改进设计为例，具体介绍插装阀的设计与运用。

4.1 改进后的动力头液压控制原理

图2 动力头液压控制回路原理图

图3 动力头串并联阀外形

改进后的动力头液压控制原理（图5）与原先的液压系统（图2）相比没有大的改变，主要是动力头串并联阀由电控板式换向变为插装阀形式的液控换向阀，为了给液控换向阀提供控制压力油，先导油源阀组多插装了一个电控换向阀。其控制原理为：

（1）当先导油源阀中电磁换向阀得电时，电磁换向阀换向，先导压力油控制动力头串并联阀换向，动力头两马达串联，流量先经过一个马达再经过另一个马达，马达压力减半，所以动力头扭矩减半，转速是并联时的两倍。

图4 动力头及其串并联阀

（2）当先导油源阀中电磁换向阀失电时，电磁换向阀不换向无先导油压，动力头串并联液控换向阀液控压力油卸荷，动力头两马达并联状态，系统流量同时分给两个马达，在同样的流量条件下，动力头转速减半，扭矩增加一倍。

4.2 插装阀的设计与运用

动力头液压控制系统设计动力头的串并联阀及先导油源阀都运用了插装阀，解决了原来动力头串并联阀采用电控换向阀控制可靠性不高的问题。

图5 改进后的动力头液压控制原理图

4.2.1 动力头串并联阀

图6所示为改进后的动力头串并联阀液压原理图，采用螺纹式插装阀，液控换向插装阀插装在按照液压原理要求而设计的阀块上，阀块按照压力等级要求可以选择铝制或者钢制。由串并联阀外形图（图7）可以看到阀的体积比改进前的阀（图3）小了很多，由插装阀代替板式电磁换向阀不仅解决了控制电线接触不好而失效的问题，还大大减小了阀的体积和重量，简化了液压系统管路。

图6 串并联阀原理图

4.2.2 先导油源插装阀

图7 串并联阀外形图

先导油源阀主要作用是给液控系统提供先导压力油，同时还可以为动力头串并联阀提供控制压力油。如图8所示，阀块中共插装了4种阀，序号4为插装式电磁换向阀，控制电磁铁的得电与失电可以控制动力头马达的串并联。阀块上还安装了蓄能器，起到稳定先导压力的作用。M1和M2是两个压力监测油口，方便系统出现故障时进行压力监测。先导油源阀比改进前增加了一个电磁换向阀，这就是插装阀的优越性所在，可以根据需要快捷的做出改变，而且不用增加系统管路，灵活方便。从先导油源阀的外形图（图9）可以看到，虽然该阀插装了4种阀还有一个蓄能器，可是这个阀块还是很简洁小巧。

图8 先导油源阀原理图

图9 先导油源阀外形图

5 总结

液压插装阀按照工作原理已经涵盖开关阀（或通断阀）、伺服阀、比例阀和逻辑阀，提供了更多的选择，而且随着液压系统流量的加大，例如系统流量超过600L／min时，能供设计者选择的液压阀很少，但是采用液压插装阀可以实现更大流量的控制，有的时候采用插装阀技术是必须的选择。

通过一个阀块插装多种功能的螺纹插装阀，解决了标准液压阀功能单一，有时没有合适型号可选的问题，液压系统设计者可以根据系统需要，将各种插装阀集成在一个阀块上，通过阀块孔道连通达到设计功能，可以大大简化系统。

插装阀已广泛应用到液压泵、液压马达和液压阀中，其实在钻机液压系统中已经大量用到的插装阀技术，包括履带行走马达上插装了双向溢流阀，防止超载保护马达；主阀上也插装了溢流阀起到安全保护和压力补偿作用。在液压系统设计时运用了插装阀技术，不同于液压供应商提供的标准产品，设计者可以创造性的根据系统需求及液压管路连接的需要来设计插装阀集成块。

［1］许刘万，刘智荣，赵明杰，史兵言.多工艺空气钻进技术及其新进展［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2006（10）：8－14.

［2］王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气动［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］朱鹏程，鄢华林.采用负载传感控制技术的绞车液压系统的设计［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2008（3）：39－42.

［4］殷新胜，燕南飞.MKD－5S型全液压钻机液压系统的设计与探讨［J］.重庆工业高等专科学校学报，1999（3）：119－121.

［5］路甬祥.液压气动技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.