露天矿开采中新型钻机负载敏感液压系统设计与应用

王 涛

（中海石油（中国）有限公司蓬勃作业公司，天津 300450）

智能钻机用负载敏感系统既能满足钻机配套的各类自动化机具，也能解决自动化机具长时间使用小流量造成液压系统发热的问题。开展这项技术研究在提高我国矿山开采机械装备的整体实力、开展深层矿产资源勘探和参与国际市场竞争等方面具有重要意义[1]。

全液压驱动钻机在露天矿石开采过程中发挥着重要的作用，目前，全液压驱动钻机液压系统大多采用传统的节流调速系统，该液压系统受负载波动影响较大，导致液压执行元件运行速度不平稳，对钻机工作性能产生影响。传统的节流调速系统，系统发热严重，能源浪费较大，同时，液压系统内燃料温度过高，对液压系统性能和液压元件使用寿命都造成影响。目前钻机配套的机具要求多个执行机构同时工作。传统的节流调速系统不能实时对液压执行元件速度进行无级调节，满足不了钻机配套的多种执行元件不同速度、不同工况要求。

负载敏感系统分为定流量和变流量负载敏感系统，其中定流量负载敏感系统仅属于压力适应型，而变流量负载敏感系统属于功率适应系统，实际上就是采用定压差原理的多执行器控制回路。本文主要分析定流量负载敏感系统和变流量负载敏感系统原理设计和能耗状况，说明负载敏感系统在智能钻机上的设计与应用。

1 定流量负载敏感

如图1，定流量负载敏感回路主要由定量泵、主定压阀（控制压力高压端连进口型）X0、每片定压阀（控制压力高压端连进口型）X1、X2、闭中心四通或者六通换向阀Y1、Y2、梭阀T1、T2等组成。

1.1 工作原理

定量泵为系统提供动力源，在液压泵出口设置主定压阀X0（设置在泵出口可以减少管道带来的压力损失），设定的弹簧预紧力为△pX0。负载型号压力pLSi(i=1、2、...，下同)，如果该片换向阀处于中位，即负载端压力为回油口T的压力；如果换向阀在工作位，负载端压力为阀驱动口Ai或Bi的压力。每片换向阀前都设置一个定压阀Xi。阀Xi通过调节开口大小维持换向阀进口压力pCi比驱动压力高△pX，一般约为1.5～2MPa。因此，每片换向阀的工作流量由该阀的流量感应口面积Ai与固定压差△pX决定，不随负载变化。当换向阀处于中位时，相应的pLSi=0，定压阀Xi常开，所以换向阀中位必须是关闭才不至于使泵提供的流量全部回油箱，使得其余换向阀得不到工作流量。每片换向阀的pLSi经过梭阀Si，通过梭阀Si选择最高的负载压力信号为pLS，作用在主定压阀X0，调节节流口大小，其余阀多余的流量，维持pP比pLS高△pX0。△pX0一般约为2.5～3MPa，必须高于△pX，以保证阀Xi有足够的工作压差。定量泵出口处的溢流阀Y0属于常闭安全阀。

图1 定流量负载敏感回路原理图

1.2 能耗状况

定流量负载敏感系统采用定量泵，流量不随负载需要变化，因此这种回路仅属于压力适应型，而不属于功率适应型。

1.2.1 各换向阀均处于中位（如下图2所示）

图2 各换向阀均处于中位时的能耗状况

此时pLS为零，泵出口压力pP等于△pX0。液压系统没有对外做功，而是在发热。

液压泵输出的流量固定，多余的流量全部经过定压阀X0回油箱。因此，定流量负载敏感系统与传统的定量泵和简单阻尼控制回路能耗状况相同，仅属于压力适应型，而不属于功率。不能满足智能钻机配套的多种小流量机具同时工作的工况要求。

2 变流量负载敏感

变流量负载敏感系统与上述的定流量负载敏感系统不同在于液压源，目前一般都是采用恒压变量泵。理论上来说，也可以采用恒压控制变频电动机驱动的定量泵来实现变流量。每片换向阀中位一般为关闭型。

2.1 工作原理

恒压变量泵为系统提供动力源，变量机构由pLS控制，通过调节变量泵排量的大小，维持pP比pLS高一个预设的固定值——△pP，通常为2-4MPa。该恒压变量泵使用在负载敏感系统中，故也称为负载敏感泵。由于使用了恒压变量泵，就不需要在系统中设置主定压阀，理论上也不需要设置其他的旁路通道，但实际上，如果没有旁路通道的话，各阀均处于中位时，泵提供的流量为qP零，这对泵内部摩擦副特别不利，因此实际回路中还是设置一条带很小节流的旁路通道。为简化分析，以下忽略该旁路通道的影响，把工作通道的流量就看作变量泵提供的全部流量[2]。

2.2 能耗状况

2.2.1 各换向阀均处于中位

此时pLS为零，泵出口压力pP等于△pp。泵只需要输出极少流量，弥补各阀在中位的泄露，就可以维持各阀泄露需要的压力。所以当变流量负载敏感系统无负载的工况下，系统会自动处于节能状态，功率消耗很低。

2.2.4 在负载压力极高时（如下图3所示）

图3 仅设置安全阀Y0的能耗状况

如果某个负载极高。则相应的定压阀X开口最大，pC、pLS和pP随之无限制升高。如果系统没有安全阀，系统压力会无限制增大，最终导致系统损坏。所以通常在系统中设置安全阀Y0、X0。如图3，若系统中仅设置安全阀Y0，当pP达到Y0的设定压力pS0时，Y0开启，pP就不会持续升高。但由于pLS未受到限制依然会升高，泵变量机构为使pP比pLS高△pP，就会使泵的排量开到最大。此时即使换向阀开口很大，工作流量还是很低。其余的流量均通过Y0回到油箱，造成功率损失。

如图4，如果在系统中设置X0，根据X0的设置压力pS1应低于pS0-△pD，则pLS在达到安全阀X0的设定压力pS1后，系统压力就不会再升高。此时变量泵变量机构维持出口压力pP在pS1+△pX0＜pS0。正常情况下就无流量通过安全阀Y0回到油箱。由于变量泵不排除多余的流量，就不会有很大的功率损失。

图4 设置安全阀X0后系统的能耗状况

3 结论

综上分析，传统的节流调速系统因功率浪费严重，且造成液压系统本身发热等问题，已不能满足矿山开采用钻机多执行元件不同速度同时工作的工况要求。

露天矿开采用新型钻机负载敏感液压系统采用变量泵与负载敏感阀配合使用，通过LS口实时传递负载功率，通过负载流量和压力控制变量泵的排量和压力的方式，完全符合智能钻机多机具、不同速度、不同压力的工况要求。该系统已在钻机配套的液压站上得到了应用，解决装备电功率紧缺的问题。