液压节能策略在钻机开发中的应用

王士昭，王克虎，程林，孔令沪，张益男，朱立强，解少朋，王浩，薛滋苗

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081; 2.河北石探机械制造有限责任公司，石家庄 050081)

0 引言

钻机是地质勘探及工程施工等领域的重要设备，在钻机设计时，只有提高机电液节能控制技术，才能保证设备的运行质量，从而整体提高设备品质。基于上述思路来指导机械产品的设计，才能够符合当前社会的发展需求。

我单位研制的多功能取样钻机以高频冲击进行直推取样和回转钻进螺旋取样两种方式确保取样率及样品符合标准。该钻机以内燃发动机为动力源，通过液压系统驱动液压冲击及动力头回转，实施取样作业。据此，我们针对该钻机动力匹配系统，合理设置了发动机负荷率，通过调整液压系统的参数来适应钻进工况的变化[1]，使发动机始终工作在最佳油耗点，提高发动机的燃油利用率，达到节能减排的目的。

1 发动机的节能分析

1.1 发动机负荷特性

负荷特性是指维持发动机转速不变，其燃油经济性指标随负载而变化的关系[2]。当发动机保持固定转速，通过调整喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量时，有效燃油消耗率be随负荷扭矩T变化的关系即为发动机负荷特性[3]。

当发动机空转时，be为无穷大，随着负荷Ttq增加，每循环的供油量增加，be下降，供油量增加到点1位置时，be达到最低值，再继续增加负荷和供油量时，由于过量空气系数的减少，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增加，be升高；当供油量增加到点2的位置(该转速下最大扭矩)时，排气冒黑烟，达到国家法规规定的烟度限值，继续增加油量已为公害[2]，见图1。

图1 发动机负荷特性曲线

由负荷特性曲线可见，耗油率be随负荷增加而降低，在接近全负荷(常在80%负荷率左右)时，be达到最小。因此，提高发动机燃油经济性的关键是为发动机匹配到合适的负荷率，从而降低发动机的燃油消耗[2]。

基于以上分析，发动机外特性与目标值负荷间的关系曲线如图2所示。当转速在发动机怠速至最大转矩转速之间时，负荷率设置为 80%或略微低一些。其中，曲线A-B-C为发动机的外特性转矩曲线(油门全开)，曲线F-D-E-C为外负载经传动装置转换后所需要的转矩曲线。n0为发动机怠速，n1为液压泵的启动转速，n2为发动机最大转矩时的转速，n3为发动机的额定转速。按图2所示的负荷率工作，既满足了复合动力装置高效率、高动力性的要求，又使发动机有一定的储备功率，有利于提高加速性能并且在遇到突发载荷而控制装置因惯性滞后调节时可以防止发动机熄火[4]。

图2 发动机扭矩特性与目标值负荷率曲线

1.2 发动机节能设计

钻机在实际作业中，将外负载以扭矩和转速的形式反馈到发动机主轴，其中扭矩T的大小由外负载和传动比决定。

发动机工作中的输出扭矩应在曲线A-B-C以下，如果负载扭矩过界，发动机将冒黑烟熄火，如果负载扭矩过低将造成负荷率过低、燃油利用率过低的情况发生。如果将发动机负荷点设置在A-B-C和D-E-C之间，则发动机抗过载能力偏差，在钻机主轴负荷稍微增大时，发动机就可能熄火。故钻机负荷率应沿D-E-C曲线来设置，这样即使钻机在运行中负荷有过载的情况，由于D-E-C与A-B-C间的余量存在，也会避免因负载突变造成的发动机熄火。

2 液压传动系统的节能策略

变量泵变量马达的容积调速回路的主要优点是没有节流调速中通过溢流阀和节流阀的溢流功率损失和节流功率损失，所以发热少、效率高，更节能。转盘钻机的机械式变速箱调速范围不够宽广，且不能实现无级调速，致使发动机经常使用负荷过低，燃油经济性极差。

由变量泵变量马达组成的液压传动系统，除了实现无级调速外，更重要的是可以根据钻机实际工况实时调节发动机负荷扭矩，使发动机稳定在最佳油耗区工作，动态调节发动机、液压系统和主轴工况的参数，使其匹配更趋科学合理。

泵通过法兰联轴器与发动机飞轮相连，故泵的转速与发动机转速相等，泵的输入转矩与发动机的输出扭矩相等。要实现发动机的节能减排，提高燃油利用率，发动机应在该转速下的最佳负荷率下运行，在该转速下其输出转矩应为一固定值，该固定值应按照图2中D-E-C曲线选定。

液压泵的输入转矩根据下式计算：

(1)

式中：Mb为泵的输入转矩，N·m；pb为泵出口进口压差，MPa；qb为泵的排量，mL/r。其中，pb取决于负载，当负载变化时，引起pb和Mb变化，在液压控制系统不干预的情况下，当Mb偏离最佳工作点时，发动机燃油经济性将急剧下降，且有过载熄火的可能。此时主控制器根据压力传感器反馈的压力信号，判断出钻机动力头液压马达内压力升高或者降低，通过发出控制信号来改变变量柱塞泵的斜盘摆角，来调节泵的排量qb以稳定Mb为一定值，使发动机和液压泵之间实现扭矩的匹配。

虽然钻机负载随实际工况在实时变化，但是通过控制系统对液压元件参数的调节，可以实现发动机恒转速恒扭矩的输出，保证了发动机有效燃油消耗率始终处于最佳状态。

3 发动机—液压系统节能策略的实现

为了使钻机在最佳工况点运行，从而降低钻机的燃油消耗，最理想的控制方式是利用控制器根据钻进工况，组合控制发动机转速及液压元件参数，使发动机根据不同工况稳定在理想负荷率下工作。如图3所示，通过速度传感器和压力传感器感知负载变化，通过控制机构调节液压马达和液压泵的排量来调节传动比平衡负载变化，确保发动机在最佳油耗点运转。

图3 电液比例功率匹配控制系统

当钻进至坚硬岩层，主轴所需扭矩增加，根据传感器反馈信号，以及如下公式计算马达输出转矩：

(2)

式中：Tm为马达输出的转矩，N·m；pm为马达出口进口压差，MPa；qm为马达的排量，mL/r。

主轴所需扭矩即为马达输出扭矩，当Tm增大，马达进出口压差pm增大，如果pm增大在液压泵排量不变的情况下，液压泵所需扭矩Mb将会变大，发动机工作点将飘移出最佳工作点，为了阻止pm增大，故主控将增大马达的排量qm来使pm保持原值不变，通过降速增扭的方式来平衡Tm的增大，以使发动机负荷维持在最佳油耗点。

4 结语

由于地层情况复杂多样，多功能取样钻机在回转钻进螺旋建井过程中主轴负载多变，采用发动机—液压系统—负载的联合控制策略既能充分发挥发动机的动力，又能提高有效燃油消耗率，节能减排。改善钻机钻进作业经济性的关键是改善传动系统与发动机的匹配，其本质是维持发动机的最佳负荷率。