瓦斯抽采钻机液压系统设计和泵控变量技术应用

瓦斯抽采钻机液压系统设计和泵控变量技术应用

摘要：本文对比瓦斯抽采钻机液压系统的多种回路形式，使用基于容积调速的双变量系统以及减压阀调压回路完成液压系统的设计。同时，从回转回路与给进回路这两个液压系统主回路入手，阐述了瓦斯抽采钻机液压系统中泵控变量技术的具体应用。

关键词：瓦斯抽采钻机；液压系统；泵控变量技术

引言：液压系统是瓦斯抽采钻机中的核心技术系统，其设计科学性关系着瓦斯抽采钻机的运行质量。就当前的情况来看，液压系统的动力元件一般使用了定量泵或是手动变量泵，但是，这样的操作存在着控制不稳定、能量消耗较大等问题。相比较而言，泵空变量技术的应用能够弥补上述问题，且优化系统的整体性能。

一、瓦斯抽采钻机液压系统的设计思路分析

    回转回路、给进回路与辅助回路共同构成了瓦斯抽采钻机液压系统，其中，回转回路与给进回路为该系统的主回路，本文重点对这两个回路的设计展开探究与说明。

（一）回转回路的设计

在不同的工况下，依托给进压力、钻进地层的差异性，完成钻进操作中钻头回速度的调整，这是液压系统回转回路设计的主要功能要求。换言之，必须要保正回转回路具备转速调节性能。对于瓦斯抽采钻机液压系统的回转回路而言，其可以进一步细化为节流调速回路以及容积调速回路，具体如下：

1.节流调速回路

为了满足回转速度调节操作的便捷性要求，要在回转回路的进油口处展开节流阀的并联。此时，通过对节流阀开口度的调节，可以达到控制回转马达中输入油量的效果，最终达到调节输出转速的效果。相比较来说，节流调速回路所消耗的能量较多，因此使用并不广泛。

2.容积调速回路

相比较来说，容积调速回路的应用更为常见，是当前瓦斯抽采钻机液压系统中常用的一种调速方法。容积调速也可以展开进一步细化，即有：由变量泵与变量马达构成调速回路，兼具恒扭矩输出与恒功率输出的特点；由定量泵与定量马达构成调速回路，仅具有恒扭矩输出的特点；由定量泵与变量马达构成的调速回路，仅具有恒功率输出的特点。

在本次瓦斯抽采钻机液压系统的设计中，回转回路的设计主要使用了容积调速中的变量泵与变量马达构成模式，即引入双变量系统。依托这样的方式，不仅可以完成更宽范围的调速操作，还能够满足更多的钻进工艺展开需求。在双变量系统的实际运行中，在液压马达量恒定的情况下，利用变量泵排量的调节，能够促使液压马达转速发生改变，这也是该双变量系统的主要工作方式。

在变量泵的排量恒定的情况下，利用马达排量的调节，能够促使回转器转速发生改变，这样的工作方式在双变量系统外负载过大的条件下更加适用。此时，主要依托回转器转速的降低推动转矩增加，以此达到负载需要。需要注意的是，这样的钻进方式效率偏低，因此不能作为瓦斯抽采钻机液压系统的主要调速方式，仅可作为辅助调速方式应用。

（二）给进回路的设计

在不同工况下，依托钻头的选型与钻进地层种类的差异性，完成钻进过程中给进压力的调整，这是液压系统给进回路的主要功能要求。换言之，必须保证给进回路具备压力可调性能。对于瓦斯抽采钻机液压系统的给进回路而言，其可以进一步划分为溢流阀调压回路以及减压阀调压回路，具体如下：

1.溢流阀调压回路

为了满足调压需求，要在给进执行元件的进油口位置展开溢流阀的并联。此时，通过对该溢流阀开启量的调节，能够达到控制给进回路压力的效果。一般情况下，在瓦斯抽采钻机液压系统中设置一个溢流阀，但是也存在一些钻机内包含两个溢流阀。其中，一个溢流阀承担着调节阀的责任，主要用于液压系统中给进回路运行压力的调节；另一个溢流阀承担着安全阀的责任，主要用于液压系统中更大运行压力的控制^[1]。

2.减压阀调压回路

在当前的瓦斯抽采钻机中，使用单泵-多液动机系统更为普遍，特别单泵同时完成回转回路与给进回路的供油操作，这样的运行模式更为常见。在正常工况下，回转系统的压力一般高于给进系统压力，且压力变化的幅度相对明显。此时，瓦斯抽采钻机液压系统功中的溢流阀实现了液压马达工作压力的控制。

为了避免对回转回路与给进回路产生压力干扰，普遍会在给进液压马达或是给进液压缸的进油管路位置进行减压阀的串联，依托减压阀的出口压力实现给进压力的控制，在本次瓦斯抽采钻机液压系统的设计中就应用了这样的方法。

相比于其他减压回路来说，减压阀调压回路的结构更加简单，且出口压力并不随之进口压力变化而发生变化，能够为系统提供更为稳定的工作压力。同时，可以参考孔内实际情况的变化展开动态调整，有着较好的应用优势。

二、瓦斯抽采钻机液压系统中泵控变量技术的具体应用探究

（一）回转回路：泵空负载敏感技术

在本瓦斯抽采钻机液压系统的回转回路设计中，主要融入了泵空负载敏感技术，主要构件包括轴向柱塞变量泵、负载感应驱动机构、液控比例多路换向阀等。其运行原理为：在液控比例多路换向阀的支持下，通过调整其前后压差能够实现变量泵流量输出的控制，促使输出流量始终处于稳定状态，防止负载压力对其产生影响；变量泵的出口压力高于负载压力，高出值范围为0.7-2.1MPa，在更高限压条件下可以实现负载变化的自动化适应；依托负载感应网络（存在与液控比例多路换向阀中）的多个梭阀，实现该网络与所有工作控制阀的连接，达到感应、传输更高负载压力的效果。

对于负载敏感技术来说，其可以达到保证流量控制恒定的效果，且不会受到泵驱动轴速度、外负载变化的影响。在泵驱动速度降低的情况下，负载感应控制阀会推动斜盘，实现排量增加、维护液控比例多路换向阀的进出后压差，直至达到更大排量^[2]；在换向阀回复至中位的情况下，负载感应压力在油箱中得以释放，促使变量泵稳定在待命状态。也就是说，泵空负载敏感技术的应用保证泵输出流量的恒定，满足瓦斯抽采钻机液压系统的回转工况需求，并延长了钻具使用年限。

（二）给进回路：恒压变量技术

    在本瓦斯抽采钻机液压系统的给进回路设计中，主要融入了恒压变量技术，将具备远程控制性能的恒压变量泵设定为动力源。此时，溢流阀与泵控制器连接，实现对泵输出压力的控制；依托减压阀，完成对油缸给进压力的调节，使之处于稳定状态。基于恒压变量技术的给进回路工作特性有：在未达到调压溢流阀调定压力前，泵保持恒定的排量输出，流量也相对稳定；在达到调压溢流阀调定压力时，泵斜盘自动调整至小角度，降低输出排量，促使泵能输出所需流量，且压力恒定；在超过调压溢流阀调定压力时，泵斜盘自动调整至靠近零输出的状态，促使泵智能输出位置调压溢流阀调定压力时的所需流量，泵压力等于调压溢流阀调定压力。

总结：综上所述，瓦斯抽采钻机液压系统的回转回路与给进回路均有多种设计与实现形式，相比较来说，使用基于容积调速的双变量系统、以及减压阀调压回路模式有着更高的优势。同时，依托泵控变量技术，能够满足瓦斯抽采钻机液压系统的工况适应需求以及节能要求，是一种相对理想的瓦斯抽采钻机液压系统设计思路，值得重点应用与推广。

参考文献：

[1]曹对对.钻孔角度可调节的瓦斯抽采钻机的应用分析[J].机械管理开发,2019,34(11):155-156.

[2]徐鹏博,邬迪,赵江鹏,等.ZDY3600LQ型底抽巷全倾角瓦斯抽采孔钻机应用研究[J].煤矿机械,2019,40(07):131-133.