全液压钻机液压合流设计与分析

罗诗伟，焦红军

(1.陕西核昌机电装备有限公司，陕西 咸阳 712000；2. 西安力克得液压技术有限公司，西安 710075)

全液压钻机液压合流设计与分析

罗诗伟1，焦红军2

(1.陕西核昌机电装备有限公司，陕西 咸阳 712000；2. 西安力克得液压技术有限公司，西安 710075)

本文介绍了HQY-500全液压钻机的液压合流设计和合流的基本条件，提出了科学的合流可降低液压系统流量脉动，提高工作机构的速度稳定性和使用效率。文章还分析了钻机在合流设计和装配中所遇到的问题，并提出了解决方法，以及自己对合流的一点体会。

钻机；便携式；液压系统；合流

0 前言

目前，很多钻探设备及工程机械都采用了液压合流技术来提高系统的能量利用率，从而达到节能减排的目的。液压合流技术，简单地说就是指两个或两个以上的不同的液压系统分别有自己的动力源和独立的液压泵，当某一个系统不需要供油时或不能完全使用全部流量时，就有两个液压泵均对另一个液压系统进行供油。HQY-500全液压钻机就采用了液压合流技术。此钻机在设计初期就设定了主打便携、利于搬迁的目的，为了使整机的最大部件质量不超过175kg，在动力选择上采用小功率动力单元并联形式，由三台柴油机带动三组液压泵工作，为系统提供液压能输入，经合流后，再分别输出给各动力执行单元[1]。多余的流量合流后，一方面加快了执行元件的工作速度，提高了系统工作效率；另一方面减少了能量损失，降低发热，而且还可以将柴油机的功率和齿轮泵的排量选得小一点，减轻钻机的解体部件重量，满足搬迁的需要。

1 钻机液压系统合流设计与分析

1.1 工作原理

图1为HQY-500全液压钻机的液压系统合流简图。三台柴油机带动三台齿轮泵，产生液压能，为整个系统提供动力输入，其具体的工作原理如下：

(1)动力头马达工作的时候，泥浆泵、给进油缸三者可以同时工作，也可以分开单独工作；

(2)液压绞车工作时，动力头马达不工作，夹持油缸工作，泥浆泵不工作；

(3)动力头马达工作的时候，液压绞车不工作，夹持油缸可工作也可不工作；

(4)可控制马达转速，方便实现正反旋转；

(5)实现给进缸的慢速给进和退回控制以及快速进给和退回；

(6)控制泥浆泵输入流量的大小及夹持油缸运行速度。

1.2 基本操作

钻机液压合流后的基本操作为：

(1)根据钻进深度和地层的不同，调节优先调速阀和泥浆泵的调压开关，可以调整泥浆泵的输出水量和水压。

(2)调整动力头马达调压开关，使其达到所需的压力，开动多路阀控制手柄，控制马达的正反转。控制手柄的阀块是比例阀，手动控制流量并可以钢球定位，随着操作者手压的力度，开合的流量也不同，压到终位时定位，流量一定。

(3)操作手柄控制给进油缸的进给，通过调整操作台上的进给压力操作手柄，调整进给压力。当需要快速起拔或快速回退时，可以操作操作台上的快进/快退手柄，达到较快的速度。

(4)调节优先调速阀，使夹持器卡瓦的夹紧或松开速度达到合适的速度，通过调节操作台上的夹持压力的调整手柄，控制夹持力的大小。

图1 全液压钻机液压系统简图

三个液压系统合流后, 由于充分利用了各系统的多余流量, 使进给油缸的工作速度、动力头马达的旋转、泥浆泵流量等都得到提高。但是液压泵在排油过程中，瞬时流量是不均匀的，随时间而变化。但是，在液压泵连续转动时，每转中各瞬时的流量却按同一规律重复变化，这种现象称为液压泵的流量脉动[2]。液压泵的流量脉动会引起压力脉动，从而使管道、阀等元件产生振动和噪声。而且，由于流量脉动致使泵的输出流量不稳定，影响工作部件的运动稳定性。

为了减小泵脉动度对泵输出特性的影响，就需要对外啮合渐开线齿轮泵合流前后的输出特性进行理论分析，但是如果能够合理采用合流技术, 则对于改善液压系统流量特性有很大作用。见图2所示为外啮合齿轮泵工作示意图。

图2 外啮合齿轮泵工作示意图

当主动齿轮1在dt时间内转过dφ1角时，被动齿轮2转过dφ2 角, 则根据齿轮啮合基本定律可以算出齿轮1和齿轮2的角速度ω1和ω2。当主动齿轮1转过dφ1角度时, 齿轮1包围压油腔的齿面所扫过的容积dV1等于其曲线所扫过的面积乘以齿宽B, 同理, 从动齿轮2包围压油腔的齿面所扫过的容积为dV2，所以, 从压油腔排出的容积dV为(见公式1)：

dV=dV1+dV2

(1)

齿轮泵瞬时流量Q(L/min)见公式(2)：

(2)

式中：Re1、Re2—齿轮1和齿轮2的齿顶圆半径，mm；

Rc1、Rc2—齿轮1和齿轮2的啮合半径，mm；

B—齿轮1和齿轮2的齿宽，mm；

ω1—齿轮1的角速度；

R1、R2—齿轮1和齿轮2的节圆半径，mm。

由于渐开线齿廓能较全面地满足传动要求，因而齿轮泵绝大多数都采用渐开线齿廓。对于渐开线齿廓, 齿轮啮合点到两齿廓公法线上节点之间的距离f=Rφ1[3]，经微积分运算及利用三角函数关系对公式(2)中两个变量Rc1和Rc2进行简化[3]，可得到齿轮瞬时流量Q关于主动齿轮转角的公式(3)，即:

其中

(3)

式中：ha1、ha2—齿轮1和齿轮2的齿顶高，mm；

Rj1—齿轮1公法线节点半径，mm；

φ1—齿轮1旋转过的角度；

Z—齿轮1的齿数。

综上所述，不论两个齿轮直径是否相同，渐开线齿轮的瞬时流量均随齿轮的转角按抛物线规律变化。经双泵合流后系统的流量脉动频率比单泵供油高1倍左右, 流量脉动系数却降低了很多[4]。由此可见, 泵合流对于改善液压系统流量脉动, 提高工作机构工作效率和速度稳定性, 提高液压系统脉动频率, 降低液压系统噪声有重大意义。

2 液压系统合流的基本条件

油泵合流技术有很大的优势，既能提高工作机构的稳定性，又有节能的效果，所以很是令人向往，但并不是任何系统都可以应用合流技术，双泵合流系统目前有两种类型，一类为配置优先阀的双泵合流系统；另一类为配置等值卸荷阀的双泵合流系统。这两种类型的双泵合流系统在性能上有着根本的不同。但要实现合流必须要满足以下条件：

(1)两个液压系统的工作压力基本相同；

(2)两个液压系统的执行机构不同时或很少同时处于工作状态；

(3)其中一个系统常有多余压力油通过溢流阀溢流的情况。

3 同工况合流设计及装配要领

两个相同的外啮合渐开线齿轮泵合流能减小流量的脉动，但对于不同的泵合流，需要建立相应的优化函数进行优化设计。通常情况下，液压泵由柴油发动机或电动机提供动力。HQY-500全液压钻机就是采用三台柴油机提供动力，柴油机的转速并不一样，因此液压系统中各泵的工况并不完全对称，这就需要采用措施来保证所设计的泵符合优化设计中的相位关系。

如图3所示，可知当操纵手柄时，三台柴油机的油门拉线同时控制，确保了柴油机的旋转速度是一样的，这样保证了三台油泵是同频率旋转的，若选用相同排量的齿轮泵就可解决相位问题。

图3 解决柴油机相同转速的机构

实践证明，该机构很好的解决了柴油机转速不同而引起的工况不同，从而避免由于系统流量脉动的叠加给液压系统带来损害。见图1所示，泵1和泵2是同排量的，连接形式及结构都是一样的，柴油机的调速机构也是并联在一起的，从而保证了同工况工作，合流后就能减少流量脉动，提高系统的能量利用率。

另外, 对于合流设计还需要注意一点，装配时确保油门拉线的安装及张紧度要一致，不可位置不一，松紧不一，否则会使系统的流量脉动幅度增大。

4 结论和体会

液压系统的合流不仅需要进行优化设计，还要掌握一定的装配要领, 才能保证合流获得较为理想的效果。通过合流技术在HQY-500全液压钻机上的应用，证实了此钻机采用该技术是可行的，并有如下的一点心得体会：

(1)合流充分利用了系统多余压力油，提高了系统的能量利用率，达到节能的目的。

(2)最好选用排量和规格一致的油泵进行合流。

(3)在两泵的出口处需加上两个单向阀。当某一系统产生压力超调时，单向阀可使泵免受高超调压力损坏，从而提高了双定量泵回路的工作可靠性。

(4)合流技术的应用，可选择小功率和小排量的油泵，从而降低系统成本，减轻单件的解体部件重量。

(5)合理的设计和装配可以降低液压系统的流量脉动幅度, 提高系统的流量脉动频率。

[1] 罗诗伟，张联库.HQY-500型全液压钻机的研制[J].探矿工程，2011(3):46-49.

[2] 何存兴.液压元件[M].北京：机械工业出版社，1981.

[3] 吴克坚，等.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2003.

[4] 梁晓东，冯茂林，孙芬.液压系统双泵合流技术探究[J].有色设备，2011(1):14-17.

Design and Analysis of Hydraulic Confluence for Hydraulic Drilling Machine

LUO Shiwei1，JIAO Hongjun2

(1. Shanxi Hechang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd.，Xianyang, Shanxi 712000, China;2. Xian Rexricher Hydraulic Technology Co., Ltd.，Xian, Shanxi 710075, China)

Scientific hydraulic confluence can reduce the flow pulsation in hydraulic system, improve the speed stability and efficiency of working mechanism. In this paper, the authors introduce the design of hydraulic confluence for HQY-500 full-hydraulic drilling rig and the basic condition for confluence, analyze the problems encountered in the confluence design and assembly of drilling rig, and put forward the solving methods and some experience.

drilling machine; portable; hydraulic system; confluence technology

2015-05-22

罗诗伟(1978-)，男(汉族)，本科，新疆昌吉州人，学士学位，高级工程师、注册建造师，机械设计制造及其自动化专业，主要从事钻探机械的研发、砼制品机械的设计制造以及对外技术合作，Tel：13992021347，E-mail：anuov@163.com。

P634.31

A

1009-282X(2015)05-0011-04