煤层气车载钻机上杆装置液压系统设计及优化
发布时间：2021-05-13
摘要：煤层气车载钻机配套用上杆装置可实现钻杆的自动接续功能，其液压系统的设计优化对于上杆装置的功能及工作性能尤为重要。通过分析上杆工艺流程及单次循环时间，液压系统设计采用了前后两级液压阀组合方式。通过降低系统发热量和提高柴油机功率利用率对液压系统进行优化，同时针对优化后液压系统的辅助回路存在流量波动现象进行分析，对调角油缸分流防冲击回路进行研究，实现2个调角油缸同步功能，降低了外部载荷冲击，保护整体上杆装置结构件不受破坏，研究结果可为上杆装置液压系统的正常工作提供理论基础。
关键词：煤层气车载钻机;上杆装置;液压系统;调角特性回路
0引言
煤层气是煤炭的伴生资源，在煤炭资源开采之前，通过地面钻孔的方式抽采煤层气，不仅可以解除煤炭开采过程中的瓦斯威胁，还能获取清洁的煤层气资源，是一种高效的瓦斯利用途径。煤层气车载钻机作为一种自动化程度较高的多工艺钻井施工设备，具有钻进速度快、适用于多种钻进工艺、拆装及运输方便等优点。上杆是钻进施工的主要工序，其直接影响钻机的施工效率。上杆装置能够将钻杆从钻杆平台自动输送至动力头处，实现快速接续，降低劳动强度，实现自动化施工。为了实现这一目的，对各动作时间、精度要求较高，因此上杆装置的液压系统设计尤为重要。
1煤层气车载钻机上杆装置液压系统初步计算选型
根据煤层气车载钻机接续钻杆的工艺要求，完成了上杆装置的结构设计，同时进行液压系统设计及元件选型。钻机上杆装置结构示意图如图1所示，液压系统执行元件参数如表1所示。根据上杆装置的性能要求及上杆工艺流程，计算整个液压系统的供给流量及各个油缸的所需流量，确定液压阀组的流量。
相关期刊推荐：《煤矿机械》杂志于1980年创刊于北京。全面报道煤矿机械及矿山设备的科研、设计、制造、使用和维修等诸多方面的先进经验、革新成果、发展方向、新技术综述、各种冷热加工新工艺、新装备。主要报道煤矿采煤、掘进、运输、支护、提升、排水、通风的设备及露天机械和选煤设备的研究、设计、制造、使用、维修等方面的最新技术经验和成果，同时报道通用机械的新技术、新工艺和新材料及成果等.
由于上杆装置主要动作都是顺序动作，几乎没有2个动作同时进行的工况。选择液压泵主要考虑单动作下最大流量即可。单次上杆时间为30s，共分为抬杆、机身调角、机身伸出小车送杆、小车退回、机身缩回和机身调角等动作。对各液压执行件的运动时间进行分配，根据行程计算工作时间内所需液压油流量。根据配套柴油机参数选择液压泵流量为45mL/r。得到上杆装置液压系统的初步设计方案如图2所示。整个系统为单泵系统，通过1个两位三通阀进行主动作回路及辅助动作回路的切换。
2优化改进设计
虽然采用变量泵系统可以节省能源，但由于管路过长，容易造成LS信号反馈滞后，使得泵流量供应不敏感，无法满足上杆装置精度要求，因此系统采用定量A10VO45泵供油，搭配开芯M4-12比例阀，从而降低能耗。由于上杆装置动作较多，从系统操作性及成本考虑，采用前后两级液压阀组合的方式。主阀采用带有比例特性的7联M4-12阀组，其中主回路6路，主要负责完成上杆动作;辅助回路1路，将压力油输出至三联串联的DCV40阀组。由于采用M4-12作为第1级阀，其流量通过阀芯开度控制，使得第2级DCV40回路流量也可以进行调节。与2组阀通过1个三通阀切换供油方式相比有明显的优点。整机液压系统优化如图3所示，系统所有回路都采用电控方式，通过无线遥控器控制。
3辅助回路流量波动分析
两级阀组的布置方式虽然有其优点，但由于M4-12LS溢流阀受到弹簧力作用，使系统产生2MPa的压力，在此压力下先导油可以在电控指令下推动主阀芯，控制执行器油口流量，保证主阀正常工作。但在辅助回路打开、DCV40阀处于中位时，由于压力油经过DCV40阀直接回到油箱，此时整个系统压力较小，先导油压力也随之降低，可能会造成系统流量的波动。在主溢流阀的作用下，系统产生2MPa压力，推动阀芯动作，此时辅助回路打开，压力油进入DCV40后直接回到油箱，此时系统压力降低，先导油压力小于阀芯复位弹簧压力，造成阀芯开口变小，流经DCV40的流量降低，部分油又通过M4-12溢流阀回油，增加了系统的压力损失，从而提高了先导油压力，造成先导油压力与阀芯弹簧力之间的振荡，引起了辅助回路流量的波动。但此时整个系统无执行器动作，只是压力油输出到辅助回路中，因此流量波动几乎没有影响。在辅助回路出现负载后，系统压力上升，使得先导压力克服弹簧力，最终实现流量稳定输出。可见两级阀组的布置方式对整个液压系统影响不大，能够满足使用要求。
4液压回路特性设计
上杆装置设置2个调角油缸，主要负责将机身绕固定轴抬起，将钻杆举升一定的角度，与动力头联接。考虑到机身较长、刚性较小，2个油缸由于背压等原因存在不同步的风险，可能导致机身受到结构内力作用而发生变形。为避免这一问题，采用机械及液压双同步的设计思路，将分流集流阀安装于平衡阀后端靠近油缸油口处，使得机身既可实现2个调角油缸同步动作又能够平稳升降，减少结构内力，其液压原理如图4所示。
动力头下放钻杆到上杆装置时，虽然控制阀芯及时关闭，切断钻机给进装置的供油，但由于惯性的作用，动力头仍然会下滑一段距离。此时钻杆会对上杆装置造成一定的冲击，直接影响到上杆装置的稳定性，甚至造成破坏。因此必须在调角油缸处设置防冲击卸油回路，当冲击载荷造成油缸内部压力上升时，通过卸荷阀溢流，油缸收回，吸收冲击能量，其原理如图5所示。但由于此阀必须同调角油缸控制回路连接，还需要通过液压仿真分析手段验证其综合效果。
5结语
为实现煤层气车载钻机施工中钻杆的自动接续功能，根据其结构功能及上杆工艺要求，设计了上杆装置的液压系统，并对部分回路进行优化。
(1)设计了两级阀组布置方式，针对其可行性及优缺点，分析了系统产生流量波动的原因及影响;
(2)设计了调角油缸防冲击分流控制回路，通过分流方式加外部载荷及连接结构实现2个调角油缸同步功能。并根据工况增加防冲击回路，降低了外部载荷冲击，实现了缓冲功能，保护上杆装置结构件不受破坏。
研究结果为上杆装置液压系统的正常工作提供理论基础，同时为其他类似功能结构液压控制提供了解决思路。——论文作者：邵俊杰
