定向鉆機(jī)制動機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)控制集成設(shè)計(jì)

0對剎車裝置的磨損隨著定向鉆在礦山坑的應(yīng)用，鉆頭的易用性、安全性和可靠性變得越來越受到重視。由于施工工藝的差別，鉆機(jī)在定向鉆進(jìn)時(shí)采用孔底螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)的切削方式；為了實(shí)現(xiàn)軌跡可控，需要?jiǎng)恿︻^夾緊鉆桿保持螺桿鉆具的方位角在對應(yīng)的孔深處保持不變，因此，在動力頭上的輸入軸端設(shè)置了鎖緊機(jī)構(gòu)，俗稱剎車。剎車機(jī)構(gòu)采用楔形塊或摩擦盤產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)動力頭的制動，既是定向鉆機(jī)的關(guān)鍵部件也是易損件，其使用壽命與操作者的使用習(xí)慣有較大的關(guān)系。在實(shí)際使用過程中，特別是在調(diào)整鉆具方位角和上、下鉆桿時(shí)，操作者可能會忽略剎車裝置仍處于制動狀態(tài)，從而直接操作旋轉(zhuǎn)手柄，對剎車機(jī)構(gòu)造成不必要的磨損，甚至損壞剎車卡瓦。因此，本文對現(xiàn)有鉆機(jī)的剎車液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了鉆機(jī)剎車優(yōu)先系統(tǒng)的邏輯關(guān)系及設(shè)計(jì)思路，采用液壓螺紋插裝閥設(shè)計(jì)了具有邏輯功能的剎車優(yōu)先集成閥塊，并通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，提高剎車優(yōu)先系統(tǒng)的可靠性，最終達(dá)到實(shí)用的目的。1駕駛民液壓驅(qū)動系統(tǒng)全液壓定向鉆機(jī)的剎車裝置由剎車油缸、剎車卡瓦、碟簧和制動軸組成，一般為常開結(jié)構(gòu)，液壓夾緊，碟簧松開，剎車部分的液壓原理圖如圖1所示。液壓馬達(dá)和剎車裝置分別安裝在動力頭齒輪傳動系統(tǒng)的輸入軸兩端，液控?fù)Q向閥為三位四通閥，分別控制液壓馬達(dá)的正、反轉(zhuǎn)和剎車裝置的制動與解鎖，液壓先導(dǎo)手柄控制換向閥完成對應(yīng)的動作。當(dāng)操作剎車手柄制動時(shí)，來自系統(tǒng)的高壓油經(jīng)換向閥右位和液控單向閥進(jìn)入剎車油缸中，克服碟簧力夾緊輸入軸，液控單向閥作為保壓裝置，用于維持剎車油缸的高壓狀態(tài)，完成剎車制動后，剎車手柄回到中位；反向操作剎車手柄，換向閥的高壓油進(jìn)入液控單向閥的液控口，反向打開單向閥，剎車油缸卸壓，在碟簧力的作用下剎車打開，處于解鎖狀態(tài)。在實(shí)際使用過程中，由于鉆機(jī)剎車和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相互獨(dú)立，當(dāng)出現(xiàn)誤操作時(shí)，可能會出現(xiàn)帶剎車旋轉(zhuǎn)或邊旋轉(zhuǎn)邊剎車的動摩擦狀態(tài)，不僅會造成剎車卡瓦的提前磨損，還會對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。2鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的改進(jìn)鉆機(jī)剎車優(yōu)先系統(tǒng)是一種應(yīng)用在液控先導(dǎo)操作的定向鉆機(jī)上、實(shí)現(xiàn)剎車越權(quán)動力頭旋轉(zhuǎn)的保護(hù)系統(tǒng)，不論動力頭處于旋轉(zhuǎn)或停止?fàn)顟B(tài)，操作剎車制動手柄，將在制動的同時(shí)迅速切斷旋轉(zhuǎn)液控閥的先導(dǎo)油路，避免剎車和旋轉(zhuǎn)的“打架”現(xiàn)象，有效減少人為因素造成的誤動作，提高剎車裝置的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，可以在操作手柄的先導(dǎo)油路之間設(shè)置一組邏輯“非”關(guān)系，當(dāng)剎車手柄制動時(shí)，剎車制動，同時(shí)切斷旋轉(zhuǎn)手柄的先導(dǎo)油路，使得旋轉(zhuǎn)動作失效；當(dāng)剎車手柄解鎖時(shí)，剎車松開，同時(shí)恢復(fù)旋轉(zhuǎn)手柄的先導(dǎo)油路，旋轉(zhuǎn)手柄才可以動作。整個(gè)回路采用液壓邏輯插裝元件設(shè)計(jì)成集成閥塊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在現(xiàn)有鉆機(jī)操作臺上直接升級，不影響其他功能的使用。(2）實(shí)現(xiàn)原理在液壓系統(tǒng)中，“是、非”邏輯可由二位三通換向閥來實(shí)現(xiàn)，該閥的控制原理如圖2所示。其邏輯表達(dá)式為y=x。根據(jù)使用要求的不同，分為常開型和常閉型2種，常開型的邏輯閥在輸入信號受到干擾或出現(xiàn)故障時(shí)，輸出信號始終處于導(dǎo)通位置，可能導(dǎo)致控制邏輯的錯(cuò)誤，可靠性較低；常閉型的邏輯閥在輸入信號故障或系統(tǒng)初始化時(shí)自動切斷輸出信號，具有較高的安全性。(3）設(shè)計(jì)方案剎車優(yōu)先系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)的初始狀態(tài)，當(dāng)鉆機(jī)長時(shí)間停機(jī)或斷電重啟后，液壓系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致控制信號出現(xiàn)丟失，無法保持停機(jī)前的狀態(tài)，造成控制邏輯失效，因此宜采用旋轉(zhuǎn)手柄常閉的初始狀態(tài)，只有在剎車解鎖狀態(tài)下才可執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動作，從而提高鉆機(jī)操作的安全性和剎車系統(tǒng)的可靠性。常閉式剎車優(yōu)先系統(tǒng)原理圖如圖3所示。位于旋轉(zhuǎn)手柄正、反轉(zhuǎn)先導(dǎo)油路上的邏輯控制閥1.1和1.2將主控閥的控制油路與T口連通卸壓，使得旋轉(zhuǎn)手柄失效；當(dāng)執(zhí)行剎車解鎖動作時(shí)，液壓先導(dǎo)油不僅控制剎車主控閥3.2的切換，同時(shí)進(jìn)入邏輯控制閥的信號口，使其切換到右位，旋轉(zhuǎn)手柄可以正常工作。因剎車手柄為“點(diǎn)動”操作，不具備壓力保持功能，所以增加液控單向閥2用于保持剎車解鎖信號的壓力油。該系統(tǒng)雖結(jié)構(gòu)簡單，但其使用效果主要取決于液控單向閥和邏輯控制閥閥芯的保壓效果，長時(shí)間使用后可靠性下降。為此，在信號輸入回路中增加一路先導(dǎo)油源Pi和一個(gè)邏輯控制閥1.3，剎車解鎖信號由Pi油路（手柄先導(dǎo)油源）代替，手柄動作后，首先打開邏輯控制閥1.3，由Pi回路控制邏輯閥1.1和1.2的切換，同時(shí)Pi油路補(bǔ)償控制閥1.3的先導(dǎo)控制壓力泄漏，維持其打開狀態(tài)；液壓阻尼孔4.1在動作瞬間產(chǎn)生的壓差用來控制邏輯閥1.3的換向，阻尼孔4.2用于緩沖先導(dǎo)油源在手柄動作時(shí)產(chǎn)生的壓力波動。在系統(tǒng)停機(jī)后，Pi口先導(dǎo)油壓力為0，邏輯控制閥1.1、1.2和1.3同時(shí)在閥芯彈簧力的作用下恢復(fù)初始狀態(tài)。3彈簧對插芯的控制(1）液壓集成閥塊的設(shè)計(jì)原則液壓集成閥塊的設(shè)計(jì)包括閥體尺寸及材料的確定、油道尺寸計(jì)算、插件的選型及位置布局等，在設(shè)計(jì)時(shí)需遵守以下原則：(1)油道孔的通徑尺寸要適中，最小壁厚要滿足強(qiáng)度要求；(2)合理使用不同剛度的復(fù)位彈簧，盡量使用低剛度彈簧以減小壓力損失；(3)注意方向控制先導(dǎo)閥泄漏可能導(dǎo)致的插芯誤動作，必要時(shí)選擇無泄漏的結(jié)構(gòu)；(4)合理使用阻尼結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制運(yùn)動平穩(wěn)、減少功率損失、匹配不同插芯啟閉順序的效果。(2）主要參數(shù)計(jì)算式中q———最大流量，L/min;v———油道中允許流速，回油管油道取v=2.5～4m/s，壓力油道取v=6～8m/s。阻尼孔的流量式中αdΔp———阻尼孔前、后壓差，MPa;ρ———液體密度，kg/m根據(jù)使用目的計(jì)算出阻尼孔的直徑，為避免油路堵塞，直徑一般不宜小于準(zhǔn)0.6mm。(3）閥塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)閥塊整體為六面體結(jié)構(gòu)，長×寬×高=120mm×85mm×100mm，材料為35鋼，外形圖如圖4所示。4旋轉(zhuǎn)手臂失效結(jié)果為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的實(shí)際使用效果，對剎車優(yōu)先集成閥塊進(jìn)行了裝機(jī)測試，測試內(nèi)容包括動作是否正常、動作的有效性和可靠性、閥塊復(fù)位功能等，測試在ZYWL-23000DS型全液壓定向鉆機(jī)上進(jìn)行。測試過程：(1）鉆機(jī)開機(jī)后，旋轉(zhuǎn)手柄失效，正、反轉(zhuǎn)均無動作，常閉功能有效；(2）剎車解鎖后，旋轉(zhuǎn)手柄可以正常工作，Pi油路對旋轉(zhuǎn)手柄的有效保持時(shí)間大于2h;(3）切斷Pi油路后，再次操作剎車解鎖，旋轉(zhuǎn)手柄可以正常工作，但工作時(shí)間小于15min;(4）恢復(fù)Pi油路后，再次操作剎車解鎖，旋轉(zhuǎn)手柄可以正常工作，對鉆機(jī)進(jìn)行斷電操作，再次開機(jī)后，旋轉(zhuǎn)手柄失效，系統(tǒng)復(fù)位成功；(5）靜態(tài)剎車測試：按照剎車解鎖→旋轉(zhuǎn)→停止旋轉(zhuǎn)→剎車制動→旋轉(zhuǎn)失效的順序重復(fù)操作100次，均能正常實(shí)現(xiàn)功能，動作正常；(6）動態(tài)剎車測試：在旋轉(zhuǎn)過程中，操作剎車制動手柄，旋轉(zhuǎn)動作迅速停止，剎車有效制動。測試結(jié)果表明，剎車優(yōu)先閥塊工作正常、動作靈敏、無泄漏和異常動作，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求。5鉆機(jī)駕駛