KP3500全液压钻机液压系统的设计

        KP3500型全液压转盘式钻机是我国第一代全液压特大口径工程钻机，钻孔直径可达3.5m，深度120m。该机在国内首先采用四泵双马达组成恒功率回路驱动转盘，并采用液压缸代替卷扬机，起重量大(可达1.2 MN)，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。该钻机1991年年底投入铜陵长江大桥使用，1992年通过建设部鉴定，此后又在广东虎门大桥、福建厦门海沧大桥、南京长江二桥、湖北荆沙长江大桥、浙江钱塘江三桥等国家重大工程中使用，因其效率高、工作平稳而受到施工单位一致好评，并荣获建设部科技进步二等奖和国家级新产品奖。因此，设计适用可靠的液压系统，对保证钻机的使用性能至关重要。
1、液压系统设计的基本原则
利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可靠性，降低工人劳动强度。
2、主油路系统
2.1　调速方式和液压泵的选择
液压系统的调速方式有无级调速和有级调速两大类。无级调速具有调速范围大，能适应不同钻进工艺的要求，但是，变量控制回路和液压泵驱动机构较复杂。KP3500型全液压钻机采用4台A7V160LV1R恒功率变量泵和2台2QJM62-6.3B低速大扭矩液压马达组成恒功率调速系统，把有级变速和无级变速结合起来，拓宽了调速范围，而且在调速时不需要节流和溢流，能量利用比较合理，效率高而发热少。
由于钻机施工地层情况复杂，负载多变，要求钻机能随负载的变化自动调节转速和转矩，而恒功率变量系统能适应负载工况的要求，即随负载的增加，系统能够自动降低转速，增大转矩。并能最大限度地利用源动机的功率，达到最佳的钻进效果。A7V160LV1R恒功率变量泵的工作特点正在于它的排量能随负载压力的变化自动调节，以保证输入功率接近恒定值。若不计效率，则马达输出的功率N基本上等于泵输入的功率，亦为恒值，由马达的功率公式N＝Mn／974可知，N恒定时，M与n呈双曲线关系，即在恒功率变量泵的控制下，随着负载的变化，马达输出的转矩M与转速n之间按双曲线关系自动调节，可满足工况要求，其调速特性曲线如图1所示。

图1：恒功率变量泵-定量马达回路调速特性曲线

2.2　液压阀的选择
为了满足高压，大流量的需求，减少液压系统的造价，提高性能价格比，我们选用了插装阀。插装阀具有通流能力大，动作速度快，组合机能强，密封性好，结构紧凑，抗污染能力强，易于集成等优点。并采用集成块，显著减小了尺寸和重量。
2.3　马达的选择
工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可靠，转矩大，而且低速稳定性好。
目前，低速大扭矩液压马达的主要形式有多作用径向柱(球)塞式，双斜盘轴向柱塞式和摆线转子式等。凡是转速范围要求宽，径向尺寸小，轴向不受限制的场合，用双斜盘轴向柱塞式马达；当传递转矩大，低速稳定性要求高，采用内曲线多作用径向柱(球)塞马达。
2QJM62-6.3B低速大扭矩马达采用钢球代替了一般内曲线液压马达所用的滚轮和横梁，因而结构简单，工作可靠，体积和重量显著减小，耐冲击，调速范围宽，改变进入液压马达的流量即可改变转速，实现无级变速的目的；马达同时又具有两级变量，而有级变量是通过改变配流轴中变速阀阀芯位置来实现的，因而兼顾有级调速和无级调速的优点，具有更大的适应性(主油路系统液压原理图如图2所示)。

图2：主机液压系统原理图

2.4　电磁阀YV1、YV2工作原理
1) 由于钻机工作时流量大，达960L/min，因此各种阀全部采用电磁阀作为先导阀，可以减小操作强度，使操作面板更为紧凑，控制室内无油管，改善了操作环境；当YV1a，YV1b断电时，钻盘(马达)处于浮动状态，此时可以在不停主机泵组的情况下，用手转动转盘来调整钻杆的方向，以便顺利地装卸钻杆。
2) YV1b通电时，Ib主阀不通，马达处于工作状态。
进油路：
泵→马达。
回油路：
马达→Ia主阀→缓冲阀→背压阀→冷却器→油箱。
泵的另一出油口，由于电磁阀YV1b通电，其主阀不通，当工作压力超过系统设定压力17 MPa时，开启溢流。
3) YV1a通电时，其主阀不通，即马达制动；另一路经总溢流阀→背压阀→冷却器→油箱。
4) YV2通电时，用背压阀的压力来调整马达弹簧压紧的变速阀芯，达到液压马达换挡调速的目的，背压阀设定压力0.6～0.8 MPa。
3、起重进给系统
3.1　起重进给方式的选择
由于KP3500型全液压钻机设计钻孔直径3.5m，孔深120m，整个钻具重量达数十吨，如果利用钢丝绳-滑轮倍增机构，游动滑车组结构复杂，单绳起重量大，还要增设卷场，刹车等附加装置；而深孔转盘钻机钻进时主要是在减压工况下工作，其钻压和进给速度的调节要人工通过升降机制动器和钢绳滑车系统来实现，人工调节精度低，同时容易引起精神上和体力上的疲劳.