电液比例调速与油流精密测量技术在AD130大型竖井钻机中的应用

　　竖井钻机是机械化凿岩专用设备，具有钻孔效率高、成本低、安全可靠和使用范围广等特点，主要于垂直矿井井筒和大桥桥墩孔的掘进施工。目前大部分竖井钻机均使用液压缸来实现钻具的提升、下放和钻孔时的进给量 (以下称钻进) 的控制，钻机的钻进油缸控制回路多为出口节流调速回路或比例换向阀调速回路。这种调速回路在实际应用中存在进给速度不稳定的问题，造成钻压变化幅度过大，需频繁调整钻进给定，因此操作人员的工作压力大，钻头刀具磨损快，钻进效率低。

　　1 钻进工况介绍

　　钻机在钻进时需要使钻头的轴向压力 (以下称钻压) 保持在一定的范围内，这样可延长钻头上的刀具的使用寿命、提高钻孔速度和降低钻孔成本。AD130大型竖井钻机工作时钻压为 400～500 kN，有恒速钻进和恒压钻进 2 种钻进状态。

　　根据地层地质的变化和排渣的需要，要求钻机的钻进速度在 (+1～-1) m/ h 之间平滑可调 (进给下降时为正，上升时为负)。恒速钻进一般用于沙土层的钻进，此时钻压较小，钻进速度保持恒定 (0～1 m/ h)；恒压钻进用于岩石层的钻进，此时钻压较大，钻机进给速度很小 (通常在 100 mm/ h 以下，甚至为 5～10mm/ h)。采用恒压钻进时，进给系统调节油量非常小(小于 0.06 L/ min)，且经常连续数天一直工作在此状况下，因此要求进给调节应精确可靠。

　　2 问题分析

　　AD130 大型竖井钻机钻进控制回路采用比例控制回路 (见图 1)，适用于负载保持恒定的工况。该钻机在钻进岩石层时，由于岩石的不均匀性，随着钻头的转动，岩石和一些脱落物会对钻头施加一个反作用力，且这个反作用力是随机变化的，反映到钻机上就是钻压的不断变化，导致主油缸无杆腔的压力在钻进时不断地无规律变化，并且会使钻机产生一定的振动。

　　要使钻进稳定，就要保持油缸的输入输出流量稳定不变。根据流量公式 Q＝KA P0.5可知，在流量系数 K 和过流面积 A 保持不变的情况下，要得到稳定的流量 Q，就要使节流阀前后的压力差  P保持恒定。

　　在钻进岩石层时，钻进量很小，进给系统调节油量非常小，此时比例换向阀的开口度很小，阀芯接近中间位置，极易受到机械振动与油液的清洁度等因素的影响，工作不稳定，因此主油缸无杆腔的压力不断变化，使阀两端的  P 不能保持恒定，这样就造成了钻进岩石层时进给不稳定现象。

　　为了使钻机能适应各种地层结构，需要得到一个稳定可调，尽量不随压力变化，且最小输出流量接近0 的液压系统。若直接调节节流阀或比例阀，得到的小流量会受到调节阀本身性能、负载压力变化、油温变化和油液的清洁度等影响而变得不稳定。尤其油液的清洁度对流量影响最大。在调节阀开口度很小时，非常容易堵塞。因此采用流量阀或比例阀直接控制油缸输出流量的方案，都无法实现连续稳定的工作要求，必须采用其他方法控制钻进速度，并方便操作调整。