大粒径卵砾石层旋挖钻机液压系统工况分析

采用美国某公司生产的Ｐｈｏｅｎｉｘ能谱仪（ＥＤＡｘ）， 作为扫描电子显微镜的附件配置有ＪＳＭ．５６１０Ｌｖ型扫
面电子显微镜。砂卵石地层化学成分的定量和定性分
收稿日期：２０１３一１０－２４ 作者简介：李秀磊（１９８８一），男，山东滨州人，硕士研究生，主 要研究方向为液压传动控制。
根据施工勘察得出典型工点的探井不同深度处的 卵砾石强度，经统计分析，卵砾石平均单轴抗压强度为
旋挖钻机施工事故。
关键词：大粒径卵砾石层；旋挖钻机；液压系统；钻进施工
中图分类号：Ｔｍ３８
文献标志码：Ｂ
文章编号：１０００４８５８（２０１４）０４．００７０旬３
Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒｏｔａｒｙ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｉｇ ｉｎ Ｌａｒｇｅ
Ｄｉ锄ｅｔｅｒ
Ｇｒａｖｅｌ Ｌａｙｅｒ
１一
△ｐ田。
式中：卸为动力头马达的进、回油腔的压差；田。为液
２０
压马达的机械效率。 马达在最大排量时的转速最小，即：
ｎ
ｎＩｉｎ＝ｉｌｉ２，ｌ
Ⅱ
很坚固
片岩，较坚固的石英岩，最坚固的 砂岩和石灰岩。 致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石
１５
式中：乃为钻头转速； 输出最大扭矩时泵的排量为：
Ⅲ
坚固
灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚 固的铁矿石。
本文链接：/Periodical_yyyqd201404018.aspx
１大粒径砾石地层分析
岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头
破碎它的能力，采用微钻法确定可钻性级别蚝，即
七ｄ＝Ｉ０９２￡
在自然界中，所有以漂石（块石，粒径大于２００ ｍｍ）、卵石（碎石，粒径大于２０ ｍｍ）、圆石（角砾，粒径 大于２ ｍｍ）为主要成分，含有砂土及少量粘性土粒的
粗碎屑堆积物，广义上统称为砂卵石。 式中：￡为平均钻时。
４施工建议
［２］王积伟，章宏甲，黄谊．液压传动［Ｍ］．北京：机械工程出 版社，２００７． ［３］高炳天．工程机械液压控制系统的技术分析［Ｊ］．液压与 气动，２０１２，（５）：１１０—１１２． ［４］ 何清华．旋挖钻机研究与设计［Ｍ］．长沙：中南大学出版 社，２０１２． ［５］宋海涛．履带钻机负载敏感液压系统的研究［Ｄ］．北京： 中国地质大学，２００８． ［６］娄磊，马宏远，陈君辉．模糊控制在旋挖钻机桅杆油缸同 步控制上的应用［Ｊ］．液压与气动，２０１３，（６）：８１—８３．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：‘１１ｌｅ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉＵｉｎｇ ｒｉｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｌａｙｅｒ ｈａｓ ａｒｒｉｖｅｄ ａ铲ｅｅｔ ｌｅｖｅｌ，ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｉｎｓｕ伍ｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌａＩｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｇｒａＶｅｌ ｌａｙｅｒ．Ｆｏｃｕｓｉｎｇ
１２３．１２
ＭＰａ，最大单轴抗压强度为２１２．２５ ＭＰａ，最小
６４．５９ ＭＰａ。
岩石的坚固性系数反映在组合作用下岩石被破碎
万方数据
２０１４年第４期
析如图１所示。
表ｌ按坚固性系数对岩石可钻性分级表 岩石 级别
Ｉ
液压与气动 和齿轮传动的机械效率。
马达排量为：
７１
坚硬 程度 最坚固
２１Ｔｋ
ｆ
代表性岩石 最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄 武岩和其他特别坚固的岩石。 很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质
ｗｅ ｂｕｉｌｄ
ａ ｏｎ
ｔｈｅ ｌａ唱ｅ
ｄｉ啪ｅｔｅｒ
ｇｒａｖｅｌ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｎ ｔｏＩｑｕｅ ｏｆ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｌｏａｄｉｎｇ，
ａ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ
ｔｏ
ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂ ｆｏｒ ｐｍｖｉｄｉｎｇ
２旋挖钻机动力头分析
图２砾石层工况模型
３．２参数设置 搭建好旋挖机的模型，设置好子模型后，在 ＡＭＥＳｉｍ环境参数设置中各部分元件和子模型设置参 数：柱塞泵的转速为２１００ ｒ／ｍｉｎ；柱塞泵的最大排量为
１９０ ０．１ １００ １００
旋挖钻机钻井作业时，钻具在孔底掘削作业，在钻 具自重和加压作用下一边回转切削土体，一边装载，钻 杆和钻具及钻具装载的钻渣在泥浆内回转，要克服的 阻力矩靠动力头所产生的扭矩克服，动力头马达（双 马达动力头）扭矩为：
ｆ／Ｓ
图３变阶跃负载的曲线
图６泵的流量曲线
当旋挖机工作在大粒径砾石层时，钻头负载处于 阶跃状态，钻头收到的扭矩通过减速器和齿轮传递给 动力头液压马达，导致马达转速改变，旋挖机动力头马 达的进油口压力和进油口流量也会随着变化，马达的 进油口压力如图４所示。
无法进行，可基本确定钻进过程中遇到了粒径较大的 卵砾石或者卵漂石，应该改为强制加压继续钻进，如果 强制加压后钻杆反弹上浮，仍无法钻进，应该提出钻头 （切忌继续强制加压，否则容易导致钻齿崩掉），若钻 斗里面只有少量卵漂石碎块，应该及时选用环状钻岩 专用钻斗，必要时选择潜孔锤钻进。
Ｌ／ｒｅｖ；管道内径为２５姗；负载敏感阀阀芯质量为
ｋｇ，弹簧刚度设定为１００
Ｎ／—砌，初始弹簧力设为
ｋ＝赤
Ｎ；柱塞泵液压缸的直径为１０ ｍｍ，弹簧刚度设为 Ｎ／ｍｍ，初始弹簧力设为１５０ Ｎ；动力头减速器传动
比为２１．８；齿轮传动比为５．２１；动力头的工作压力设定
为３０ ＭＰａ；溢流阀开启压力为３５０ ｂ盯；其余参数设为默
ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
ｔｏ
ｒｅｄｕｃｅ
ｔｈｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｇｒａＶｅｌ ｌａｙｅｒ，ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔｎｌｃｔｉｏｎ
引言
难易程度的指标比较贴近生产实际情况，即： 旋挖钻机在卵石含量低、粒径较小的无水砂卵石
负载阶跃变化，钻头扭矩也随之变化，通过减速器 和齿轮传递给动力头液压马达，马达转速随负载变化， 马达转速的变化改变马达的流量，尤其是从最小负载 变化到最大负载的时候，如图５所示。 旋挖机动力头马达进、出油口压力和马达流量随 着负载的变化而变化，液压泵的出口压力和流量也会 随之变化，液压泵的流量如图６所示。
Ｕ Ｘｉｕ—ｌｅｉ，ＺＨＡＯ Ｙｕ－ｂｅｉ，ＬＩ Ｈｏｎｇ—ｙｕａｎ，ＬＩ Ｍｉｎｇ—ｆｅｉ，ＬＩ Ｓｈｅｎ—ｑｉ，ＬＩ Ｓｈｕａｉ （Ｓｃｈｏｏｌ“Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｅｌｅｃｌｍｎｉｃ＆Ｉｎｆ０ＨＩｌａｔｉｏｎ
Ｅｎ矛ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３）
ｋＮ
・ｍ的负载信号，第５ ｓ到第７ ｓ加一个３３０ ｋＮ・ｍ的 负载信号，第７ ｓ到第９ ｓ加１８０ ｋＮ・ｍ的负载信号，９ 到１１ ｓ加一个３３０ ｋＮ・ｍ的负载信号，第１１到１４
ｓ
负载由１８０ ｋＮБайду номын сангаасｍ阶跃到６９０ ｋＮ・ｍ，加载曲线如图 ３所示。
∥ｓ
图５马达流量曲线
； 挈
Ｓ
伽粥撕狲抛渤瑚；謇姒骞｜
／＝盯。／１０
地层施工与研究中积累了一定的经验，但是对大粒径
卵砾石地层掘进技术的研究相当匮乏，施工单位面临
式中：盯，为岩石的单轴抗压强度，ＭＰａ。 大粒径卵砾石的坚固系数高达ｌｏ级以上，岩石的
坚固性系数如表１所示。
的一大难题是如何根据给定的设备，通过技术改进、施 工过程的改善来提升既有设备的地层适应性能力。
７０
液压与气动
２０１４年第４期
ｄｏｉ：１０．１１８３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—４８５８．２０１４．０４．０１８
大粒径卵砾石层旋挖钻机液压系统工况分析
李秀磊，赵玉贝，李宏远，李明飞，李神奇，李帅
（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京１０００８３）
摘要：旋挖钻机在普通地层施工和研究都达到了一定的水平，但是施工单位对大粒径卵砾石地层的掘 进研究非常欠缺。通过对大粒径卵砾石地层的特性和负载敏感型旋挖钻机工作时钻头扭矩进行分析，并建 立仿真模型，在实验室内研究大粒径卵砾石层的钻进施工方法，为相关地层的施工提供理论参考，有效减少
当旋挖机动力头马达的进油口的压力和马达的流
量，及泵的流量出现上述现象时，采用钻机自动加压已
万方数据
大粒径卵砾石层旋挖钻机液压系统工况分析
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 李秀磊， 赵玉贝， 李宏远， 李明飞， 李神奇， 李帅， LI Xiu-lei， ZHAO Yu-bei， LI Hong-yuan ， LI Ming-fei， LI Shen-qi， LI Shuai 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京,100083 液压与气动 Chinese Hydraulics & Pneumatics 2014(4)
２．００
４．００
６．ＯＯ
８ ００
１０ ００
１２ ＯＯ
１４ ００
图１砂卵石地层化学成分分析
分析结果表明卵砾石层地层颗粒中石英矿物富 集，并且该地层基本结构松散、无胶结，卵砾石含量及 强度高，粒径大且分布不均，卵砾石空隙多被中、粗砾 填充，旋挖机在该类地层中掘进时，作用于旋挖钻头上 的扭矩变化频繁，并且波动剧烈，不但对液压系统造成 伤害，而且施工难度也大大增加。
１０
Ｑ一＝舞‰
式中：Ｑ一为泵的最大排量；△ｐ。为泵的起调压力。 ３液压系统模型的建立
３．１液压系统模型
Ⅲａ
坚固 比较坚固
坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云 岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。
８
Ⅳ
一般得砂岩、铁矿石。
６
负载敏感旋挖机的液压主要部件为柱塞变量泵和 动力头变量马达组成，柱塞泵的排量取决于变量马达 出油口的流量，马达出油口的流量取决于负载的变化 情况。在ＡＭＥＳｉＩｎ软件中搭建负载敏感旋挖机模型， 如图２所示。