旋挖钻机自动加压技术研究

旋挖钻机自动加压技术研究
刘娜;王转来
【摘要】旋挖钻机工作过程中,加压力的大小直接影响动力头输出的扭矩值,从而影响施工效率.该研究设计了一种自动加压技术,并对该技术的工作原理、实施方法及试验验证进行了详细的介绍和分析.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】3页(P101-103)
【关键词】旋挖钻机;自动加压;匹配
【作者】刘娜;王转来
【作者单位】徐州徐工基础工程机械有限公司,江苏徐州221004;徐州徐工基础工程机械有限公司,江苏徐州221004
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.7
引言
技术的进步使得人们对工程机械在施工过程中操作的简易型和舒适性提出了更高的要求。

在进行道路交通和高层建筑的基础施工时，旋挖钻机是必不可少的设备。

旋挖钻机工作过程中，加压力的大小直接影响动力头输出的扭矩值，从而影响钻头对地层的切削力，适宜的切削力能够实现对地层的高效切削和钻进，因此加压力的
选择是否合适对旋挖钻机的施工效率有很大的影响。

现存的大部分设计方案中，加压力的大小完全由机手不断往复推拉手柄控制换向阀的阀口开度来实现，因此现有加压控制存在如下不足:
(1) 不易控制。

机手只能操作手柄控制比例换向阀的流量，无法实现对加压力的比例输出。

因此在工作过程中，操作者很难把加压缸进给与动力头旋转有机地配合起来；
(2) 操作复杂。

针对不同的地层机手要采取不同的加压方式来配合动力头的工作，如持续加压、点加压、间断式持续加压、持续加压后点加压等等。

这对机手的技能和经验提出了更高的要求，而且操作的复杂性容易使机手疲劳，存在安全隐患。

目前，关于施工过程加压力控制的研究主要从施工安全性考虑。

通过压力传感器与角度传感器实施检测动力头压力和旋挖钻机动臂角度值，根据预设的数值关系通过控制器进行处理。

从而实现在不同的动臂角度下，控制该状态下的最大加压力，避免因加压压力过大导致钻杆变形的问题，从而可提高旋挖钻机的工作稳定性。

1 功能介绍
针对以上问题，为了简化操作，进一步提高钻机的可操作性，我们研发了加压缸自动加压功能。

通过实时检测动力头马达的工作压力,将压力信号送入PLC控制器，按照控制器中预存的不同模式下的加压控制算法对加压缸压力进行自动调节,以实现动力头恒定扭矩的输出。

控制流程如图1所示。

图1 控制流程图
2 系统原理
如图2所示，此自动加压系统包含两个子系统。

子系统一为加压系统，动力源为泵1，通过多路阀1控制加压缸的加压与提升动作。

在负载反馈油路接有电比例溢流阀，用以调整加压系统溢流压力。

子系统二为动力头旋转系统，动力源为泵2，通过多路阀2控制动力头马达的旋转动作。

在压力管路上接有压力传感器，实时
检测动力头马达工作压力。

1.压力传感器
2.动力头马达
3.加压油缸
4.平衡阀
5.多路阀1
6.电比例溢流阀
7.泵1
8.泵2
9.油箱 10.多路阀2图2 系统原理
3 控制原理
该技术的控制核心在于如何合理匹配动力头扭矩和加压压力的关系。

以硬岩施工为例，加压压力过小，钻头切削力不足，动力头空转无法钻进；加压力过大，动力头转速较慢甚至停转，影响施工效率；加压力不稳定，动力头转速波动较大，容易产生压力冲击，降低马达寿命。

该研究通过检测动力头工作压力判断动力头输出扭矩的状态，当输出扭矩小于设定值时，判定加压力偏小，PLC控制器调整电比例溢流阀的电流，增大加压力。

当
输出扭矩大于设定值时，判定加压力偏大，PLC控制器调整电比例溢流阀的电流，减小加压力。

由于不同地层的扭矩设定值不同，所以在实际试验中将动力头工作模式设定为三档，针对不同地层选择不同档位，在每段档位里分别实现加压的自动控制。

4 实施过程及方法
4.1 连接管路
将电比例溢流阀P口联接多路阀5下端面加压联下方， LS反馈油口，位于加压联二次溢流阀侧。

4.2 测试记录电比例溢流阀电流/压力曲线(见图3)
图3 电比例溢流阀性能曲线
执行加压动作，加压缸憋压。

经实况测试，电流的有效范围为90～300 mA，对
应的压力区间为2.2～10.5 MPa。

压力流量曲线如下：
4.3 确定控制加压压力区间
测试并记录加压缸空载压力，测试状态：换向阀阀口开度最大，油缸全速。

测试数据：提升20 MPa，下放6.5 MPa。

将加压压力控制下限定为6.5 MPa。

4.4 连接电气元件
动力头阀块测压口接压力传感器，预先编写的控制程序载入PLC控制器，在显示器中选择自动加压模式，动力头工作模式：
高速模式(动力头压力设定15 MPa,自动加压)；
普通模式(动力头压力设定22 MPa,自动加压)；
入岩模式(动力头压力设定280 MPa,自动加压)。

不同模式中提到的动力头压力设定值由设定扭矩计算所得，针对不同吨位的旋挖钻机，设定扭矩不同。

4.5 控制方法
检测动力头压力，加压缸自动压力自动调节。

通过压力传感器检测动力头压力，将压力信号反馈给控制器，与每种模式下动力头压力的设定值进行比较，当动力头实测压力小于程序设定值时，增大加压力，反之减小加压力(加压缸压力由PLC控制器发出信号，通过电流控制电比例溢流阀的溢流压力来调节)，以实现动力头恒定的扭矩输出，达到平稳钻进，保护钻具的目的。

此功能操作简单，施工效率高，特别适用于岩石地层。

5 打孔试验
试验机型：XR360旋挖钻机。

钻具配置、1.2 m截齿钻头、机锁杆。

试验地层：强风化岩。

(1) 非自动加压模式,记录机手操作动力头压力与加压压力的比例关系。

施工效率为5 m/h。

(2) 采用自动加压模式，机手操作加压手柄始终在最大角度，不做任何人为控制。

记录动力头压力与加压压力的比例关系，图4为测试曲线。

图4 自动加压测试曲线
图中上部为加压压力曲线，下部为动力头工作压力曲线。

分析该数据曲线可看出，加压压力可随动力头工作压力自动进行适应性调整，例如在10 s和30 s的时间拐点，动力头压力增大，加压力自适应的进行减小匹配；在60 s的时间拐点，动力头压力减小，加压力自适应的进行增大匹配。

施工效率为6 m/h，较非自动加压模式效率提升20%。

由于钻头及试验场地地质情况所限，动力头施工的压力变化的空间略小。

6 结论
(1) 加压压力可随动力头压力的变化而实现压力自动调节，二者的合理匹配可实现施工效率的提升，同时对机手的操作要求简单。

(2) 不同地层、同一地层的不同深度，需要的切削力均不同。

钻头的大小，斗齿的长短、角度，也会造成对加压力造成一定的影响。

每种模式下动力头的设定压力需要由更多的试验来确定，以增强对工况的适应性。

(3) 后续研究方向可增加动力头转速参数，作为判断、调节的参考依据，使加压力控制响应时间更短，匹配更加优化。

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