救援车载钻机平衡调速系统动态特性研究.pdf
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1、209.移动扫码阅读drilling rigJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):209-215.LU Feifei.Study on dynamic characteristics of balance speed regulation system of rescue truck mounted鲁飞飞.救援车载钻机平衡调速系统动态特性研究54(8):209-215Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.028救援车载钻机平衡调速
2、系统动态特性研究鲁飞飞1,2(1.煤炭科学研究总院,北京10 0 0 13;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安7 10 0 7 7)摘要:平衡阀具有较好的负载保持功能和管路爆裂或严重泄漏阻止移动载荷的失控发生的优点。然而在救援车载钻机给进起拔系统使用时,由于救援车载钻机配套钻具重量大,平衡系统的合理匹配是设计难题。提出了采用平衡调速系统加强制补油系统方案,平衡调速系统实现提升下放速度平稳可控,强制补油可有效防止吸空情况,提高给进系统使用的安全和寿命;通过理论分析过平衡液压系统,建立系统动态模型,基于该模型,动态分析过平衡系统的压力流量特性,重点分析平衡阀参数对给进起拔系统动态特性
3、的影响,并提出了过平衡系统参数匹配方法;通过台架试验对理论分析结果进行验证。结果表明:钻具质量对常规平衡系统输出有较大影响,在钻机给进起拔系统中设置过平衡调速系统,并合理匹配过平衡参数,可实现给进起拔系统的输出稳定性,同时避免吸空及速度失控的问题,关键词:救援车载钻机;给进系统;平衡调速;起拔系统动态特性;加强制补油系统中图分类号:TD41文献标志码:B文章编号:10 0 3-49 6 X(2023)08-0209-07Study on dynamic characteristics of balance speed regulation system ofrescue truck mount
4、ed drilling rigLU Feifeil,2(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.China Coal Technology and Engineering GroupXian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:The balance valve has the advantages of good load holding function and pipeline burst or serious leakage to
5、prevent theuncontrolled occurrence of moving load.However,when the rescue truck mounted drilling rig is used for the lfting system,due tothe large weight of the supporting drilling tools of the rescue drilling rig,the reasonable matching of the balance system is adesign problem.In this paper,the sch
6、eme of balanced speed regulation system plus forced oil replenishment system is proposed.The balanced speed regulation system realizes the stable and controllable lowering speed.Forced oil replenishment can effectivelyprevent air suction and improve the safety and service life of the feeding system.
7、The overbalanced hydraulic system is analyzedtheoretically,and then the system dynamic model is established.Based on this model,the pressure and flow characteristics of theoverbalance system are dynamically analyzed,the influence of the parameters of the balance valve on the dynamic characteristicso
8、f the feed and pull-out system is emphatically analyzed,and the parameter matching method of the overbalance system isproposed.The theoretical analysis results are verified by bench test.The results show that the weight of drilling tools has a greatimpact on the output of the conventional balance sy
9、stem.Setting the over balance speed regulation system in the feed and pull-out system of the drilling rig and reasonably matching the over balance parameters can realize the output stability of the feed andpull-out system and avoid the problems of air suction and out of control of speed.收稿日期:2 0 2 2
10、-0 9-0 9责任编辑:李力欣基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 18 YFC0808203)作者简介:鲁飞飞(19 8 7 一),男,陕西宝鸡人,副研究员,博士研究生,研究方向为钻探技术与装备。E-mail:l u f e i f e i c c t e g x i a n.c o m:210Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷Key words:rescue vehicle mounted drlling rig;feed system;balanced speed regulation;dynami
11、c characteristics of lifting system;strengthening oil replenishment system救援车载钻机是实施地面钻孔救援的键装备,给进起拔系统作为救援车载钻机的核心组成,其系统设计的优劣直接影响的救援的效率以及施工的安全性1I-3。由于救援钻孔口径相对较大,对钻机施工能力提出了较高的要求。钻机能力提升的同时意味着钻机自重及钻具质量的增加,提升下放钻具过程中,施加于给进起拔系统的外负载较大,考虑到钻机使用安全性,需要在给进油缸无杆腔增加平衡阀以平衡外负载,同时能够有效防止泄漏、爆管情况下,给进起拔系统下坠造成的安全事故。然而由于救援钻孔使
12、用的钻具质量较大,常规平衡系统在使用中存在提升下放钻具失稳钻机液压系容易吸空,影响系统使用寿命。相关学者已经对平衡系统进行了不少的研究。许路等 4 对平衡阀举升平衡回路稳定性影响进行了分析,分析了平衡阀结构参数对液压系统稳定性的影响;段惠玲等 5 通过详细阐述流量控制型平衡阀的特性及控制功能,研究了液压启闭机液压系统中平衡阀的设计理念及设计特点;赵锦园等 6 分析了FD平衡阀主阀芯运动阻尼系数、主阀芯弹簧刚度和先导阻尼塞处阻尼孔过流直径对系统动态特性的影响。目前对平衡系统的研究主要集中在起重设备正负载,由于救援车载钻机给进系统与起重设备工况有较大差异,缺乏对动载作用下救援车载钻机给进平衡系统参
13、数匹配相关研究。综上,为解决救援车载钻机负载提升下放钻具工况下,给进速度失稳、吸空问题,采用液压系统计算机仿真技术,建立系统模型,得到系统动态输出特性,重点分析平衡调速系统与给进系统参数匹配;通过理论分析与仿真结合,提出了过平衡系统参数匹配方法;并通过试验对其合理性进行了验证;解决了大质量钻具提升下放稳定性控制问题,提高了系统使用安全性及可靠性。1常规平衡给进系统工作原理与数学模型1.1常规平衡给进系统工作原理常规平衡给进系统原理图如图1。救援车载钻机给进系统执行机构为2 个大直径油缸,由于救援钻孔要求钻机提升力较大,因此油缸无杆腔进油,缸杆伸出,此时为提升钻具状态,油缸有杆腔进油,缸杆缩回,
14、此时为下放钻具状态。系给进油缸多路阀平衡阀泵柴油机MX图1营常规平衡给进系统原理图Fig.1Schematic diagram of conventional balancedfeed system统工作时,柴油机驱动液压泵为系统提供高压油源,多路阀2 个油口(A口、B口)分别与给进油缸有杆腔及无杆腔连接,受钻机给进油缸缸杆比影响,油缸伸出流量需求较大,而下放过程中要求流量较小,且由于给进系统在下放钻具过程中需要平衡自重,在油缸无杆腔设有平衡阀,在下放过程中,无杆腔需要一定的背压,同时油缸有杆腔压力大于平衡阀设定先导压力时,平衡阀打开。为防止下放过程中,下放速度失稳,需要合理匹配平衡阀参数。在
15、下放过程钻具过中,在油缸无杆腔建立背压以平衡钻机及钻具自重,当钻具质量较大时,系统供给油缸无杆腔的油液不足时,无杆腔压力减小,直至小于平衡阀设定开启压力时,平衡阀闭合,可防止动力头下降速度过快,同时起到防止管路爆裂安全保护的作用 2 。1.2常规平衡给进系统数学模型工推拉力FL为 7 :给进油缸推拉力F为 7 :FL=PiAi-P2A2+V.s/u(1)式中:P1为无杆腔压力,MPa;p2为有杆腔压力,MPa;A,为无杆腔面积,mm;A2为有杆腔面积,mm;v为摩擦阻尼系数;s为油缸的位移,mm;为运动黏性系数。忽略泥浆浮力可得给进油缸的负载F为:Fp=G1+nG2+G3-fi(2)式中:Gi
16、为给进及动力头重力,N;G2为单根钻杆重力,N;G3为钻具重力,N;n 为钻杆数;fi为孔壁摩擦力,N。油缸动平衡时Fi=Fr,所以将式(1)代人式(2)211SafetyinCoalMines2023年8 月Aug.2023Vol.54煤矿发全No.8第8 期第54卷可得,给进油缸动平衡状态无杆腔压力 7 :P1=Gi+nG2+G3-fi+p2A2-vs/u(3)A平衡阀的流量可根据薄壁孔压力流量公式计算,平衡阀的流量gs为 8 :2qs(4)P式中:C.为流量系数;A为孔口通流面积,mm;p为流液密度,g/cm;pin为阀入口压力,MPa;Paut为阀出口压力,MPa。由于平衡阀进油口直接
17、与油缸无杆腔连接,回油口直接与油箱连接,可简化式(4)如式(5):2q.=CqA1-P1(5)忽略黏性阻尼可得平衡阀阀芯的平衡方程9:PFAF=PmA2+k(xo+x)(6)式中:Pm为先导口控制压力,MPa;Am为先导口阀芯截面积,mm;Pm为弹簧腔压力,MPa;A2为弹簧腔阀芯截面积,mm;xo为弹簧预压缩量,mm;x为弹簧在先导压力下压缩量,mm;k为弹簧弹性系数。由于平衡阀弹簧腔直接与油箱连接,可近似为0,故简计算阀芯位移如式(7):x=-PrR-x0(7)计算平衡阀通流截面积如式(8):A=2Rx=2T?RpFI-2TRx0(8)K式中:R为平衡阀阀芯半径,mm。将式(6)、式(7)
18、、式(8)代人式(5),可得平衡阀的压力流量 10 :9:=C2T?Rpm-2mR012P(9)从以上数学分析可以看出,平衡阀的流量(动力头下放速度)与先导油口控制压力、钻具质量、给进装置及动力头自重、多路阀A口正相关,随着钻孔深度的增加,钻具质量在逐渐增大,即使防爆阀的先导压力及多路阀A口流量不变,动力头下降速度仍然有加快的趋势,当钻具自重较大时,会出现动力头下降速度过快的风险,而且由于A口流量相对固定,在油缸A口会出现供油不足的情况。当钻具质量较小时,防爆阀流量与A口进油不匹配,会在油缸有杆腔产生较大负载,造成动力头下放过程中负载较大,造成不必要的功率损失,因此给进系统优化应该对这几个主要
19、参数合理匹配,以确保动力头下放过程中平衡,同时尽量减小多路阀A口压力,从而达到降低空载下放能耗的目的。2常规平衡给进系统模拟常规平衡给进系统模型如图2 1-15。在不考虑管路的情况下,设定模型参数如下:泵总排量:52 0L/min;多路阀通径:2 5mm;多路阀A口流量:0250L/min;多路阀B口流量:0 2 50 L/min;油缸规格:200mm/180mm;平衡阀流量:50 0L/min;泵输人转速:18 0 0 r/min;给进装置空载质量:7.5kg。多路阀给进油缸平衡阀负载敏感泵正-WO-中图2常规平衡给进系统模型Fig.2Model of conventional balanc
20、ed feed system常规平衡空载工况油缸输出特性曲线如图3,常规平衡带载工况下油缸输出特性曲线如图4。80416一负载603-缸杆位移12无杆腔压力N/Y有杆腔压力402820400246810时间/s图3常规平衡空载工况油缸输出特性曲线Fig.3Oil cylinder output characteristic undernormal balanced no-load condition从图3可以看出:空载提升状态下,多路阀全开,5s内给进油缸伸出2.7 6 m,下放过程中,给进油缸油缸缩回2.7 6 m,所用为时间为9.8 s,在换向212SafetyinCoal MinesAu
21、g.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第54卷第8 期16804一负载缸杆位移603有杆腔压力无杆腔压力12N/4028位201400246810时间/s图4常规平衡带载工况下油缸输出特性曲线Fig.4Output characteristic of oil cylinder undernormal balanced load condition瞬间,给进油缸两腔压力有较大的波动,稳定后,无杆腔压力为3.0 MPa,有杆腔稳定后压力为3.7MPa,此时给进油缸负载为给进装置自重7 5kN,从模拟结果可以看出,在空载状态下,平衡阀能够较好地平衡给进装置自重,能够防止自重作用下快
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