某深孔岩心钻机顶驱液压系统的设计和分析
|
摘要
岩心钻探是地质勘查过程中不可或缺的重要环节，岩心钻机是钻探施工中的核心装备。全液压动力头式钻机正在成为钻机发展的主要机型，而目前国内对于大口径的深孔钻探设备的研究较少。本文依托于国家某深孔科学钻探项目中的子课题“深孔钻探设备的研究”，基于此项目的施工条件、钻探工艺和对取心质量的要求，对该设备顶驱的液压系统进行了设计和分析。
论文主要由以下部分组成：
1、叙述了钻机顶驱的主要功能，确定了顶驱的主要参数，为顶驱液压系统的设计提供了依据。通过对液压回路中速度控制回路方式的对比，确定选用变量泵—变量马达的组合方式，设计了顶驱液压系统。
2、根据系统要实现的要求，计算了系统中元件的参数应满足的条件。
3、分析了两种负载敏感液压系统的原理和优缺点，选择了具有负载敏感的液压元件，并对所选液压元件的压力补偿原理、自动控制原理等进行了叙述，以上述计算参数为依据，结合所需的控制要求，合理选择了液压元件。
4、通过仿真软件MATLAB/Simulink分析了液压油路中泵和马达的工作稳定性，对液压系统设计的合理性提供了验证。
本文提出电动机恒速+变量泵+变量马达的动力头调速方式，泵和马达排量的变化以负载压力变化为依据，实现了大范围内输出转速的无极调速，并采用LUDV负载敏感系统以适用于钻机的复合动作，使液压系统的性能达到较好的状态，驱动泵的电动机功率利用率、液压系统效率和钻机的工作效率也较高。
Core drilling is an indispensable part in the process of geological survey, core drillingrig is the important equipment for drilling. Hydraulic core drilling rig has become themajor model, but the research on drilling rig for deep hole is less in domestic area.This thesis relies on the sub-topic research which studies on hydraulic core drilling fordeep hole, national project of deep drilling for scientific research. Based onconstructive conditions, drilling technololgy and reqirements for core’s quality,make a design of hydraulic system and analyse it.
The thesis consists four parts as followings:
1、Determine main parameters of top drive head though describing main functions ofit, provide evidents for hydraulic system design. Compared with the other speedcontroling methods, make the combination of variable pump-variable motor as thehydraulic loop to control rotating speed.
2、According to requirements of the system,calculate parameters of hydrauliccomponents.
3、Discribe the principles and analyse advantages and disadvantages of two loadsensing hydraulic systems, combined the requirements of controling and based ondata, make a reasonable choice to select components which have load sensitiveability.
4、Use the MATLAB/Simulink to simulate the system,give a reasonable evidents forthe design though simulate and analysis the stability of hydraulic system.In this thesis,make speed controling method which make of variable pump haselectro-hydraulic control with proportional solenoid (EP) and EP variable motor,thechange of the displacements links with loading pressure,make sure the system cansupply a large range of rotary speed stepless, adapt to system of loading pressure independent flow distribution to suit for the motions. Hydraulic system’s performanceget better, the power of the pump is efficient, the work efficiency also get higher.
论文主要由以下部分组成：
1、叙述了钻机顶驱的主要功能，确定了顶驱的主要参数，为顶驱液压系统的设计提供了依据。通过对液压回路中速度控制回路方式的对比，确定选用变量泵—变量马达的组合方式，设计了顶驱液压系统。
2、根据系统要实现的要求，计算了系统中元件的参数应满足的条件。
3、分析了两种负载敏感液压系统的原理和优缺点，选择了具有负载敏感的液压元件，并对所选液压元件的压力补偿原理、自动控制原理等进行了叙述，以上述计算参数为依据，结合所需的控制要求，合理选择了液压元件。
4、通过仿真软件MATLAB/Simulink分析了液压油路中泵和马达的工作稳定性，对液压系统设计的合理性提供了验证。
本文提出电动机恒速+变量泵+变量马达的动力头调速方式，泵和马达排量的变化以负载压力变化为依据，实现了大范围内输出转速的无极调速，并采用LUDV负载敏感系统以适用于钻机的复合动作，使液压系统的性能达到较好的状态，驱动泵的电动机功率利用率、液压系统效率和钻机的工作效率也较高。
Core drilling is an indispensable part in the process of geological survey, core drillingrig is the important equipment for drilling. Hydraulic core drilling rig has become themajor model, but the research on drilling rig for deep hole is less in domestic area.This thesis relies on the sub-topic research which studies on hydraulic core drilling fordeep hole, national project of deep drilling for scientific research. Based onconstructive conditions, drilling technololgy and reqirements for core’s quality,make a design of hydraulic system and analyse it.
The thesis consists four parts as followings:
1、Determine main parameters of top drive head though describing main functions ofit, provide evidents for hydraulic system design. Compared with the other speedcontroling methods, make the combination of variable pump-variable motor as thehydraulic loop to control rotating speed.
2、According to requirements of the system,calculate parameters of hydrauliccomponents.
3、Discribe the principles and analyse advantages and disadvantages of two loadsensing hydraulic systems, combined the requirements of controling and based ondata, make a reasonable choice to select components which have load sensitiveability.
4、Use the MATLAB/Simulink to simulate the system,give a reasonable evidents forthe design though simulate and analysis the stability of hydraulic system.In this thesis,make speed controling method which make of variable pump haselectro-hydraulic control with proportional solenoid (EP) and EP variable motor,thechange of the displacements links with loading pressure,make sure the system cansupply a large range of rotary speed stepless, adapt to system of loading pressure independent flow distribution to suit for the motions. Hydraulic system’s performanceget better, the power of the pump is efficient, the work efficiency also get higher.
引文
Automatic feed and rotational speed control system of a hydraulic motoroperated drill,SO:Patent Numer4271914
Benjamin C,Kuo,cDuane C.Hanselman,analysis and design.Prentice Hall,Matlabtools for control system1994:157-168
Bowns D E,Tom linson S P,Hull SR.Application of an Hydraulic AutomaticSimulation Package to the Design of Fluid Systems, Proceedings of BeijingInternational Fluid Power Symposium,1984(1):1-23
Duqiang Wu.Modeling and experimental evaluation of a load-sensing andpressure compensated hydraulic system,Ph.D Thesis,University ofSaskatchewan,Canada,2003.6
He Qinghua “Analysis of hyfraulic power sources disposition and energyconsumption for hydraulic drill rig”,120-126.
Imanishi,Etsujiro,Nanjo,Takao,Hiroka,Eiko.Dynamic simulation offlexiblemultibody system with the hydraulic drive[J].Nippon Kikai GakkaiRonbunshuC.2003,254(69):29-37
Jianwei Cao.Linyi Gu,Switchmode Hydraulic Power Supply Theory[J]。FluidPower Systems and Technologu.2005(11)
Joshua D. Zimmerman. Matteo Pelosi.Energu Consumption of an LS ExcavatorHydraulic System[J].Design,Analysis,Control and Diagnosis of Fluid PowerSystem.2007(4)
Lantto,B.,Palmberg,J.O. and Krus,P.1990.Static and Dynamic Performance ofMobile Load-sensing Systems with Two Different Types of Pressure-CompensatedValves.SAE Technical Paper Series,SAE.
Paolo Casoli,Andrea Vacca,Germano Franzoni,Simulation Modelling Practiceand Theory,Volume14,Issue8,2006,12:1059-1072
P.Kaliafetis,Th.Costopoalos,Modeling and simulation of an axial piston variabledisplacement pump with pressure control,Mech,Mach.Theory,1995.4
Qsama Gad,M. Galal Rabie,Refaat M,EI-Taher.Prediction and Improvement ofSteady-State Performance of a Power Controlled Axial Piston Pump,Journal ofDynamic systems,Measurement,and Control,ASME,2002.9
Roehrs und Th.van Hamme,Hydraulick systeme inStandard—Baggern,BMT,1987.7-8
Shearer,J.L.,T.M. Arthur,and H.H.Richardson,”Introduction to SystemDynamics”,Addison-Wesley Publishing Co.,1967
刘广志主编.金刚石钻探手册，地质出版社，2009
冯德强.钻机设计，中国地质大学出版社，1992.8
杨惠民主编.钻探设备，地质出版社，1988
张利平.液压传动系统及设计，化学工业出版社，2005
官忠范.液压传动系统，机械工业出版社，1981
左健民主编,液压与气压传动，机械工业出版社，2005
刘宪全，李效生.深孔地质岩心钻机发展方向——顶部驱动，探矿工程（岩土钻掘工程），2009增刊：29-32
张伟.关于我国地质岩心钻机发展方向的分析，探矿工程，2008.08
张爱恩，陈玉梅，李德堂，王君书，钻井平台顶驱钻机液压系统的维护，中国海洋平台，第16卷第3期：35-38
陈欠根，纪云峰，吴万荣，负载独立流量分配（LUDV）控制系统，液压与气动，2003.10
胡志坚.钻机负载自适应液压控制系统的研究，吉林大学博士学位论文，2007.4
张伟，贾军，汶川地震科学钻探二号孔取心钻进方法的选择，探矿工程，2009.7
朱恒银、刘跃进，FYD-2200型全液压动力头钻机的研制及应用.探矿工程（岩土钻掘工程），2009增刊
刘跃进，岩心钻探设备的现状与展望[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2007，（1）
朱恒银等，深部找矿中加强钻探技术工作几点认识.探矿工程（岩土钻掘工程），2007,(SI)
徐绳武.从节能看液压传动控制系统发展的三个阶段，液压气动与密封，2005（5）,21-28
成大先主编，机械设计手册.液压控制，北京：化学工业出版社，2004.1
刘振东.全液压顶驱石油钻机模型数字样机研究，中国石油大学硕士论文，2005
雷天觉，液压工程手册[M]，北京；机械工业出版社，1990
宋海涛.履带钻机负载敏感液压系统的研究，中国地质大学硕士论文，2008.5
张红彦.液压钻机节能控制系统研究，吉林大学硕士论文，2004.6
张旭，2000米全液压岩心钻机液压系统工作效率及热平衡分析，中国地质科学院硕士论文，2011.6
刘跃进，陈赤武.全液压钻机节流调速方案的选择，探矿工程（岩土钻掘工程），2005增刊
龙培，胡军科.一种全液压钻机进给系统的设计与应用,液压与气动，2007.6
力士乐液压泵中文样本，力士乐公司主编
刘仕平，毛青春，贾建涛.泵控马达调速系统单神经元PID控制参数优化的改进算法，液压气动与密封，2007.2
徐成富.负载敏感控制在掘进机液压系统中的应用，煤炭技术，2006,8:27-28
刘榛.电液比例负载敏感径向柱塞变量泵控制的研究，兰州理工大学硕士论文，2005.5
袁清鸿，肖文生，钟毅芳.顶部驱动钻进装置虚拟样机原型系统总体设计，石油机械，2004.12：:1-15
李利华，刘鹏，刘百红.浅述国外顶部驱动装置的性能与应用，石油矿场机械，2008,37（7）：30-33
李利华，刘丙瑞，刘百红.引起顶驱钻机震动的原因分析与解决方法，石油矿场机械，2007.36（7）：57-60
陈万全，王吉峰，徐润宗，陈悦军，曹丽平，李伟，机电一体化技术在TDS-9S顶驱上的应用研究，石油矿场机械，2002.31（2）：39-41
张连山.国外液压驱动石油钻机的新进展，石油机械，2000,28（2）：52-54
严汗平，卢奔.3000米型动力头钻机的恒加减压自动钻进，建筑机械，2005.3:96-98
庞海荣.全液压钻机电液比例技术的应用研究，煤炭科学岩心总院西安分院硕士论文，2003.7
王茂贵，窦廷安，石广军,变量泵及变量马达修复的试验与研究，矿山机械，1998（12）：80-82
桑月仙，闭式液压系统补油泵研究，西南交通大学硕士论文，2007.6
何国华，胡军科，液压泵和液压马达功率反馈试验台设计[J],液压与气动，2005（9）
M7阀原理图，德国力士乐公司资料
高翔宇，比例变量泵控液压马达特性研究及其CAT，沈阳工业大学硕士论文，2009.3
李帅.泵控马达闭式回路调速控制系统特性研究，浙江大学硕士论文，2010.1
Benjamin C,Kuo,cDuane C.Hanselman,analysis and design.Prentice Hall,Matlabtools for control system1994:157-168
Bowns D E,Tom linson S P,Hull SR.Application of an Hydraulic AutomaticSimulation Package to the Design of Fluid Systems, Proceedings of BeijingInternational Fluid Power Symposium,1984(1):1-23
Duqiang Wu.Modeling and experimental evaluation of a load-sensing andpressure compensated hydraulic system,Ph.D Thesis,University ofSaskatchewan,Canada,2003.6
He Qinghua “Analysis of hyfraulic power sources disposition and energyconsumption for hydraulic drill rig”,120-126.
Imanishi,Etsujiro,Nanjo,Takao,Hiroka,Eiko.Dynamic simulation offlexiblemultibody system with the hydraulic drive[J].Nippon Kikai GakkaiRonbunshuC.2003,254(69):29-37
Jianwei Cao.Linyi Gu,Switchmode Hydraulic Power Supply Theory[J]。FluidPower Systems and Technologu.2005(11)
Joshua D. Zimmerman. Matteo Pelosi.Energu Consumption of an LS ExcavatorHydraulic System[J].Design,Analysis,Control and Diagnosis of Fluid PowerSystem.2007(4)
Lantto,B.,Palmberg,J.O. and Krus,P.1990.Static and Dynamic Performance ofMobile Load-sensing Systems with Two Different Types of Pressure-CompensatedValves.SAE Technical Paper Series,SAE.
Paolo Casoli,Andrea Vacca,Germano Franzoni,Simulation Modelling Practiceand Theory,Volume14,Issue8,2006,12:1059-1072
P.Kaliafetis,Th.Costopoalos,Modeling and simulation of an axial piston variabledisplacement pump with pressure control,Mech,Mach.Theory,1995.4
Qsama Gad,M. Galal Rabie,Refaat M,EI-Taher.Prediction and Improvement ofSteady-State Performance of a Power Controlled Axial Piston Pump,Journal ofDynamic systems,Measurement,and Control,ASME,2002.9
Roehrs und Th.van Hamme,Hydraulick systeme inStandard—Baggern,BMT,1987.7-8
Shearer,J.L.,T.M. Arthur,and H.H.Richardson,”Introduction to SystemDynamics”,Addison-Wesley Publishing Co.,1967
刘广志主编.金刚石钻探手册，地质出版社，2009
冯德强.钻机设计，中国地质大学出版社，1992.8
杨惠民主编.钻探设备，地质出版社，1988
张利平.液压传动系统及设计，化学工业出版社，2005
官忠范.液压传动系统，机械工业出版社，1981
左健民主编,液压与气压传动，机械工业出版社，2005
刘宪全，李效生.深孔地质岩心钻机发展方向——顶部驱动，探矿工程（岩土钻掘工程），2009增刊：29-32
张伟.关于我国地质岩心钻机发展方向的分析，探矿工程，2008.08
张爱恩，陈玉梅，李德堂，王君书，钻井平台顶驱钻机液压系统的维护，中国海洋平台，第16卷第3期：35-38
陈欠根，纪云峰，吴万荣，负载独立流量分配（LUDV）控制系统，液压与气动，2003.10
胡志坚.钻机负载自适应液压控制系统的研究，吉林大学博士学位论文，2007.4
张伟，贾军，汶川地震科学钻探二号孔取心钻进方法的选择，探矿工程，2009.7
朱恒银、刘跃进，FYD-2200型全液压动力头钻机的研制及应用.探矿工程（岩土钻掘工程），2009增刊
刘跃进，岩心钻探设备的现状与展望[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2007，（1）
朱恒银等，深部找矿中加强钻探技术工作几点认识.探矿工程（岩土钻掘工程），2007,(SI)
徐绳武.从节能看液压传动控制系统发展的三个阶段，液压气动与密封，2005（5）,21-28
成大先主编，机械设计手册.液压控制，北京：化学工业出版社，2004.1
刘振东.全液压顶驱石油钻机模型数字样机研究，中国石油大学硕士论文，2005
雷天觉，液压工程手册[M]，北京；机械工业出版社，1990
宋海涛.履带钻机负载敏感液压系统的研究，中国地质大学硕士论文，2008.5
张红彦.液压钻机节能控制系统研究，吉林大学硕士论文，2004.6
张旭，2000米全液压岩心钻机液压系统工作效率及热平衡分析，中国地质科学院硕士论文，2011.6
刘跃进，陈赤武.全液压钻机节流调速方案的选择，探矿工程（岩土钻掘工程），2005增刊
龙培，胡军科.一种全液压钻机进给系统的设计与应用,液压与气动，2007.6
力士乐液压泵中文样本，力士乐公司主编
刘仕平，毛青春，贾建涛.泵控马达调速系统单神经元PID控制参数优化的改进算法，液压气动与密封，2007.2
徐成富.负载敏感控制在掘进机液压系统中的应用，煤炭技术，2006,8:27-28
刘榛.电液比例负载敏感径向柱塞变量泵控制的研究，兰州理工大学硕士论文，2005.5
袁清鸿，肖文生，钟毅芳.顶部驱动钻进装置虚拟样机原型系统总体设计，石油机械，2004.12：:1-15
李利华，刘鹏，刘百红.浅述国外顶部驱动装置的性能与应用，石油矿场机械，2008,37（7）：30-33
李利华，刘丙瑞，刘百红.引起顶驱钻机震动的原因分析与解决方法，石油矿场机械，2007.36（7）：57-60
陈万全，王吉峰，徐润宗，陈悦军，曹丽平，李伟，机电一体化技术在TDS-9S顶驱上的应用研究，石油矿场机械，2002.31（2）：39-41
张连山.国外液压驱动石油钻机的新进展，石油机械，2000,28（2）：52-54
严汗平，卢奔.3000米型动力头钻机的恒加减压自动钻进，建筑机械，2005.3:96-98
庞海荣.全液压钻机电液比例技术的应用研究，煤炭科学岩心总院西安分院硕士论文，2003.7
王茂贵，窦廷安，石广军,变量泵及变量马达修复的试验与研究，矿山机械，1998（12）：80-82
桑月仙，闭式液压系统补油泵研究，西南交通大学硕士论文，2007.6
何国华，胡军科，液压泵和液压马达功率反馈试验台设计[J],液压与气动，2005（9）
M7阀原理图，德国力士乐公司资料
高翔宇，比例变量泵控液压马达特性研究及其CAT，沈阳工业大学硕士论文，2009.3
李帅.泵控马达闭式回路调速控制系统特性研究，浙江大学硕士论文，2010.1