自动垂直钻井导向液压系统柱塞泵驱动轮廓曲线选取及仿真

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目前课题组已开发出的自动垂直钻井工具是-种带有井下闭环系统，可以实现井下主动纠斜，保持井壁垂直，具有极高技术含量的先进钻井工具。图 1所示为导向液压系统原理图，导向液压系统是自动垂直钻井工具的核心部件，由储油皮囊、配流吸油单向阀、单柱塞液压泵、配流压油单向阀、溢流阀、电磁阀、导向液压缸组成全封闭系统。

- 图 1 导向液压系统原 理图驱动轴承将钻柱动力传递到单柱塞液压泵径向柱塞上与柱塞腔内复位弹簧叠加，推动柱塞作往复运动。

当泵柱塞外伸时，泵的容腔增大，泵腔内形成负压，打开配流吸油单向阀，从储油皮囊吸人低压液压油；当柱塞收回时，泵的容腔增大，泵腔内形成高压，推开配流压油单向阀，将高压液压油送人导向液压缸无杆腔，溢流阀设定导向液压缸无杆腔最高工作压力，也就是限定了导向活塞对井壁的最大推靠力，电磁阀的电磁铁通电与否决定液压系统是否起导向作用，当电磁铁不通电时，电磁阀将导向液压缸无杆腔与皮囊连接，液压泵输出油液直接回皮囊，导向液压缸活塞不伸出。若计算机系统检测到井眼倾斜超过限定值，按控制规则发出控制信号，给电磁阀线圈通电，则导向液压缸无杆腔与低压回路切断，导向活塞在高压油作用下伸出，支撑井壁，产生导向力集中，使井眼轨迹恢复正确方向；反之，井眼轨迹倾斜程度在限定范围内，电磁阀断电，导向液压缸活塞在复位弹簧作用下收缩，导向过程结束。

本系统中液压能的供给是以液压油为工作介质，利用旋转钻铤的机械能，在近钻头处钻铤上安装偏心驱动装置及浮动套，钻铤和导向套的转速差使导向套收稿日期：2013-02-27基金项目：国家 自然科学基金项 目自动垂直钻井导向液压系统设计理论及技术”(51 175386)作者简介：毛季(1988-)，男，湖北荆门人，硕士研究生，研究方向为机电-体化及电液控制系统。

2013年第8期 液压与气动 77内嵌的液压泵的柱塞作往复运动，随着钻柱不断旋转，液压泵为纠斜液压系统提供持续不断的高压油源 J。

浮动导向套和钻柱之间必须要有相对转速差，这是液压系统单柱塞泵工作的前提。并且，相对转速差越大，单柱塞泵的输出流量越大，响应速度也越快。

导向液压系统由于安装空问和工作环境所限，选用全封闭式皮囊结构油箱，并且直接在集成块上加工凶作为吸、排油通道，由于通道直径较小，急弯和局部变径较多，可能导致液压泵吸油不充分，影响导向液压系统正常工作。吸油不充分关键原因是密封漏气和油液汽化。油液汽化发生在液压泵吸油过程中，当液压泵人口总压力克服各种阻力损失，并使油液加速运动后 ，所剩压力低于相应温度下油液的饱和蒸汽压时，便产生大量气泡。由于有溶解在油液中的空气会分离出来，当油液的压力还高于饱和蒸汽压时，就有气泡产生。但是在深井下的环境压力通常都在 10 MPa以上(最大超过 100 MPa) J，超过液压油中空气的分离或者释放压力，因此液压油中所含有的空气对井下的工作影响并不大，因此，后面的仿真模型研究都是基于配流吸油单向阀能够正唱启，并且液压泵能充分吸入液压油而展开的。

1 系统动力学模型及特性分析由于单柱塞泵的出口压力随着系统压力改变，为了研究单柱塞泵出口的压力、流量情况，就必须对整个液压导向系统进行仿真研究。表 1所示为理论方程中各个数学符号说明表。

I.1 单柱塞液压泵数学模型柱塞运动学方程(驱动轴承外轮廓 曲线为偏心圆)：X e[1-COS(wt)]泵出口流量为：Q Q：Q1.2 溢流阀数学模型溢流阀动力学方程为：订d.d2- po - ( 曲) mz溢流阀的流量方程为：T--丁Q ：CdA /1.3 配流压油单向阀数学模型压油单向阀动力学方程为：(p0 )下，ITdy2- ky(压油单向阀流量方程为：Q c ，/2(poS p1)-1.4 油缸数学模型油缸动力学方程为：pIAs md2Xs ( ) s g s油 缶T流量青 稗 。

Q dXs ·表 1 数学符号说明表符号 意义 符号 意义e 轴承偏心距 泵柱塞位移W 钻杆转速 Pl 导向液压缸无杆腔压力Q 泵流量 dy 单向阀口直径Q 溢流阀流量 ky 单向阀弹簧刚度Q 排油单向阀流量 Xy 单向阀芯位移d 溢流阀口直径 Xy0 单向阀弹簧预压缩量Po 柱塞腔内压力 m 单向阀芯质量k 溢流阀弹簧刚度 Ag 油缸腔面积溢流阀芯位移 mg 油缸活塞杆质量∞ 溢流阀弹簧预压缩量 kg 油缸复位弹簧刚度mz 溢流阀芯质量 油缸活塞杆位移Cd 阀口流量系数 Xso 油缸活塞杆初始位移A 溢流阀口流通面积 Q 油缸流量p 油液密度 E 油液等效体积弹性模数Ay 排油单向阀口流通面积2 单柱塞泵动态仿真分析图2所示为利用 MATLAB/Simulink软件 根据上述方程建立液压导向系统仿真模型。

参数设置完成后，开始仿真。图 3所示为钻速60 r/min时偏心圆泵出口流量图，图4所示为钻速 120r/min时偏心圆泵出口流量图。

通过对比图3和图4可以验证，浮动导向套和钻柱之间相对转速差增大时，泵的输出流量增大，响应速度也加快。

78 液压与气动 2013年第8期图2 液压导向系统仿真模型图3 60 r/min偏心圆泵出口流量图4 120 r/min偏心圆泵出口流量泵在偏心轴承运动-个周期内，只能-次吸油-次排油，如果泵能在轴承运动-个周期内实现多次吸油多次排油，性能是否会有改进，为此进行了相应研究工作。

(1)在狭小的安装空间内，将偏心轮改为如图5所示的行程相等椭圆，可以实现-个周期内两次吸油两次排油。

图 5 椭圆示意图2 2椭圆-般方程为： 告1口 D柱塞位移为： 参数设置完成后，利用 MATLAB/Simulink软件对轴承曲线为椭圆的情况进行仿真，图6所示为 钻速为60 r/min时椭圆泵出VI流量。

图 6 6o r/rain椭 圆泵 出口流量通过对比图6和图4可以看出，椭圆泵在转速为60 r/min时和偏心圆泵在转速为 120 r/min时的流量值基本-致，响应时间也基本相同，说明椭圆泵即使是在转速稍低的情况下，也能达到偏心圆泵在稍高转速下的性能。而在椭圆形状下的行程和在偏心圆形状下的形成也是相同的，说明在相同的安装空间里面，在相同泵柱塞直径和相同泵活塞杆行程情况下，椭圆泵的性能是优于偏心圆泵的。

(2)考虑在狭小的安装空间内，将偏心轮改为如图7所示的三叶草形状，就可以实现-个周期内三次吸油三次排油。图7中的三叶草形状为图5椭圆形状以中心点为原点，分别旋转 120。、240。重叠剪切而得到。

图7 三叶草示意图柱塞位移为：Xs 丽 -l OC6(wt)m0d m0d-詈l OC l a COS (60。)6 sin (60。)参数设置完成后，利用 MATLAB/Simulink软件对轴承曲线为三叶草形的情况进行仿真，图8所示为 钻速为 60 r/min时三叶草泵出口流量。

通过对比图6和图 8可以看出，三叶草泵在响应速度上同椭圆泵大致相同，在泵出口流量上也没有明显的加大，反而压力脉动还增加了。这时由于三叶草形状虽然可以实现-个周期内三次吸油三次排油，但) ( r 。ltlI ，lllIl 8 -IlI 1lt E IIIIlIIlI-lI-II 4，tlttlIIlI ；，llIlltl I-II C S， ， 玉 ，illIlI ； ItIltI 0IlIIllj -) I - I ，Il-IlII IIt 。

IllIlllI ，il lIl rL uⅡH ) O 5 O 5 0 5 0 5 O 4 3 3 2 2 1 1.O ； lIltll-l 1 .. lII .. lIIl-- lIII- ，lIIIII； llll-I ，IIlI-lI-I ，)lllt- 。

lIllll ； ll- llIlI ，tllIll lI，l r L r I ) 0 O O 0 0 O O O O ， 9 8 7 6 5 4 3 2 (2013年第8期 液压与气动 79DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.08.021H型钢连铸机液压系统改进设计张龙江Improved Design of Hydraulic System for H Beam CasterZHANG Long-jiang(北京无极液压工程有限公司 工程设计部，北京 102308)摘 要：简单介绍了H型钢连铸机液压系统的工作原理，对在调试过程中出现的问题进行了详细的分析，找出了产生问题的原因。对液压系统进行了改进设计，取得了满意效果。

关键词：H型钢连铸机；液压系统；调试问题；改进设计中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)08-0079-04引言H型钢与工字钢相比具有断面经济、力学性能优良等特点，已被广泛使用。H型钢连铸机就是将钢水浇铸成近终型 H型钢钢坯，使用这种钢坯轧制 H型钢具有成材率高、投资盛节能降耗等突出优点。

H型钢连铸机在线设备大量采用液压驱动，以降低设备重量，提高运行的稳定性、可靠性。马鞍山钢铁股份有限公司第三钢轧总厂 H型钢液压系统由国外某公司初步设计，中方详细设计并制造。液压系统驱动的机构包括大包转台回转、大包臂升降，中包车行走、升降和对中，结晶器振动，拉矫机，火切辊摆动，钢坯升降机构，钢坯横移机构。

液压系统采用 9台恒压变量柱塞泵供油，8用 1备；工作压力 17.5 MPa；独立循环过滤冷却，1用 1备；油箱容积 15000 L，工作介质为 68号抗磨液压油。系统采用先进的比例控制技术，通过和可编程逻辑控制(PLC)相结合，使系统的控制精度得到了进-步的提高。系统液位、温度、压力采用模拟量控制，在主控