钻机恒压变量泵控给进系统动态模拟与系统改进

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Dynamic Simulation of Control and Feeding System of ConstantPressure Variable Pump for Drilling M achineFAN Dong，XU Cui-hua(Xi al Research Institute of China Coal Technology& Engineering Group Corp，Xi an 710077，China)Abstract：Feeding circuit is the key circuit in driling rig hydraulic system；it decides the performance and eficiency ofdriling rig， now the constant variable pump-controled feeding system is commonly used.In this paper，AMESimsoftware is used to establish a simulation model for constant variable pump-controlled feeding system.Drilling in complexstrata was simulated to analyze the pressure and flow rate characteristics. On the basis of analysis on advantages anddisadvantages of feeding system formed by constant variable pump and pressure-reducing valve，a new driving circuit ofthrotle governing with remote controled- constant pressure variable pump and pressure compensation valve was raised，and the merits of which was analyzed。

Keywords：drilling rig；constant variable pump；dynamic analysis；flow rate performance全液压钻机液压系统性能直接影响钻机钻进效率和钻进能力。变量泵可以通过调节排量来适应钻机在作业时的复杂工况要求，采用压力感应控制，有效地利用发动机功率 ，将节流调速改为容积调速，减少能量损失，由于其具有明显的优点而被广泛使用 目前全液压钻机给进液压系统中较多采用恒压变量泵节能控制系统。在钻进负载小时，泵排量最大，钻机速度快。钻进负载大时，变量泵提供 的液压油量小，恒压泵控系统中系统达到设定 力后 ，泵的排量减小 ，系统压力不变 ，只有少量的漏损而没有流量的溢流，从而大大减轻了系统的发热，节省了能源消耗。

对液压系统的评价，应该从液压系统 的功能和特性、效率等几个方面加以分析对比。其 中，液压系统的功能是指通过对液体介质的流量和压力进行控制，驱动执行机构完成所要求动作。液压系统的功能与具体的设计要求有关，- 方面撒于设计者所构思的回路组成 ，另-方面受限于组成系统的元件的性能。液压系统效率的高低则反映 能量利用率的高低。液压系统中的无功能耗最终都变为热能，使系统温度升高。液压系统温度过高对性能有着严重的负面影响。

本文借助 AMESim软件平台，通过仿真分析，深入研究恒压泵控给进液压系统，进-步分析其动态特性，为提高系统适应性 ，优化钻机给进系统设计提供参考。

笔者 在分析 恒压 变量 泵工作 原理 的基 础 上，结 合AMESim工程软件对某型钻机用恒压变量泵进行建模，模拟复杂地层情况，对系统压力流量变化进行了仿真分析。

收稿日期：2012-11-22作者简介：凡 东(1980-)，男，湖北枣阳人，工程师，2003年毕业于中国地质大学 (武汉)机械设计制造及其自动化专业，现主要从事钻探机具的研制与应用推广工作。

1l62013年第4期 煤 炭 工 程l 恒压变量泵工作原理采用恒压控制的变量泵称之为恒压变量泵，其控制原理如图 1所示，当系统压力较低时，控制油缸右端没有压力油，控制油缸在弹簧的作用下向右运行，推动泵的变量机构，使泵处于最大排量状态。当系统压力增大到恒压阀的调定压力时，控制滑阀端部液压力大于调压弹簧的弹簧力而使阀芯右移，压力油进入控制油缸右端 ，推动控制油缸向左运行，再推动泵的变量机构，使泵 的排量减小 ，因而输出流量减小 ，泵的工作压力也随之降低。当控制滑阀左端的液压力等于弹簧力时，滑阀关闭，控制油缸停止运动，变量过程结束，泵的工作压力重新稳定在弹簧调定值附近。同理，当系统压力降低时，变量机构使泵的输出流量增加，工作压力回升到设定值。

l-控制滑阀；2-调压弹簧；3-控制油缸；1和2合称为恒压阀图 1 恒压变量泵控系统2 恒压变量泵控给进液压系统建模及仿真经过对恒压变量泵工作原理的分析，建立钻机给进系统的 AMEsim模型如图2所示。

1-恒压阀；2-变量油缸；3-变量泵；4-电机5-减压阀；6-给进油缸图2 钻机给进系统模型异步电机额定转速为 1500min；恒压变量泵的最大排量为 67mlJr；油缸为双杆双作用油缸，活塞直径为100mm，两端杆径均为 50ram，油缸行程为 1.5m；恒压阀的设定压力为 160b；仿真环境：介质密度，体积模量17000bar，绝对粘度51cp，参考温度为40℃。

图3模拟恒压变量泵(图 2去掉减压阀)，钻机负载在50～125.6kN之间阶梯变换时系统的压力流量特性。从图3中可以看出，当负载压力分别为 50bar、70bar、100bar时，只在负载压力突变的瞬间，流量会有小幅的波动，当系统稳定以后，泵的流量始终维持在最大流量 100L/min。当负载压力增加到恒压阀调定压力 160bar时，泵的排量减到最小，此时泵的流量只维持系统的泄露，泵处于保压状态。

从以上分析可以看出，在恒压变量泵系统中，在没有达到调定压力之前，系统流量不随负载变化而变化 ，系统对负载有很好的适应性。从能耗的角度看，恒压变量泵系统相对于定量泵系统，没有溢流损失，节能效果明显。

fllhJ/s图3 恒压变量泵压力流量特性钻机给进系统给进系统的动态特性曲线如图 4所示，系统中其他参数不变，将恒压阀调定压力设定为 60bar。从图4中可以看出在负载压力没有达到减压阀调定压力之前，泵出口压力几乎与负载压力相 同，此时系统流量为最大lOOL/min；当负载压力达到减压阀调定压力时，减压阀动作，变量泵出口压力增大 ，系统流量减小 ，但是此时变量泵工作压力很大而且有小幅波动。从动态模拟结果可以看出，恒压变量泵加减压阀组成的钻机给进系统虽然可以通过调节减压阀来控制钻机给进压力 ，达到适应钻机钻速的目的，钻进效率高，且没有溢流损失。但是变量泵压力很高，能量损失较大，最后都转化为热能。

O 2 4 6 8 1O时间/s图4 减压阀控制给进压力负载压力突变时系统的流量特性曲线如图 5所示，同样模拟负载压力从零增加到减压阀设定压力60bar，在7～9s时，系统压力突降。从图 5中可以看出，由于负载压力117枷 如 0煤 炭 工 程 2013年第4期突降，此时减压阀发 口全开，泵出口压力减小到恒压阀调定压力-下，系统流量迅速增大到最大流量。从仿真结果我们可以看出这样配置的钻机给进系统，当负载压力突减时，泵流量突增。表现在钻进过程中是在钻机遇到裂缝 、空洞或岩石性质差异太大的过渡区时，负载压力突变，引起给进速度突变 ，这样容易遭成钻具损坏。

图5 负载突变时流量特-眭曲线3 恒压变量泵控给进液压系统改进通过上文对传统恒压变量泵控制给进系统动态分析 ，可以看出恒压泵加减压阀的钻机给进系统有压力损失大，系统流量易受负载影响等缺点。故对其进行如图6所示改进 ，其核心部分仍然采用恒压变量泵 ，而给进压力由远控阀7控制，给进速度则 由节流阀 5与压力补偿 阀 4控制。

1-恒压阀；2-变量油缸；3-变量泵；4-压力补偿阀5-节流阀；6-给进油缸；7-远控阀(溢流阀)图6 钻机给进系统方案从图7中可以看出，通过改变远控阀7的输入信号，来无级调节给进压力 ，并且可根据需要保持输出压力恒定。

罔 8的仿真过程是系统在 10s时 ，负载突然降低并保持2s。从图 8中可以看出，在负载突变时，系统压力基本保持不变。这样可以很好的避免负载突变时，给进速度突变引起的钻具损坏。

4 结 语恒压变量泵控制系统 ，具有负载适应性强、节能等优点，所以较多的使用在钻机给进系统设计 中。本文采用动1 8图7 给进压力控制厂 2- l- ll 3 - l-负载压力(bar)2-泵出口压力(bar3-流量(L/min)I l0 10 1 5 20时l /s图8 钻机给进系统速度适应性态分析方法，分析当前较多采用的恒压变量泵与减压阀组成的钻机给进系统。得出该系统压力损失较大、泵压调节不方便、负载突变时，系统冲击较大等缺点▲而提出远控恒压变量泵加带压力补偿阀节流调速钻机给进系统。通过仿真分析，可以看出该方案压力损失孝泵T作压力调节方便、负载突变时系统冲击小的优点。