CN114909359B - 一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机，包括：径向柱塞马达，用于驱动天井钻机回转；径向柱塞马达具有回转模式和自由轮模式两种模式，径向柱塞马达处于回转模式时向天井钻机传递扭矩；闭式液压泵，用于向径向柱塞马达供油，以提供径向柱塞马达旋转的动力；驱动装置，用于驱动闭式液压泵旋转；自由轮阀，用于控制径向柱塞马达在回转模式和自由轮模式之间切换；压力控制阀，用于设定闭式液压系统的最高系统压力；补油泵，连通有油箱，用于向闭式液压系统补充液压油。根据本发明的一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机，抗风险能力强，控制简单，能量损失小，能满足大直径天井钻机在各种工况下的系统压力和流量要求。

Description

一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机

技术领域

本发明涉及液压系统技术领域，特别涉及一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机。

背景技术

国内天井钻机虽然有近40年的发展历史，但产品一直以3米直径以下的小直径天井钻机为主，大直径天井钻机技术长期被国外垄断，其中大直径天井钻机回转的液压驱动控制是一项非常关键的技术。大直径天井钻机回转输出扭矩非常大、工况复杂，有导孔工况、扩孔工况、接杆工况、卸杆工况等，不同工况对回转的扭矩、转速要求都不一样，其液压驱动控制难度大，而且国内矿山相对狭窄的巷道条件，决定了大直径天井在钻机都是通过模块化的组合，这种组合的方式也增加了控制上的难度。

传统的天井钻机回转驱动控制依赖开式液压系统，但大直径天井钻机液压回转驱动需要的流量大、压力高，通常回转流量超过800L/min，回转系统压力达40MPa，如果继续选用开式液压系统来驱动，市场上几乎没有能满足此要求的换向阀，只能通过多个阀的组合来实现，大大增加了系统管路和控制的复杂程度，而且换向阀在通过大流量时，因换向阀芯的节流作用往往会导致较大的系统压降，导致系统油温升高，能源消耗增加的同时给系统冷却造成沉重负担。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种闭式液压系统，抗风险能力强，控制简单，能量损失小，能满足大直径天井钻机在各种工况下的系统压力和流量要求。

本发明还还提出一种应用上述闭式液压系统的大直径天井钻机。

根据本发明第一方面实施例的一种闭式液压系统，包括：径向柱塞马达，用于驱动天井钻机回转；所述径向柱塞马达具有回转模式和自由轮模式两种模式，所述径向柱塞马达处于所述回转模式时向所述天井钻机传递扭矩；闭式液压泵，用于向所述径向柱塞马达供油，以提供所述径向柱塞马达旋转的动力；驱动装置，用于驱动所述闭式液压泵旋转；自由轮阀，用于控制所述径向柱塞马达在所述回转模式和所述自由轮模式之间切换；压力控制阀，用于设定闭式液压系统的最高系统压力；补油泵，连通有油箱，用于向闭式液压系统补充液压油。

根据本发明实施例的闭式液压系统，至少具有如下有益效果：

通过闭式液压系统驱动天井钻机回转，闭式液压系统压力更高，能为天井钻机提供更高的回转扭矩，且闭式液压系统相比开式液压系统，无须换向阀，系统能力损失更少；闭式液压系统通过控制液压泵斜盘的偏斜方向来实现液压马达的旋转方向，对径向柱塞马达的冲击小，系统压力更加平稳；多个径向柱塞马达通过自由轮阀对其进行控制，能实现对天井钻机的多种模式控制。

根据本发明的一些实施例，所述径向柱塞马达设有四个，两个所述径向柱塞马达始终处于回转模式，另外两个所述径向柱塞马达由所述自由轮阀控制其在回转模式和自由轮模式之间切换。

根据本发明的一些实施例，所述自由轮阀设有两个，两个所述自由轮阀分别控制两个所述径向柱塞马达在回转模式和自由轮模式之间切换。

根据本发明的一些实施例，所述闭式液压泵设有两个，两个所述闭式液压泵的液压出口管连通；两个所述闭式液压泵可择一启动或同时启动。

根据本发明的一些实施例，还包括流量控制阀和冷却器，所述流量控制阀与所述闭式液压泵相关联，用于控制闭式液压系统的冲洗流量；所述冷却器用于冷却闭式液压系统回流至所述油箱内的液压油。

根据本发明的一些实施例，所述补油泵出口端设置有过滤器，所述过滤器用于对进入闭式液压系统内的液压油进行过滤。

根据本发明的一些实施例，所述闭式液压泵的出口流量与所述径向柱塞马达的转速正相关。

根据本发明的一些实施例，所述压力控制阀与所述闭式液压泵相关联，所述压力控制阀能降低所述闭式液压泵的排量以降低天井钻机的转速。

根据本发明的一些实施例，所述径向柱塞马达通过减速箱与天井钻机连接。

根据本发明第二方面实施例的一种大直径天井钻机，应用了上述的闭式液压系统。

根据本发明实施例的大直径天井钻机，至少具有如下有益效果：

通过应用闭式液压系统驱动大直径天井钻机回转，能为天井钻机提供更高的回转扭矩，且闭式液压系统相比开式液压系统，无须换向阀，系统能力损失更少；闭式液压系统通过控制液压泵斜盘的偏斜方向来实现液压马达的旋转方向，对径向柱塞马达的冲击小，系统压力更加平稳；多个径向柱塞马达通过自由轮阀对其进行控制，能实现对天井钻机的多种模式控制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1中径向柱塞马达和自由轮阀的结构框图；

图3为图1中闭式液压泵的结构框图；

图4为图1中流量控制阀的结构框图；

图5为图1中压力控制阀的结构框图。

附图标号：

径向柱塞马达100；

闭式液压泵200；

驱动装置300；

自由轮阀400；

压力控制阀500；

补油泵600、过滤器610、油箱620；

流量控制阀700、冷却器710；

正转出油管线810、反转出油管线820、回油管线830、控制油管线840。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图5所示，本发明实施例的一种闭式液压系统及其应用的大直径天井钻机，包括：多台径向柱塞马达100，与天井钻机连接，用于驱动天井钻机转动；需要注意的是，径向柱塞马达100并不是直接与天井钻机连接，而是通过减速箱与天井钻机连接，减速箱为目前市面上可买到的减速箱，只需减速箱的参数满足天井钻机的使用需求即可。在本发明的实施例中，径向柱塞马达100设有四个，而减速箱只设置有一个，四个径向柱塞马达100中有两个始终与减速箱保持连接，另外两个径向柱塞马达100通过自由轮阀400控制其与减速箱的连接或断开。

进一步的，径向柱塞马达100具有回转模式和自由轮模式两种模式，两个始终与减速箱保持连接的径向柱塞马达100始终处于回转模式，另外两个径向柱塞马达100则可以通过自由轮阀400控制其在回转模式和自由轮模式之间切换。参照图1、图2所示，在本发明的一些具体实施例中，自由轮阀400由先导换向阀和被先导换向阀控制的主阀组成。由于自由轮阀400控制径向柱塞马达100在回转模式和自由轮模式之间切换的工作原理为已公开的现有技术，例如公开号为CN209306860U的一种自由轮马达装置，公开了相关的结构及控制方法，在本申请中不做过多赘述。

需要注意的是，在本发明的一些实施例中，由于有两个径向柱塞马达100通过两个自由轮阀400控制其在回转模式和自由轮模式之间切换，因此天井钻机存在由两个径向柱塞马达100驱动回转、三个径向柱塞马达100驱动回转或四个径向柱塞马达100驱动回转三种情况。但是通常情况下，由于三个径向柱塞马达100驱动天井钻机回转时，其稳定性相对较差，两个自由轮阀400始终是同步动作，即一般只存在两个径向柱塞马达100驱动天井钻机回转和四个径向柱塞马达100驱动天井钻机回转两种情况。

此外，始终保持两个径向柱塞马达100处于回转模式，是因为减速箱的减速比为固定值，至少需要两台径向柱塞马达100向天井钻机传递动力，才能提供足够的扭矩。

在本发明的一些实施例中，闭式液压泵200，用于向径向柱塞马达100供油，以提供径向柱塞马达100旋转的动力；闭式液压泵200的供油压力与径向柱塞马达100的转速相关联；具体的，闭式液压泵200通过驱动装置300驱动其旋转，本申请的发明实施例中，驱动装置300为电机，电机驱动闭式液压泵200旋转，进而带动闭式液压泵200向径向柱塞马达100供油。需要注意的是，本申请的发明实施例中，设有两个闭式液压泵200，对应两个闭式液压泵200设置有两台电机分别用于驱动两个闭式液压泵200的两个闭式液压泵200。两个闭式液压泵200的液压出口管连通，两个闭式液压泵200可择一启动或同时启动，一般情况下运转一台闭式液压泵200即可实现系统的正常工作，另外一台闭式液压泵200作为备份，当其中一台闭式液压泵200出现故障时，通过启动备份的闭式液压泵200即可保证系统的正常运行。

进一步的，参照图1、图3所示，闭式液压泵200具有正转出油管线810和反转出油管线820，两台闭式液压泵200的两根正转出油管线810相互连通，两根反转出油管线820也相互连通，正转出油管线810用于驱动径向柱塞马达100正转，反转出油管线820用于驱动径向柱塞马达100反转。

在本发明的一些实施例中，闭式液压泵200输出的液压油流量越高，径向柱塞马达100的转速越高，闭式液压泵200输出的液压油流量与径向柱塞马达100的转速成正相关；而减速箱的减速比为固定值，所以天井钻机的转速也会越高。

在本发明的一些具体实施例中，闭式液压泵200集成有比例伺服阀对斜盘的倾斜角度进行调节，比例伺服阀通过电信号来调节输出的伺服油压，从而控制闭式液压泵200的斜盘倾角，比例伺服阀的电流大小与闭式液压泵200的斜盘倾角大小呈正相关，比例伺服阀的电流越大，则闭式液压泵200的斜盘倾角越大，闭式液压泵200的排量越大，反之亦然。因此，可通过控制比例伺服阀实现对天井钻机转速的无极调节。需要注意的是，由斜盘倾角控制闭式液压泵200的排量，并实现径向柱塞马达100转速调节的结构和方法也属于已被公开的现有技术，例如公开号为CN114485565A的液压泵马达用机械式斜盘倾角指示器及液压泵马达，公开了带有斜盘的液压泵；公开号为CN103316799B的高压水利喷射系统，公开了相关的结构及控制方法，在本申请中不做过多赘述。

参照图1、图4所示，在本发明的一些实施例中，还包括流量控制阀700和冷却器710，流量控制阀700与闭式液压泵200相关联，用于控制闭式液压系统的冲洗流量；冷却器710用于冷却回流至油箱620内的液压油。具体的，闭式系统中的液压油在循环工作过程中由于存在压降最终转化成热量导致油温不断往上升，因此液压系统中需要排出一定量的热油同时补充一定量的冷油，系统排出热油的流量用专业术语叫冲洗流量。流量控制阀700与闭式液压泵200相关联指的是可根据闭式液压泵200的启动数量来调节不同的冲洗流量，例如只有单个闭式液压泵200运转时，流量控制阀700控制闭式液压系统的冲洗流量约为60L/min，如若两台闭式液压泵200同时运转，则流量控制阀700控制闭式液压系统的冲洗流量约为120L/min，以利于闭式液压系统的散热。

参照图4所示，流量控制阀700可以理解为与径向柱塞马达100并联，流量控制阀700具有三个连接口，其中两个进液口分别与正转出油管线810和反转出油管线820连接，出液口连接有回油管线830，冷却器710安装于回油管线830上，回油管线830与油箱620连通。流量控制阀700具有三个位置，第一位置时正转出油管线810和回油管线830连通，第二位置时反转出油管线820和回油管线830连通，第三位置时正转出油管线810、反转出油管线820和回油管线830互不连通，其工作原理与三通阀类似。冲洗流量指的就是正转出油管线810或反转出油管线820经回油管线830流回油箱620的液压油量。

在本发明的一些实施例中，参照图1所示，还包括补油泵600，补油泵600从油箱620抽取液压油提供给闭式液压泵200，同时也向闭式液压泵200的比例伺服阀提供伺服控制油。补油泵600出口端设置有过滤器610，过滤器610用于对进入闭式液压系统内的液压油进行过滤。具体的，比例伺服阀根据电信号控制提供给斜盘相应的油压以调节斜盘倾斜的角度。过滤器610能过滤掉从油箱620吸入的杂质，避免杂质对系统造成损伤。

可以理解的是，天井钻机在工作的过程中，补油泵600是一直处于工作状态的。

参照图1、图5所示，在本发明的一些实施例中，设有压力控制阀500用于控制闭式液压系统的最高压力。当闭式液压系统的系统压力高出压力控制阀500的设定压力时，压力控制阀500将进行泄压以调节系统压力。进一步的，压力控制阀500为溢流阀，溢流阀的压力可以远程设置并进行更改，因此闭式液压系统的系统压力也可以无极调节。

需要了解的是，压力控制阀500与闭式液压泵200之间通过控制油管线840连接，且压力控制阀500与回油管线830连通。当闭式液压系统的系统压力达到压力控制阀500的设定压力时，压力控制阀500会连通控制油管线840和回油管线830，导致驱动闭式液压泵200的斜盘倾斜的伺服控制油失压，导致闭式液压泵200的斜盘的倾斜角度逐渐减少甚至关闭，从而减小闭式液压泵200的排量，进而导致闭式液压泵200的出口流量减少，液压马达的转速降低，天井钻机的转速也同样降低。但是需要注意的是，减小闭式液压泵200的排量并不能降低闭式液压系统的系统压力，因为系统压力是由天井钻机的负载决定的，系统压力将保持在压力控制阀500设定的最高值；减小闭式液压泵200的排量只是为了降低对设备的损伤。

更进一步的，在压力控制阀500设定的最高压力范围为，闭式液压泵200的排量是根据天井钻机需要的转速进行无极调节的，而一旦由于钻机的负载过大，导致闭式液压系统的系统压力达到了压力控制阀500的设定值，而压力控制阀500会直接导致驱动闭式液压泵200的斜盘倾斜的伺服控制油失压，因此可以理解为压力控制阀500的优先级高于比例伺服阀的电信号控制。

参照图1所示，本申请的闭式液压系统的工作原理如下：补油泵600向闭式液压泵200提供液压油，驱动装置300驱动闭式液压泵200旋转，并带动径向柱塞马达100转动，并最终驱动天井钻机转动。闭式液压泵200集成有比例伺服阀，比例伺服阀可以接受电信号并输出对应的控制液压油，控制液压油通过驱动闭式液压泵200的斜盘倾角来调节排量，从而实现对径向柱塞马达100转速的调节。流量控制阀700通过闭式液压泵200的输出流量大小来调节其冲洗流量；压力控制阀500的设定压力为闭式液压系统所能达到的最高压力，当闭式液压系统的压力达到压力控制阀500的设定压力后，压力控制阀500将对闭式液压泵200的伺服油压进行泄压，从而强制降低闭式液压泵200的排量，从而降低天井钻机的转速。

相比目前普遍采用的开式液压系统，闭式液压系统有以下三个显著的优势：

1.闭式液压系统能达到更高的回转压力。开式液压系统的额定压力最高到35MPa，尖峰压力到40MPa，而在闭式系统中额定压力能达到40MPa或者42MPa，尖峰压力可达45MPa。更高的系统压力能够为天井钻机的回转提供更大的扭矩。

2. 闭式液压系统更节能。闭式液压系统的压力油从闭式液压泵200出口直接驱动径向柱塞马达100，相对开式液压系统，闭式液压系统省掉了中间对马达旋向进行控制的换向阀，由于油液流经换向阀会产生压降，且换向阀换向时会对系统产生冲击，这些都会导致系统能量的损失，因此闭式液压系统相比开式液压系统更节能。

3. 闭式液压系统的系统压力更加平稳。闭式系统通过控制闭式液压泵200斜盘的偏斜角度来实现调节径向柱塞马达100的旋转方向，在这个过程中，系统输出的液压油量由大变小再由小变大，不会因为径向柱塞马达100换向或者突然停止而对系统产生大的冲击，而开式液压系统刚好相反；开式液压系统因为径向柱塞马达100换向或者突然停止而产生的冲击一方面会导致系统发热，另一方面也会对液压系统元件的使用寿命产生影响。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种闭式液压系统，其特征在于，包括：

径向柱塞马达（100），用于驱动天井钻机回转；所述径向柱塞马达（100）具有回转模式和自由轮模式两种模式，所述径向柱塞马达（100）处于回转模式时向天井钻机传递扭矩；

闭式液压泵（200），用于向所述径向柱塞马达（100）供油，以提供所述径向柱塞马达（100）旋转的动力；闭式液压泵（200）集成有比例伺服阀对斜盘的倾斜角度进行调节；

驱动装置（300），用于驱动所述闭式液压泵（200）旋转；

自由轮阀（400），用于控制所述径向柱塞马达（100）在回转模式和自由轮模式之间切换；

压力控制阀（500），用于设定闭式液压系统的最高系统压力；

补油泵（600），连通有油箱（620），用于向闭式液压系统补充液压油，同时也向闭式液压泵（200）的比例伺服阀提供伺服控制油；天井钻机在工作的过程中，补油泵（600）一直处于工作状态；

其中，压力控制阀（500）与闭式液压泵（200）之间通过控制油管线（840）连接，且压力控制阀（500）与回油管线（830）连通，所述回油管线（830）与所述油箱（620）连通；

当闭式液压系统的系统压力达到压力控制阀（500）的设定压力时，压力控制阀（500）会连通控制油管线（840）和回油管线（830）；所述压力控制阀（500）的压力可以远程设置并进行更改，因此闭式液压系统的系统压力也可以无极调节，且所述压力控制阀（500）的优先级高于比例伺服阀的电信号控制。

2.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述径向柱塞马达（100）设有四个，两个所述径向柱塞马达（100）始终处于回转模式，另外两个所述径向柱塞马达（100）由所述自由轮阀（400）控制其在回转模式和自由轮模式之间切换。

3.根据权利要求2所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述自由轮阀（400）设有两个，两个所述自由轮阀（400）分别控制两个所述径向柱塞马达（100）在回转模式和自由轮模式之间切换。

4.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述闭式液压泵（200）设有两个，两个所述闭式液压泵（200）的液压出口管连通；两个所述闭式液压泵（200）可择一启动或同时启动。

5.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：还包括流量控制阀（700）和冷却器（710），所述流量控制阀（700）与所述闭式液压泵（200）相关联，所述流量控制阀（700）用于控制闭式液压系统的冲洗流量；所述冷却器（710）用于冷却闭式液压系统回流至所述油箱（620）内的液压油。

6.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述补油泵（600）出口端设置有过滤器（610），所述过滤器（610）用于对进入闭式液压系统内的液压油进行过滤。

7.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述闭式液压泵（200）的出口流量与所述径向柱塞马达（100）的转速正相关。

8.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述压力控制阀（500）与所述闭式液压泵（200）相关联，所述压力控制阀（500）能降低所述闭式液压泵（200）的排量以降低天井钻机的转速。

9.根据权利要求1所述的一种闭式液压系统，其特征在于：所述径向柱塞马达（100）通过减速箱与天井钻机连接。

10.一种大直径天井钻机，其特征在于：应用了如权利要求1至9任一项所述的闭式液压系统。

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