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钻机液压系统中的电控比例变量泵
建筑业和交通运输业对大直径工程钻机的技术装备要求越来越高。液压传动以其独具的优越性越来越受到重视。全液压钻机具有部件布置灵活，传动系统简单，操作方便，可无级调速，过载保护性能良好，可监视工作负荷大小及时调整工艺参数等优点。GDY-40钻机液压系统中采用了电控比例变量泵，实现了用电控代替手控的操纵方式。
1．钻机液压系统基本原理
钻机总体结构由转盘、绞车、机架和液压系统4大部分组成。该钻机采用液压传动，其液压系统由油箱、过滤器、电动机、变量泵、比例溢流阀、电液换向阀、液控单向阀、压力表、快速接头组、液压马达、节流阀、液压缸、冷却器等组成。
恒功率系统的特点是可控制工作机始终在恒功率状态下工作。这对提高时效、提高工作效率及提高设备的寿命都大有益处。大直径钻机上的液压恒功率控制系统的基本原理是：电动机带动液压泵把电能转变为液压能，液压泵输出的压力油由调压阀调整枉额定压力内，经电磁换向阀控制，压力油驱动液压马达正转或反转，从而控制回转器的正反转。小液压泵输出的压力油，经多路换向阀组的控制驱动液压缸伸缩，从而带动动力头作直线往复运动，实现钻机的钻孔工作。通过调节调速阀可调节钻孔时的进退速度。
按功率调节的方式，液压系统可分为节流控制系统和容积控制系统，前者采用比例阀调节，后者是通过比例元件控制的液压泵或马达调节。节流控制的优点是动态响应快，利用公共恒压油源，可控制不同的执行元件，但功率损失大。容积控制方式的优点是节能。GDY-40钻机所采用的液压系统是容积控制系统。
目前，国产钻机大多数采用手动调速。手动调速极不方便，精度也不高。GDY-40钻机的液压系统采用了电控调速，通过改变电流的大小来改变速度。这种操纵方式可以在控制室里完成，操作方便而且精度高。
现代容积控制大多是通过电液节流控制元件，对液压泵或马达排量参数进行控制。GDY-40钻机的液压系统采用了国产A7V变量泵，这种电液比例控制的液压泵是在原有变量泵基础上，增设比例电磁铁而成，利用电机械转换器来操作变量机构。综合利用微电子技术，计算机控制技术和容积调节的优势，可方便引用各种控制策略，便于利用电信号实现功率协调和各种适应控制。
2．电控比例变量泵
GDY-40钻机液压系统中所采用的A7V变量泵，通过电控比例变量来实现调节。
(1)比例电磁铁。比例电磁铁的功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移信号。比例电磁铁推力大、结构简单、成本低廉，衔铁腔可做成耐高压结构，是应用最广泛的电一机械转换器。作为电液比例控制阀的前置级，比例电磁铁性能对阀的性能有十分重要影响。电液比例控制技术对比例电磁铁提出了一定的技术要求，主要有：
1)水平的位移力特性，即在比例电磁铁有效的工作行程内，当线圈电流一定时，其输出力保持恒定，与位移无关。
2)稳态电流力特性，即具有良好的线性度，较小的死区及滞回。
3)跃阶响应快，频响高。
在恒功率变量泵中，当用比例电磁铁控制时，若系统压力P大于预调功率曲线的起始工作压力，则流量按双曲线规律下降；给出不同的控制电流，即可得到不同功率值的恒功率调节特性。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对电液比例控制系统和元件具有十分重要的影响，是电液比例控制技术的关键部件之一。
 (2) EP电控比例变量。电控比例变量可以按程序无极的控制泵排量。泵排量与电磁铁吸力成正比，即与电磁铁的电流成正比。变量活塞上的控制力由比例电磁铁产生。比例电磁铁需要一个电流为300630mA (600～1260mA)的24V直流电源。变量起点约在300mA (600mA)，变量终点约在630mA(1260mA)。
如果泵在零位起动或工作压力＜4MPa，则遥控压力油口需接入4MPa的先导压力，如图38所示。
3．测试分析
该钻机采用全液压驱动、恒功率变量回路、电液复合操纵。设有人工操纵钻进和自动钻进两种方式：①人工操作钻进时，操作简单、劳动强度低；②自动钻进时，能够自动改变转速、扭矩，自动化程度高。根据钻进情况，可自动下放或提升钻具，实现减压钻进，以保证钻孔的垂直度。
在液压系统的工作中，只要改变变量泵的排量，就可以调节回转器的转速。该变量泵通过电控比例变量实现调节，因此，只要调节比例电磁铁电流大小就能够改变回转器的速度。为此我们在现场直接测量了不同电流大小下的回转器转速，电流和回转器转速的关系如图39所示。
图39中(a)是回转器在正转时，任意两次测得的回转器转速；图39 (b)是回转器在正转时，任意两次测得的回转器转速。为了测试重复精度，在回转器正转时，多次测量了电流连续上升和下降时回转器的转速，并进行了比较，任意两次测量的结果比较如图39 (c)、(d)所示。
通过测试分析可以发现，在相同电流大小的情况下，回转器的速度重复精度比较高。在初、末状态电流变化时，回转器的转速改变不明显，实际的有效工作区间大约为85%，这说明比例电磁铁的变化不灵敏。这主要是比例电磁铁自身的局限性所致，由于比例阀的中位死区较大，一般为额定控制电流的10%～15%，从而导致在实际工作中电流在初、末状态变化时，回转器速度的变化不明显。
4．总结
在钻机液压系统中采用电控比例变量泵，实现了钻机的电控，能适应大型自动化控制系统的要求。这种恒功率变量泵的显著特点是可减小原动机驱动功率，使液压设备体积小、质量小，原动机经常处于满负荷工作，原动机效率高，从而降低了功率消耗。
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