旋挖钻机主卷扬“掉钻”问题分析

某型旋挖钻机在钻孔作业时主卷扬出现“掉钻”现象，具体表现为：在钻杆下放过程中将先导手柄推到停止位置后，主卷扬仍带动钻杆继续下落，有时钻杆一直落到所钻孔底。

施工中的旋挖钻机

1.主卷扬液压系统组成及原理

该型旋挖钻机主卷扬液压系统主要由主泵1、补油泵2、主阀3 、平衡阀4、制动器释放阀5、过载溢流阀6、主卷扬马达7、制动器8、减速器9和卷筒10组成。其中主阀型号为AV280，主卷扬马达型号为A2FE160/61W-VZL，平衡阀型号为BVD25。其液压系统原理如图1所示。

主卷扬液压系统工作原理

钻杆下放操作步骤如下：推动先导手柄将主阀3下位接通后，由主泵1泵出的压力油经过平衡阀4的A口进入，同时作用在制动器释放阀5、平衡阀4阀芯下端和卷扬马达7。由于制动器释放阀5设置压力较低，压力油首先打开制动器8。随着压力的升高，平衡阀4的阀芯被推到上端，主卷扬马达7开始转动。其回油经过平衡阀阀芯的节流口流出，保持一定背压，以使主卷扬处于平稳工作状态。停止主卷扬先导手柄操纵后，主阀3的阀芯回到中位，平衡阀4关闭，主卷扬马达7停止转动，制动器8恢复制动状态。

主卷扬平衡阀的作用有二：一是在操纵主卷扬下放过程中，使回油路保持一定背压，以平衡钻杆及斗体质量，使之不会自行下落。二是在操纵主卷扬停止时，封闭卷扬马达回油口，使主卷扬减速至停止。

2.系统压力测试

我们采用NI测试仪器对系统进行压力测试。该仪器有4个量程为40 MPa的压力传感器和1个量程为10 MPa的压力传感器，可同时对32个部位进行测试。测试的压力点包括：平衡阀前端进油与回油压力（A、B油口），平衡阀后端进油与回油压力（A′、B′油口），马达补油（S口）压力。这几个位置的压力在仪器上分别显示的曲线分别为HD-A、HD-B、Ma、Mb和s。

在钻杆下降时，检测平衡阀S口和B口压力，结果均正常，由此说明系统不存在液压油吸空现象。在主卷扬下放停止的过程中，检测A 、A′、B、B′各口压力，NI测试仪器显示结果如图2所示。

从测试曲线中可以看出，主卷扬停止时B′油口的压力Mb降低并且波动较大，吸空时间高达0.8 s。理论上B′油口的压力Mb此时应迅速升高，从而使马达停止转动。分析认为，平衡阀回位缓慢，不能迅速节流和关闭，是造成B′油口压力降低并且波动较大的主要原因。

3.解决方案

为解决上述故障，我们将平衡阀阀芯处的回油阻尼孔加大，同时在弹簧处增加垫片。平衡阀经上述改进后，又对A、A′、B、B′油口压力进行测试，结果B′油口的压力Mb波动范围有所减小，吸空时间降为0.3 s，掉钻问题得到一定改善，但仍未根本解决问题。

查询相关技术资料，找出BVD25型平衡阀(配96号阻尼)与M7型主阀匹配的压力测试曲线，如图3所示。从图3可以看出，M7型主阀阀芯关闭时，BVD25型平衡阀阀芯进油端压力HD-A呈下降状态，同时平衡阀阀芯回油端压力HD-B呈缓慢上升状态（箭头所示），这个过程加速缩小了平衡阀阀芯两端的压差，同时加速了平衡阀阀芯的关闭。上述特性可使平衡阀阀后B′（Mb）口的压力迅速升高，便于马达停止转动，从而达到平衡制动效果。

从图2可知，BVD25型平衡阀前端进油压力曲线从A点到B点（压力为0）时间0.05 s，即AV280主阀芯的关闭时间为0.05 s。相关资料显示，BVD25型平衡阀配96号阻尼时，阀芯关闭时间为0.4～0.5 s，配86号阻尼时阀芯关闭时间为0.35 s。由此可知，原卷扬系统AV280型主阀关闭时，BVD25型平衡阀还未关闭，2个阀响应时间不匹配是造成主卷扬“掉钻”的根本原因。

综合以上分析，可以得到3种解决方案：一是改善AV280型主阀关闭特性，使之与BVD25型平衡阀特性相匹配；二是增大BVD25型平衡阀关闭阻尼孔，使其与AV280型主阀特性相匹配；三是更换一种受主阀关闭特性影响较小的平衡阀。我们采用第3种解决方案，即将原平衡阀更换为一种插装式平衡阀。该插装式平衡阀阀芯闭合响应时间受主阀特性影响较小，能迅速闭合使马达停止转动，由此解决了该型旋挖钻机主卷扬“掉钻”问题。

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