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顶驱液压系统说明书
一、液压系统原理介绍
在顶驱工作过程中，液压系统起着十分重要的作用，如平衡顶驱主体重量、在上扣和卸扣时夹紧钻杆以及用于主电机辅助刹车等等。从液压系统的控制方式来看，顶驱液压系统为一开环控制系统，根据该系统在顶驱上实现的功能不同可将其分为七个部分，分别为液压站、平衡系统、刹车系统、防喷器、背钳、旋转动力头和吊环倾斜系统（在此不将润滑系统包括在内）。用于各部分控制的换向阀集成于同一阀块上，除平衡系统的模式选择阀是手动控制外，其他换向阀全部由电气控制，操作起来方便快捷。同时，在吊环倾斜系统中采用同步马达来实现两吊环倾斜油缸运行的同步，用一电磁换向阀来补偿两油缸工作时的同步误差。系统额定压力为16Mpa,额定流量为40L/min。以下分别对各个部分的功能和操作方法作简单介绍：
1. 液压站：该液压站油箱容量为130L，油箱上集成有电加热器、液位液温计、液位传感器、温度传感器以及过滤器等液压辅件。在结构布局上将冷却系统置于油箱上方，驱动电机倒置从而将电机、冷却器和油箱呈竖直方向连成一体，使液压站外观紧凑、整齐。驱动电机功率为7.5KW，转速为1440转/min，开启后带动两台泵同时工作，一台泵是定量泵用于润滑系统，额定流量为23L/min；另一台是变量泵用于液压系统，额定流量为40L/min。在启动电机前应确定变量泵中已经注满了液压油，以免损坏油泵，系统工作前应点动电机来检查其转向是否与油泵要求方向一致。在液压泵运行过程如有异常噪声，则说明系统中有空气，应检查系统是否有泄漏，同时，在系统工作过程中应保证油箱中油位在最低液位以上以免油泵吸入空气。如下图所示：在电机正常启动后，如电磁换向阀18.1的电磁铁c01不得电，则液压泵处于泄荷状态，油泵出口油液在很低压力下流回油箱，当电磁铁c01得电时系统中压力才会升高，压力大小由压力传感器21.1测得，系统的最高压力为插装式溢流阀19的弹簧调定值。润滑系统也由液压站提供动力，其供油压力由溢流阀13调定。从定量泵流出的油液带动液压马达12转动，再由液压马达12带动液压泵10从润滑油箱吸油，经过滤和冷却后送至各个润滑点，润滑油和液压系统用油由同一冷却器8冷却，润滑油压力可通过压力传感器6.2测得。当润滑油不需要冷却时可由三通球阀11.2切断至冷却器的润滑油路，而系统中的液压油却是随电机的转动而一直处于冷却状态。在润滑油油液不足时，可通过三通球阀11.1向顶驱本体上的润滑油箱中加油，直到在润滑油供给充分时油箱中液位仍保持在适当位置时为止。

2. 平衡系统：如原理图所示，当模式选择阀27处于左位时，两平衡油缸两腔相通呈差动油缸，活塞杆快速伸出，这时可将平衡油缸上两耳环挂在大钩上，实现rig-up工况。然后将模式选择阀27调至中位为run工况，则两平衡油缸有杆腔进油，无杆腔通油箱，活塞杆缩回，两油缸将顶驱提升使提环与大钩脱开。在rig-up和run两工况下，进入油缸的油液最大压力均由减压溢流阀24调节：当电磁换向阀18.2的电磁铁c02不得电时，压力为减压溢流阀24的弹簧调定压力，如果需要更高压力，可使电磁铁c02得电，则压力为减压溢流阀24弹簧调定压力和溢流阀25弹簧调定压力之和，这时模式选择阀27处于中位可实现弹跳功能，以提起更多重量。平衡系统蓄能器30在以上两工况下一直处于充压状态,用于保持油压稳定和补充泄漏。若将模式选择阀27调至右位，即处于shut-off工况，则蓄能器释压，此时因顶驱重量全部由大钩承担，所以平衡油缸两腔均为低压。在两油缸有杆腔设有溢流阀28.1用于限制其最高压力，以免在油缸无杆腔回油不通时有杆腔产生高压，其压力可在测压接头22.2处测得，而溢流阀25的调定压力可在测压接头22.3处测得。

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3. 刹车系统：如图所示，系统由两个常闭式液压缸来实现对主电机的刹车，制动和松开由电磁换向阀18.3控制，主电机正常工作时电磁换向阀18.3的电磁铁c03不得电，即刹车油缸松开，在电磁铁c03得电时刹车。使刹车油缸松开的油液压力由减压阀31.1调节，大小为减压阀31.1的弹簧调定值，可通过压力传感器21.2或测压接头 22.4测得压力值。
4. 防喷器：当电磁换向阀18.4的电磁铁c06不得电时，防喷器处于开启状态，延时蓄能器34泄压，防喷器无杆腔一直维持高压，压力大小为减压阀31.2的弹簧调定值。如电磁铁c06得电，则防喷器关闭，延时蓄能器34充压。当需要开启防喷器时，使电磁铁c06失电，由于逻辑阀33的作用，此时防喷器油缸变为差动缸，又因为减压阀31.2的弹簧腔通有压力油，所以防喷器不但可以迅速开启，而且在较高压力下动作。减压阀31.2弹簧腔的压力油是由延时蓄能器34提供的，因单向节流阀节流孔的作用，蓄能器里的油液压力会延迟一定时间才会下降到大气压力，所以防喷器油缸无杆腔压力也会延迟相同时间才下降到减压阀31.2的弹簧调定值,系统压力可在测压点22.7处测得。其原理图如下所示；

5. 背钳：背钳的夹紧和松开由电磁换向阀36.1控制，需夹紧时换向阀的电磁铁c05得电，松开时则使电磁铁c04得电。系统中带有平衡阀，只有在电磁铁c04得电建立起一定压力后背钳才会松开。原理图如下所示；
6. 旋转动力头：如图所示，通过使电磁换向阀36.2的电磁铁c07或c08得电来实现旋转头的左旋或右旋。系统压力可通过测压点22.9测得，而由于减压阀31.3的出口压力通过节流孔后引入弹簧腔，从而使得节流孔两端压差保持不变，始终等于减压阀31.3的弹簧调定值，因此保证了进入旋转头马达39的油液流量不受马达负载变化影响。在马达39的两油口分别设有溢流阀28.2和28.3，一方面限制了马达入口的最高压力，另一方面作为马达出口的背压阀，限制了由于惯性旋转引起的出口压力的升高，使得马达换向时能首先快速停止。

7. 吊环倾斜系统：该系统使用同步马达41来使两倾斜油缸工作时同步，同时用电磁换向阀36.3来补偿同步误差。吊环的前倾与后倾由电磁换向阀40来控制，电磁铁c10得电时，两油缸活塞杆伸出，吊环前倾，如果油缸43.1动作慢于油缸43.2，则让电磁铁c12得电来补偿误差使两缸同步；同理，如果油缸43.1的动作快于油缸43.2，则让电磁铁c11得电。吊环后倾时补偿方式正好相反，如果油缸43.1慢于油缸43.2则使c11得电，快时则使c12得电。系统中设有四个平衡阀和四个液控单向阀，当电磁换向阀40和36.3的电磁铁都不得电时，两倾斜油缸可停止于某一位置，这时若电磁换向阀18.5的电磁铁c13得电，则吊环处于悬浮状态，可因自重可回到初始位置。其原理图如下所示；

在启动液压站电机前应先给三个蓄能器充压，充氮压力分别为：系统蓄能器——5.5MPa，平衡系统蓄能器——6MPa，延时蓄能器——5.5MPa。在顶驱钻进过程中，主电机刹车油缸可以靠系统蓄能器压力使其松开，则可使电磁换向阀18.1的电磁铁c01不得电而让液压泵处于低压泄荷状态；而在需完成上、卸扣以及移动吊卡等工序时应使电磁铁c01得电，由液压泵供给所需油液。顶驱液压系统原理如图所示；

二、液压系统故障诊断
液压系统投入使用前应确保已经调试完成，并且各项功能都达到要求。为方便在液压系统出现故障时能快速查出问题所在，在此分别对以上各部分可能出现的故障作分析，并提供相应的处理办法。
1. 液压站：如原理图所示，变量泵向平衡油缸、刹车油缸、防喷器油缸、旋转动力头马达以及吊环倾斜油缸提供液压动力，最高供油压力由插装式溢流阀19的设定为16MPa，可在测压点22.1处测量；定量泵向润滑油马达12提供液压动力，最高压力由溢流阀13调定为0.7MPa，在测压点22.5处测量；油泵10由马达12带动从齿轮箱吸油，然后送到各润滑点，润滑油压力可在测压点22.6处测量。
液压站故障诊断表
故 障
原 因
措 施

液压系统过热
安全阀设定值过高
测量压力并调节安全阀
平衡模式阀在关闭
状态时间过长
检查系统压力
蓄能器未充压
检查系统压力
液压元件不动作
系统压力低
检查泵、马达和安全阀，检查接头
和管线处是否有泄漏
液压泵不工作
更换泵
接头损坏
更换接头
润滑泵不工作
更换润滑泵
润滑油压力升高
更换管路过滤器9
油箱液位低
补充油液

2. 平衡系统：如原理图所示，预充6MPa的蓄能器30和单向阀26.1使液压系统保持压力状态。由手动换向阀27来设定平衡机构的三个模式，即安装（rig-up）、运行(run)和关闭(shut-off)。在安装模式下，两油缸伸出以方便挂在大钩耳环上；运行模式下，两油缸将顶驱提离与大钩接触点，顶驱重量由油缸承担，在测压点22.2处测得的压力值应为11MPa。弹跳功能由电磁换向阀18.2控制，在平衡机构处于运行模式时，打开弹跳功能可使压力增加2MPa，以将顶驱和钻柱提离大钩，增加压力的大小在测压点22.3处测量。
故 障
原 因
措 施
平衡机构不工作
油缸损坏，密封泄漏
检查油缸，修理或更换密封
无压力
测试压力，调节减压阀24
电磁阀18.2不动作
检查电气和液压功能，按要求更换或修理
减压阀24不动作
更换阀门
安全阀不动作
更换阀门
蓄能器压力低
充压
弹跳功能不实现
同上
同上
平衡系统故障诊断表

3. 刹车系统：系统供油使刹车油缸处于常开状态，其供油压力由减压阀31.1调节为9MPa，在测压点22.4处测量。
刹车系统故障故障诊断表
故障
原因
措施
刹车不能松开
液压不足或不能稳定在9MPa
调节减压阀31.1或更换
刹车未完全松开
机械故障
机械维修
刹车不能夹紧或打滑
换向阀18.3阀芯卡住
更换阀
刹瓦上有液压油
检查是否泄漏，修理
刹车动作迟缓
液压油杂质过多
更换液压油
换向阀18.3故障
更换该阀

4. 防喷器系统：在电磁换向阀18.4的电磁铁c06不得电的情况下，防喷器处于开启状态，在测压点22.7处可测得供油压力为4MPa，这个压力大小是由减压阀31.2调定的。当电磁铁c06得电时，防喷器关闭，此时在测压点22.7处测得的压力值应为14MPa，在测压点22.8处测得的压力值应为10MPa；若接着防喷器开启，即电磁铁c06又断电，则测压点22.7处测得的压力应在延迟一定时间后又回到4MPa。
防喷器液压系统故障诊断表
故障
原因
措施
安全阀泄漏
内部元件磨损
检查垫圈或磨损零件，修理或更换
执行机构不正常工作
检查机械部分，检查减压阀
液缸不动作
减压阀阻塞
测试压力，调节或更换减压阀
蓄能器未充压
测试压力并按要求充压
系统无压力
检查液压系统

5. 背钳：因用于背钳夹紧不油液未经过减压，故可以在测压点22.1处测得背钳夹紧时的压力，平衡阀37.1用于在夹紧时保压。
背钳液压故障诊断表
故 障
原 因
措 施
背钳不能夹紧
系统无压力
检查液压系统
油缸故障
检查油缸，更换或修理
背钳不能松开
系统无压力
检查液压系统
平衡阀阀芯卡住
更换阀门

6. 动力旋转头马达：动力旋转头的左旋和右旋由电磁换向阀36.2控制，工作压力由减压阀31.3调节，可在测压点22.9处测量压力值。两溢流阀28.2和28.3的设定值为16MPa，马达运行过程中，在测压点22.9处测得的压力值不能大于此值。
动力旋转头马达液压故障诊断表
故 障
原 因
措 施
旋转头不转动
电磁阀36.2或安全阀卡住
检查、修理或更换阀门
电磁阀36.2未通电
检查电路接头和电磁阀
液压马达磨损或齿轮破损
更换马达
机械故障
检查和维修
换向阀不能换向
检查左、右压力，更换该阀
节流阀堵塞
清洗或更换该阀
旋转头不转动
液压管线破损
更换管线
旋转头不能回位
换向阀卡住
测试压力并检查换向阀
控制系统故障
检查控制系统

7. 吊环倾斜系统：如原理图所示，吊环的前倾和后倾由电磁换向阀40控制，并由同步马达41来维持两倾斜油缸动作的同步，此外通过电磁换向阀门36.3来补偿同步误差，系统的工作压力可在测压点22.1处测量。当电磁换向阀18.5的电磁铁c13得电时，吊环可因自重回位。
吊环倾斜系统故障诊断表
故 障
原 因
措 施
吊卡不能伸至鼠洞
定位卡位置不正确
调整位置
控制阀松开后吊环位置不稳定
电磁换向阀阀芯卡住
清洗或更换
液缸密封失效
更换密封
对应的单向阀卡住
更换单向阀
吊环不能悬浮回位
电磁阀18.5电磁铁未得电
检查电路连接
吊环不倾斜
电磁阀40未动作
检查电磁阀
两油缸不同步
油缸加工误差
操作电磁阀36.3使同步