全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計

全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計,全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計,液壓,鉆機(jī),系統(tǒng),設(shè)計 學(xué)號： 設(shè) 計 題 目： 全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計 作 者： 屆 別： 院 別： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 完成時間： 2011年5月 46 摘 要 水平定向鉆機(jī)鋪管技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的非開挖鋪管技術(shù)之一，可用于穿越道路、河流、建筑物等障礙物鋪設(shè)管線，具有快速、高效、不破壞環(huán)境及影響交通等突出優(yōu)點。在當(dāng)今中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼的大環(huán)境下，擁有廣泛的市場前景。目前，對比與國外先進(jìn)的水平定向鉆機(jī)研發(fā)水平，我國的鉆機(jī)研發(fā)還處于一個比較落后的水平，因此加快水平定向鉆機(jī)的研發(fā)工作具有明顯的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。 鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)直接負(fù)責(zé)整機(jī)的控制和傳動系統(tǒng)，直接影響到系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)，是鉆機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。本文敘述了水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計過程。首先，比較詳盡地描述了水平定向鉆機(jī)的工作原理、各項性能指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成，同時分析了各機(jī)構(gòu)的工況和負(fù)載情況，為下一步液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。然后根據(jù)前面分析的結(jié)果，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并合理選擇各子系統(tǒng)的液壓元件，最后，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的性能驗算。本文設(shè)計的液壓系統(tǒng)可以使發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)的性能達(dá)到較好的狀態(tài)，發(fā)動機(jī)功率利用率、液壓系統(tǒng)傳動效率以及鉆機(jī)的作業(yè)效率也比較高。 關(guān)鍵詞：水平定向鉆機(jī)；液壓系統(tǒng)設(shè)計；液壓元件選擇；性能驗算 Abstract Horizontal Directional Drill pipe laying technology is currently the most widely used technique for trenchless pipe-laying can be used across the roads, rivers, buildings, obstacles such as laying pipelines, with a fast, efficient, without damaging the environment and highlight the advantages of traffic. Infrastructure construction in China today in full swing environment, have broad market prospects. At present, the comparison with foreign advanced level of research and development of horizontal directional drilling, drilling rig in China is still in a backward R & D levels, accelerate research and development of horizontal directional drilling has obvious social significance and economic significance. Drilling machine hydraulic system is directly responsible for the control and transmission system, directly affect the system performance is the key technology of drilling rig. This paper describes the design of the hydraulic system of horizontal directional drilling process. First, more detailed description of the horizontal directional cobalt machine works, the performance indicators, design parameters, structure, and analyzes the various agencies working conditions and load conditions, for the next design of the hydraulic system design basis. Then the previous results of the analysis of the hydraulic system design, and a reasonable choice of hydraulic components of each subsystem, and finally, checking the performance of the hydraulic system. This design allows the hydraulic system of the engine - hydraulic system's performance to good condition, engine power utilization, rig hydraulic system transmission efficiency and higher operating efficiency. Key words: horizontal directional drilling; hydraulic system design; hydraulic component selection; performance calculation 目錄 摘 要 I Abstract II 1. 緒論 1 1. 1水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 1 1. 1. 1非開挖技術(shù)簡介 1 1. 1. 2水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 1 1. 2國內(nèi)外水平定向鉆機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展 2 1. 2. 1國外水平定向鉆機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀 2 1. 2. 2國內(nèi)HDD現(xiàn)狀 2 1. 3水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng) 3 1. 3. 1水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)簡介 3 1. 3. 2鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 4 1. 4課題背景及論文主要工作內(nèi)容 4 1. 4. 1課題背景及來源 4 1. 4. 2論文主要內(nèi)容及各章安排 5 2. 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)工況分析 6 2. 1水平定向鉆機(jī)的工作原理 6 2. 1. 1水平定向鉆進(jìn)鋪管過程 6 2. 1. 2鉆孔鉆進(jìn)原理 7 2. 2水平定向鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點 8 2. 2. 1鉆機(jī)的主要設(shè)計參數(shù) 8 2. 2. 2鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的主要組成部分 10 2. 3鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工況分析 11 2. 3. 1鉆桿旋轉(zhuǎn)工況分析 11 2. 3. 2動力頭進(jìn)退工況分析 12 2. 3. 3鉆具夾緊及擰卸回路工況分析 13 2. 3. 4履帶行走系統(tǒng)工況分析 13 2. 3. 5支腿支撐回路工況分析 14 2. 4本章小結(jié) 14 3. 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計 16 3.1液壓系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理 16 3. 2發(fā)動機(jī)選型和計算 17 3. 3各液壓子系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 19 3. 3. 1動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 19 3. 3. 2動力頭推拉系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 21 3. 3. 3 泥漿系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 22 3. 3. 4其他液壓元件的選擇 22 4. 液壓系統(tǒng)的性能驗算 25 4. 1液壓系統(tǒng)壓力損失 25 4. 2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 26 4. 2. 1計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 26 4. 2. 2 計算液壓系統(tǒng)的散熱功率 27 4. 2. 3計算油箱散熱量 28 4. 3 計算液壓系統(tǒng)沖擊力 29 5. 總結(jié)與展望 31 5. 1研究總結(jié) 31 5. 2研究展望 31 參考文獻(xiàn) 34 致謝 36 附錄 37 附錄一、液壓系統(tǒng)常見故障分析與排除 37 1 液壓系統(tǒng)故障診斷和排除 37 2 液壓元件故障診斷和排除 41 46 設(shè)計 1. 緒論 1. 1水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 1. 1. 1非開挖技術(shù)簡介 非開挖鋪管技術(shù)是一種新型鋪管技術(shù)，與傳統(tǒng)的開挖作業(yè)相比，具有快速、高效、不破壞環(huán)境及綠化和不干擾。交通等優(yōu)點，其應(yīng)用日益廣泛，將成為未來城市鋪管作業(yè)的主流技術(shù)。非開挖技術(shù)比較常用的定義主要有以下兩種：1)非開挖施工技術(shù)是指在不開挖地表的條件下探測、檢查、修復(fù)、更換和鋪設(shè)各種地下公用設(shè)施(管道和電纜)的任何一種技術(shù)和方法；2)指利用巖土鉆掘、定向測控等技術(shù)手段，在不破壞地面情況下進(jìn)行不同用途、不同材質(zhì)管線的鋪設(shè)、修復(fù)和更換所使用的施工技術(shù)。廣泛用于市政、電信、電力，煤氣、油氣、自來水、有線電視、熱力等管線工程部門，也可用于水平降水工程、管棚支護(hù)工程以及污染物防滲治理工程等。目前。開挖鋪管技術(shù)主要包括水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)，微型隧道鋪管技術(shù)、沖擊矛鋪管技術(shù)、夯管法鋪管技術(shù)等。 1. 1. 2水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的非開挖技術(shù)之一，它將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的管線施工方法相結(jié)合，為地下管線施工帶來了一次技術(shù)革命。特別是在需要穿越地表以上障礙物或大中型河流時，定向鉆進(jìn)方法是最好的管線鋪設(shè)方法之一。它采用方向可控和以水射流破土為主的鉆進(jìn)技術(shù)，使用地表放置的鉆機(jī)，按設(shè)計軌跡預(yù)鉆一個導(dǎo)孔，然后在擴(kuò)孔和回拉的同時鋪入管線，管線直徑范圍一般在50-450mm。 水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)可用于穿越道路、河流、建筑物等障礙物鋪設(shè)管線，工作原理是采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，按設(shè)計的鉆孔軌跡施工一個定向孔，然后在鉆桿柱端部換接大直徑的擴(kuò)孔鉆頭和直徑小于擴(kuò)孔鉆頭的待鋪設(shè)管線，在拉回鉆桿的同時將鉆孔擴(kuò)大，同時拉入需鋪設(shè)的管道，在鉆掘定向孔的過程中，利用膨潤土、水，氣混合物來潤滑、冷卻和運載切削的土至地面，鉆具上安裝了定向測控儀，可改變鉆頭的傾斜角度，鉆進(jìn)的長度就是鉆桿總長度，適用于各種土層，砂卵石層和巖層。 1. 2國內(nèi)外水平定向鉆機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展 1. 2. 1國外水平定向鉆機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀 水平定向鉆機(jī)(HDD，Horizontal Directional Drill)起源于上世紀(jì)七十年代末期，隨著技術(shù)和裝備的不斷完善和改進(jìn)，八十年代中期在發(fā)達(dá)國家才被廣泛接受和認(rèn)可，得于迅速發(fā)展，井以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和廣發(fā)的市場前景的道路世界各國的重視。據(jù)了解，目前國外有三十余家HDD制造商，例如，典型廠家有美國的DITCH WITCH公司、威猛公司、凱斯公司、英格索蘭公司等。國外HDD產(chǎn)品規(guī)格齊全，自動化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，地層適應(yīng)性強(qiáng)，性能覆蓋范圍大，功率匹配合理、可靠，技術(shù)水平含量高，尤其是在PLC控制、自動更換鉆桿等方面尤其獨特的先進(jìn)性和優(yōu)越性。目前國外HDD的發(fā)展朝著大型化、微型化、硬巖作業(yè)、機(jī)械自動化、超深度導(dǎo)向監(jiān)控等趨勢發(fā)展。 1. 2. 2國內(nèi)HDD現(xiàn)狀 國內(nèi)的HDD研發(fā)相對于國外來說，起步較晚，與國際先進(jìn)水平存在很大的差距，特別是在導(dǎo)向監(jiān)控方面，很大程度上依賴國外的技術(shù)。 90年代中期以來，原地礦部、建設(shè)部、冶金部等相關(guān)單位，在一些小型HDD的自主研發(fā)上取得了一些突破和可惜的成績。主要產(chǎn)品有中國地質(zhì)科學(xué)院勘探研究所生產(chǎn)的GBS系列定向鉆機(jī)、連云港黃海機(jī)械廠等單位研發(fā)的FDP系列水平定向鉆機(jī)等。 “十五”期間，國內(nèi)HDD產(chǎn)品研發(fā)取得較大發(fā)展。如中聯(lián)重科、深圳鉆通、徐工、北京土行孫、南京地龍等企業(yè)都相應(yīng)開發(fā)出自己的產(chǎn)品。性能大幅提高，不少產(chǎn)品技術(shù)水平很高，到達(dá)國際先進(jìn)水平。如徐工集團(tuán)的ZD系列鉆機(jī)，在參考國外同類機(jī)型的基礎(chǔ)上，采用機(jī)電液集成的PLC控制、電液比例控制等技術(shù)，具有較高的技術(shù)水準(zhǔn)和市場競爭力。 但是，總的說來，我國的HDD與國外相比還是存在相當(dāng)?shù)牟罹?，還有待于我們一起努力，使我國的鉆機(jī)行業(yè)早日趕上并超越國際先進(jìn)水平。圖1.1分別是國外和國內(nèi)研發(fā)的兩種型號的水平定向鉆機(jī)的基本外形。 a)國外某型號水平定向鉆機(jī) b）國內(nèi)某廠商研制的水平定向鉆機(jī) 圖1.1水平定向鉆機(jī)的基本外形 1. 3水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng) 1. 3. 1水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)簡介 液壓技術(shù)在水平定向鉆機(jī)上特別是在中大功率鉆機(jī)上被廣泛采用。鉆機(jī)上應(yīng)用液壓技術(shù)是在七十年代開始的，最初主要是用于給進(jìn)機(jī)構(gòu)。隨著液壓技術(shù)的蓬勃發(fā)展，液壓技術(shù)在鉆機(jī)上的應(yīng)用也越來越普遍。與傳統(tǒng)的機(jī)械鉆機(jī)相比，全液壓鉆機(jī)具有功率重量比大，控制性能好等優(yōu)點，因此很快得到了推廣和應(yīng)用。隨著鉆機(jī)功率的增大，系統(tǒng)的能耗和發(fā)熱問題越來越突出，成為制約和影響鉆機(jī)性能發(fā)揮的重要因素。因此，在全液壓鉆機(jī)設(shè)計中，迫切需要應(yīng)用液壓技術(shù)和液壓元件發(fā)展的最新成果，對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，達(dá)到完善功能、提高效率的目的· 1. 3. 2鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的一個世紀(jì)，各項科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域取得了全所未有的突破性進(jìn)展。液壓技術(shù)也不斷取得新的突破，使整個機(jī)械裝備性能發(fā)生突破性前進(jìn)。特別是20世紀(jì)下半葉以來，流體傳動與控制技術(shù)和電子技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了機(jī)械電子液壓一體化的器件和系統(tǒng)。電液閥和電液控制系統(tǒng)在各類機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛應(yīng)用，機(jī)械裝備迅速向機(jī)電液一體化方向發(fā)展。 1. 4課題背景及論文主要工作內(nèi)容 1. 4. 1課題背景及來源 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和政府對環(huán)境的日益重視，自20世紀(jì)90年代以來， 我國非開挖的工程施工量和投入的設(shè)備數(shù)量均以每年40％的高速度增長。非開挖技術(shù) 在我國已形成了一個新興產(chǎn)業(yè)，引起了各級政府和環(huán)境部門的高度重視。我國極具潛 力的非開挖技術(shù)市場也吸引了大批國際非開挖設(shè)備制造商。在中國管道建設(shè)大發(fā)展的 21世紀(jì)，非開挖技術(shù)將具有十分廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益也非常巨大。 現(xiàn)代工程的施工量較大，工期要求比較嚴(yán)格，因此在施工過程中，提高作業(yè)效率、減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，就顯得尤為重要。從市場需求來看，用戶對施工質(zhì)量的要求越來越高，一些傳統(tǒng)的產(chǎn)品已無法滿足施工要求，只有自動化程度高、適應(yīng)范圍廣、采用先進(jìn)施工工藝的新型機(jī)器才能一顯身手，這也是今后水平定向鉆機(jī)的發(fā)展方向。 為了滿足日益增長的非開挖施工建設(shè)的需要，應(yīng)盡快提高我國水平定向鉆進(jìn)技術(shù)水平，這需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓系統(tǒng)、智能控制以及施工工藝等幾個方面入手。 結(jié)構(gòu)設(shè)計是指對底盤、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、動力頭、動力頭給進(jìn)/回拖機(jī)構(gòu)、鉆桿裝卸機(jī)構(gòu)、夾持器、錨固裝置和泥漿系統(tǒng)等的機(jī)械設(shè)計和合理布局。 液壓系統(tǒng)包括動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)(包含回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng))、行走液壓系統(tǒng)、鉆桿自動存取液壓系統(tǒng)、虎鉗液壓系統(tǒng)、錨固液壓系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓元件的選擇和參數(shù)匹配對整機(jī)的性能有較大的影響；而且選擇合適的液壓元件控制方式，也有利于自動控制的實現(xiàn)。 智能控制主要包括鉆進(jìn)導(dǎo)向控制技術(shù)、定向鉆機(jī)專用控制技術(shù)、地下電纜與管道探 測防觸碰安全保護(hù)技術(shù)、鉆進(jìn)規(guī)劃軟件了開發(fā)技術(shù)以及智能故障診斷技術(shù)。水平定向鉆機(jī)智能化控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是改進(jìn)鉆機(jī)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和動力性，提高鉆機(jī)的作業(yè)效率，同時簡化操作人員的操作，通過友好的人機(jī)界面，在操作靈活簡便的同時保證作業(yè)的精度，在這方面要予以高度重視并進(jìn)行深入研究。 施工工藝包括現(xiàn)場勘察工藝、鉆進(jìn)軌跡設(shè)計工藝、鉆進(jìn)先導(dǎo)孔工藝和擴(kuò)孔鋪管工藝。這方面的提高和完善，既需要理論上的研究和分析，還需要實踐經(jīng)驗的總結(jié)。 1. 4. 2論文主要內(nèi)容及各章安排 本文主要是對45t水平定向鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點以及工況特點做了比較詳細(xì)的分析，在原液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行全面地設(shè)計。對系統(tǒng)的節(jié)能性以及操縱性能有了較大的改善。在接下來的章節(jié)中，第二章主要是對水平定向鉆機(jī)的本體結(jié)構(gòu)分析、工況負(fù)載分析，第三章主要是根據(jù)上述分析的結(jié)果，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并對各子系統(tǒng)進(jìn)行分析及液壓元件的合理。第四章是對液壓系統(tǒng)進(jìn)行性能驗算。最后，在第五章中，總結(jié)前幾章的工作，并且對水平定向鉆機(jī)的發(fā)展方向作出展望。 2. 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)工況分析 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與主機(jī)的設(shè)計是緊密相連的。只有完全理解主機(jī)的工作原理、機(jī)構(gòu)特點、負(fù)載特性才能合理地設(shè)計出一套比較完善的液壓系統(tǒng)。因此，本章即在進(jìn)行水平定鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計以前，對鉆機(jī)的工作原理、設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)部件、工作環(huán)境、負(fù)載情況進(jìn)行深入的分析。 2. 1水平定向鉆機(jī)的工作原理 2. 1. 1水平定向鉆進(jìn)鋪管過程 非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪管過程主要分為導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪設(shè)管道三個階段。 （1）導(dǎo)向孔鉆進(jìn) 在不開挖或少開挖地表的情況下，利用導(dǎo)向鉆鑿技術(shù)，將一無線發(fā)射器(探頭)置入斜面鉆頭后的探頭盒內(nèi)。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，地面接收儀隨時顯示斜面鉆頭的深度，傾角及斜面的面向角，操作者據(jù)此進(jìn)行造斜鉆進(jìn)或直線鉆進(jìn)。在地面導(dǎo)航儀的引導(dǎo)下，從A點向B點鉆一個與設(shè)計軌跡吻合的導(dǎo)向孔，一般平面誤差為10cm，深度誤差為5％。圖2.1是導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程的示意圖。 圖2.l導(dǎo)向孔的鉆進(jìn) （2）回拉擴(kuò)孔 導(dǎo)向孔鉆出目標(biāo)點后，卸下導(dǎo)向斜面鉆頭，換上大徑擴(kuò)孔鉆頭，并在其后連接鉆桿，自B向A逐級回拉擴(kuò)孔，直至能夠容放預(yù)埋管道為止。排出孔內(nèi)多余殘土，等待鋪管。根據(jù)鋪設(shè)管道的直徑、材質(zhì)、地層等因素確定擴(kuò)孔方式、擴(kuò)孔級序，一般最大擴(kuò)孔直徑比預(yù)埋管徑大中100mm。預(yù)埋管徑內(nèi)采用排土法擴(kuò)孔，以外采用擠壓法擴(kuò)孔，將余土擠向孔壁四周，待鋪管后，應(yīng)力釋放自然回填，既避免了過量排土造成地面塌陷，也解決了擠壓過度形成的地面開裂難題。圖2.2是擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔的示意圖 圖2.2擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔 （3）回拖鋪管 在條件許可的情況下，可將B點工作坑做到足夠長，將全部管線一次性連接，采用A處鉆機(jī)拉、B處頂管頂?shù)姆椒?，將預(yù)埋管道穿入孔內(nèi)。若B處受限制時，可做一個短的下管坑，邊接一根回拉一根，直至將全部管線回拉到孔內(nèi)，完成鋪管工作。圖2.3是回拖鋪管過程的示意圖。 圖2.3回拖鋪管 2. 1. 2鉆孔鉆進(jìn)原理 由液壓系統(tǒng)提供的靜壓力通過鉆桿作用在鉆頭上，當(dāng)推進(jìn)力大于土壤作用在鉆頭和鉆桿表面的阻力時，便可以擠壓土壤在地下成孔。為減小定向鉆機(jī)所受到的阻力，將鉆頭做成特定的偏契式斜面，同時從鉆頭和鉆桿上的噴嘴中噴出潤滑液來疏松和固定土壤，所以定向鉆可以完成100米以上的地下穿孔作業(yè)。由于定向鉆鉆頭有一個非對稱的斜面，它使得鉆頭所受的合力是與鉆桿垂直的。因此。當(dāng)鉆頭斜面向下而鉆桿只推進(jìn)不旋轉(zhuǎn)時，鉆頭將帶動鉆桿向上偏移；而當(dāng)鉆桿帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時，由于垂直方向的力相互抵消，所以鉆機(jī)將直線前進(jìn)(如圖2.4所示)。 圖2.4水平定向鉆機(jī)軌跡改變的原理 這就是定向鉆能夠進(jìn)行曲線施工的基本條件。同時，在定向鉆的鉆頭中裝有斜面位置傳感器和信號發(fā)射器，操作人員通過接收器便能夠隨時知道斜面的傾角和鉆頭的實際深度等信息，便于進(jìn)行曲線運行控制。由此可知，鉆機(jī)工作過程中，鉆桿旋轉(zhuǎn)以及動力頭行走機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。 2. 2水平定向鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點 2. 2. 1鉆機(jī)的主要設(shè)計參數(shù) 由上可知，最大回拖力以及扭矩是水平定向鉆機(jī)最重要的參數(shù)，但設(shè)計鉆機(jī)時，不應(yīng)該把最大回拖力作為主要參數(shù)而忽略其他參數(shù)。設(shè)計的主要原則是：根據(jù)施工需求設(shè)計選擇一定拉力范圍的鉆機(jī)，然后將鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)桿的參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比，同時考慮發(fā)動機(jī)持續(xù)功率的大小。 (1) 推力(回拖力) 鉆機(jī)拉力決定拖拉管道的長度。在穿越地質(zhì)和施工工藝相同時鉆機(jī)的整體能力主要體現(xiàn)在所能施工管道的具體尺寸上，即管道直徑和相應(yīng)長度。因此，推力(回拖力)是鉆機(jī)最重要的參數(shù)。 (2) 鉆桿扭矩 定向鉆機(jī)的鉆孔和擴(kuò)孔過程主要靠鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩和泥漿的沖洗作用，而不只是推力(回拖力)。鉆機(jī)的拉力用來克服管道阻力，而輸出轉(zhuǎn)矩決定了鉆機(jī)的最大擴(kuò)孔能力，也就了該鉆機(jī)能夠施工的最大管道直徑。 (3) 鉆桿 鉆桿是地面鉆機(jī)于孔內(nèi)鉆具的唯一動力傳遞環(huán)節(jié)，實現(xiàn)傳遞給進(jìn)力、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、反向擴(kuò)孔和鋪管時的回拖力等作用。另外，作為沖洗介質(zhì)的通道，向孔底鉆具輸送鉆進(jìn)泥漿、壓縮空氣等。鉆桿主要參數(shù)是：材料、直徑、長度、桿體鋼管壁厚和絲扣牙型等(4) （4）發(fā)動機(jī)的持續(xù)功率 這一參數(shù)標(biāo)志著鉆機(jī)所具有的用于產(chǎn)生和回拖力的實際能力。由于鉆機(jī)時高負(fù)荷連續(xù)工作，因此要考慮發(fā)動機(jī)的連續(xù)輸出功率。表2.1為管徑和鉆孔長度的鉆機(jī)功率配備選擇對照表。表2.2是鉆機(jī)的主要參數(shù)。 表2.1鉆機(jī)功率配備選擇對照 性能要求 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 配備功率/kw 30 60 100 130 160 220 300 360 400以上 推力/KN 100 150 250 320 640 750 1000 1540 1800以上 轉(zhuǎn)矩/(KNm) 3 6 12 18 33 50 60 70 80以上 表2.2鉆機(jī)主要參數(shù) 鉆機(jī)主要參數(shù) 小型鉆機(jī) 大型鉆機(jī) 鉆機(jī)主要參數(shù) 小型鉆機(jī) 大型鉆機(jī) 鉆孔直徑/mm 100-110 1200-1800 轉(zhuǎn)速/（r/min） 0-200 0-80 鉆孔長度/m 20-50 1500-2300 轉(zhuǎn)矩（kNm） 0.25-0.50 120-184 推/拉力/kN 10-15 4000-6000 功率/kW 13-16.4 560-2×560 2. 2. 2鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的主要組成部分 水平定向鉆機(jī)屬于中大型工程機(jī)械設(shè)備，完成施工任務(wù)需要多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主機(jī)主要包括以下幾個部分：鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力頭行走機(jī)構(gòu)、整機(jī)行走機(jī)構(gòu)、支腿機(jī)構(gòu)、大粱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持器夾緊機(jī)構(gòu)、夾持器翻轉(zhuǎn)(卸扣)、泥漿系統(tǒng)等。當(dāng)然，為了實現(xiàn)上料的自動化，有些鉆機(jī)還包括吊機(jī)的起重、變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)回路及自動上料機(jī)構(gòu)等。從結(jié)構(gòu)上講，水平定向鉆機(jī)主要包括以下幾個部分。 (1)底盤 底盤為液壓驅(qū)動，橡膠履帶，剛性連接式車架。底盤主要包括車架及行走裝置。行走裝置主要包括兩縱梁、履帶張緊裝置、履帶總成、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、支重輪及行走減速機(jī)。車架為整體式焊接：兩縱梁與車架用高強(qiáng)度螺栓連接成一體，后端帶有兩垂直支腿、兩縱粱前部設(shè)置了導(dǎo)向輪及張緊裝置)后部設(shè)置了驅(qū)動輪及其傳動裝置，行走減速機(jī)選用進(jìn)口的馬達(dá)、減速機(jī)一體的內(nèi)藏式減速機(jī)，該減速機(jī)有快慢速兩擋，結(jié)構(gòu)緊湊。 (2)動力頭總成 主要包括動力頭減速器和推拉機(jī)構(gòu)，直接負(fù)責(zé)鉆桿旋轉(zhuǎn)和動力頭的進(jìn)退，使鉆機(jī)的執(zhí)行部件。推拉裝置是動力頭回拉或迸給運動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由一對低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)驅(qū)動一對減速機(jī)，由減速機(jī)驅(qū)動鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)，由鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)向動力頭提供進(jìn)給力或回拉力。動力頭由一個低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動減速機(jī)，由減速機(jī)驅(qū)動減速箱，由減速箱輸出軸驅(qū)動鉆桿轉(zhuǎn)動，輸出軸中空，便于向鉆頭注入泥漿水。 (3)鉆桿和鉆頭 鉆桿為高強(qiáng)度鋼管制造，每節(jié)長度3～5m，直徑60～90mm，利用錐管螺紋聯(lián)結(jié)相互聯(lián)結(jié)，最小曲率半徑為50節(jié)鉆桿，可根據(jù)用戶需要增加數(shù)量。鉆頭包括鉆進(jìn)鉆頭和回擴(kuò)鉆頭，回擴(kuò)鉆頭直徑可根據(jù)實際鋪管的直徑選用，主要可分為流道式回擴(kuò)頭、螺旋條式回擴(kuò)頭、圈式回擴(kuò)頭等。 (4)鉆桿自動裝卸裝置 鉆桿自動裝卸裝置包括鉆桿存放／提取和夾持／擰卸機(jī)構(gòu)。其中鉆桿存放／提取機(jī)構(gòu)包括鉆桿箱上下抬升和索臂伸縮機(jī)構(gòu)；當(dāng)裝鉆桿時鉆桿箱上下抬升機(jī)構(gòu)落到索臂上，索臂由控制系統(tǒng)控制抓取不同列數(shù)的鉆桿，然后鉆桿箱抬起，索臂伸出將鉆桿送到安裝位置實現(xiàn)安裝；卸時索臂將拆下鉆桿送到鉆桿箱相應(yīng)列數(shù)下，鉆桿箱落下將鉆桿擠入箱內(nèi)實現(xiàn)拆卸。 夾持／擰卸機(jī)構(gòu)均配有雙夾持器，與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和動力頭進(jìn)退相配合，—起組成鉆機(jī)的鉆桿夾卸系統(tǒng)。雙夾持器一般布置在底盤的前端，前夾持器(靠近孔口)承受反轉(zhuǎn)矩，后夾持器只在卸開第一扣時施加主動力矩。 (5)發(fā)動機(jī)系統(tǒng) 主要有于機(jī)型相匹配的柴油機(jī)和液壓泵組成，由于鉆機(jī)的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，液壓油路比較負(fù)載，一般采用多聯(lián)泵，可以同時提供多個排量的高壓油。 (6)導(dǎo)向系統(tǒng) 導(dǎo)向系統(tǒng)由探頭、地表手持式接收機(jī)和鉆機(jī)旁同步顯示器組成。 (7)泥漿系統(tǒng) 泥漿系統(tǒng)由隨車泥漿系統(tǒng)與泥漿攪拌系統(tǒng)組成。泥漿攪拌系統(tǒng)用于泥漿混配、攪拌、向隨車泥漿系統(tǒng)提供泥漿，隨車泥漿系統(tǒng)將泥漿加壓，通過動力頭、鉆桿、鉆頭打入孔內(nèi)，以穩(wěn)定孔壁、降低回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和拉管阻力，還可冷卻鉆頭、發(fā)射探頭、清除鉆進(jìn)產(chǎn)生的土屑等。 2. 3鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工況分析 準(zhǔn)確分析液壓系統(tǒng)工況是進(jìn)行液壓系統(tǒng)功能設(shè)計的前提。通過對液壓系統(tǒng)工況的分析，可以明確負(fù)載情況、控制對象、控制內(nèi)容及控制要求，為液壓系統(tǒng)功能的合理設(shè)計提供依據(jù)。 水平定向鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)根據(jù)所實現(xiàn)的功能不同，可分為以下幾個個基本回路：鉆桿旋轉(zhuǎn)回路、動力頭進(jìn)退回路、履帶行走回路、鉆具夾緊及擰卸回路、泥漿泵回路、大粱支排回路支腿回路。 2. 3. 1鉆桿旋轉(zhuǎn)工況分析 a、負(fù)載特性分析：負(fù)載是指液壓控制系統(tǒng)中液壓執(zhí)行元件運動時所需克服的各種阻力?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載主要由孔底的切削負(fù)載和回轉(zhuǎn)鉆桿的負(fù)載組成?；剞D(zhuǎn)負(fù)載的大小除受到所鉆地層巖性、鉆孔直徑大小、鉆進(jìn)方法、鉆孔深度、回轉(zhuǎn)速度等因素影響外，還與孔底鉆頭壓力的大小有關(guān)。孔底壓力越大，鉆頭切入深度越深，破碎巖石所需轉(zhuǎn)矩越大；孔底壓力太大，轉(zhuǎn)矩達(dá)到系統(tǒng)安全閥設(shè)定的最大值時，會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，不能正常鉆進(jìn)。實際工作中就是通過控制孔底壓力的大小使實際轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定工作在最大轉(zhuǎn)矩之下。 b、工況特點分析：鉆探工藝要求回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速有較大的調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)不同的鉆進(jìn)方法及鉆進(jìn)規(guī)程，并能雙向回轉(zhuǎn)及微動回轉(zhuǎn)；同時要求轉(zhuǎn)矩能在較大范圍內(nèi)適應(yīng)負(fù)載的變化?；剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)具有壓力適應(yīng)、速度可調(diào)、調(diào)速范圍大但不頻繁的特點。 2. 3. 2動力頭進(jìn)退工況分析 a、負(fù)載特性分析：動力頭進(jìn)退主要是回拖力的計算。動力頭進(jìn)退的負(fù)載主要由鉆具的重力負(fù)載、摩擦負(fù)載和項緊巖石的軸向負(fù)載(孔底壓力)組成。重力負(fù)載性質(zhì)取決于鉆孔傾角，鉆孔上揚時為阻性負(fù)載，鉆孔下斜時為超越負(fù)載；重力負(fù)載的大小與鉆孔深度、鉆孔傾角大小及單位長度鉆桿的重量有關(guān)。孔底壓力由鉆進(jìn)規(guī)程確定，通常是針對不同的巖層性質(zhì)和鉆頭種類為獲得最優(yōu)鉆進(jìn)指標(biāo)而由試驗得到的數(shù)值。 總回拖力，鉆進(jìn)的計算公式： （2.1） 式中：F為總回拖力(KN)；為管道的端面阻力(KN)；為單位長度管子的綜合摩擦阻力因子(KN/m)；L(m)為管道長度。 (2.2) (2.3) (2.4) 式中：D為管道外徑(m)；q為管道周邊均布載荷(KPa)；W為管道單位長度自重(KN/m )。u'為管與土之間的摩擦系數(shù)(v'=tan((b/2);為管與土之間的粘著力(KPa)；為土倉內(nèi)的壓力(KPa)。為掘進(jìn)所處土層的主動土壓力(KPa)；為掘進(jìn)所處土層的主動土應(yīng)力(KPa)；為給土倉的額加壓力(KPa)。a為考慮到土質(zhì)不同設(shè)置的修正系數(shù)。 表2.3修正系數(shù)表 土質(zhì) 軟土 沙性土 礫石土 1.5 2.0 3.0 綜合上述各式得： (2.5) 上式代表的意思是，鉆機(jī)的總回拖力是由以下四部分組成：(1)管道前端的迎面阻力；(2)由于上理荷載作用管外壁上產(chǎn)生的摩阻力；(3)由于管外壁與土之問的粘聚力產(chǎn)生的摩阻力；(4)由于管段重量產(chǎn)生的摩阻力。 b、工況特點：分析動力頭進(jìn)退機(jī)構(gòu)的功能是拉動動力頭部分即鉆桿部分通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)在鉆機(jī)底盤上前進(jìn)后退。當(dāng)進(jìn)退機(jī)構(gòu)的力為設(shè)定值時，鉆進(jìn)速度決定于巖石的可鉆性。通過調(diào)節(jié)給進(jìn)力也就在一定的鉆進(jìn)規(guī)程下調(diào)節(jié)進(jìn)退速度。進(jìn)退機(jī)構(gòu)的特性就是保持給定的初始給進(jìn)力條件下，當(dāng)巖石可鉆性改變時適應(yīng)進(jìn)退速度的變化規(guī)律。 綜上所述，進(jìn)退系統(tǒng)工況較復(fù)雜，可分為加壓鉆進(jìn)工況，減壓鉆進(jìn)工況，兼有高壓小流量慢速給進(jìn)和低壓大流量快速給進(jìn)的情形。因此進(jìn)退系統(tǒng)要求壓力可調(diào)、速度適應(yīng)。 2. 3. 3鉆具夾緊及擰卸回路工況分析 a、負(fù)載分析：這個回路其實包括兩套回路，一個是夾緊環(huán)節(jié)的負(fù)載，一個擰卸環(huán)節(jié)的負(fù)載。夾緊環(huán)節(jié)的負(fù)載主要是由兩個液壓缸完成，從理論上之需要克服液壓缸本身的摩擦力即可，但在實際饋況下要增加一定量的壓力；而擰卸環(huán)節(jié)的負(fù)載主要的克服鉆桿之聞錐螺紋的擰緊里和卸扣力。 在實際的設(shè)計過程中，可以在實際中測定鉆桿之問的擰緊力和卸扣力，而液壓系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)還應(yīng)該留有一定的余地。保證一定的安全系統(tǒng)。 b、工況分析：如前所述鉆機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)有兩個卡盤和夾持器，卡盤和夾持器的夾緊與松開是通過與回轉(zhuǎn)回路、給迸起拔回路聯(lián)動實現(xiàn)的。要求具備如下功能： 1）回轉(zhuǎn)器正轉(zhuǎn)與夾持器松開及卡盤夾緊聯(lián)動； 2）回轉(zhuǎn)器反轉(zhuǎn)與夾持器夾緊及卡盤夾緊聯(lián)動，實現(xiàn)鉆具卸扣； 3）回轉(zhuǎn)器前進(jìn)與后退與夾持器及卡盤的夾緊與松開聯(lián)動，完成起下鉆及倒桿動作。 2. 3. 4履帶行走系統(tǒng)工況分析 負(fù)載分析：履帶行走回路主要鉆機(jī)在開始工作以前或者結(jié)束工作以后，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動底盤履帶系統(tǒng)在水平地面或者斜坡上行走。因此主要是克服由鉆機(jī)重力引起的摩擦力做功。 （2.6） 式中：—行走系統(tǒng)負(fù)載； —履帶與地面接觸摩擦系數(shù)； —接觸面傾斜角度，水平接觸面取0。 工況分析：在自由地面上行走，工作人員可以在鉆機(jī)上控制鉆機(jī)的轉(zhuǎn)向，但是在鉆機(jī)完成工作以后，鉆機(jī)需要自身在事先搭好的斜坡平板上行駛，并且平板的寬度有限，工作人員本能停留在鉆機(jī)上控制，因此此時應(yīng)該確保鉆機(jī)履帶行走系統(tǒng)的絕對同步。 2. 3. 5支腿支撐回路工況分析 負(fù)載分析：支腿支撐的負(fù)載主要分兩部分：1)鉆機(jī)本身的重量；2)鉆機(jī)在工作過程中對地面的支撐作用。約等于鉆機(jī)的拉力或推力。 工況分析：支撐回路有幾個液壓缸組成，幾個液壓缸共同分擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)載，但是也要主要由于有力位置發(fā)生改變而造成的偏載現(xiàn)象，要求液壓缸的需要壓力有一定的余地。 2. 4本章小結(jié) 本章是在進(jìn)行水平定向鉆機(jī)液壓設(shè)計以前做的基本的準(zhǔn)備工作，主要是對鉆機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點以及工況進(jìn)行介紹和分析。 非開挖水平定向鉆進(jìn)鋪管過程主要分為導(dǎo)向孔鉆進(jìn)、回拉擴(kuò)孔、回拉鋪設(shè)管道三個階段，在鉆進(jìn)過程中，通過控制鉆頭的傾斜角來控制鉆桿鉆進(jìn)的角度；可以通過控制鉆桿旋轉(zhuǎn)控制鉆桿的路徑，沿直線鉆進(jìn)還是沿曲線鉆進(jìn)，因此可以看出，在水平定向鉆機(jī)工作過程中，鉆桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及動力頭行走機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)完成工作的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。 除了鉆進(jìn)/回拖力以及鉆桿旋轉(zhuǎn)扭矩兩項最基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，鉆機(jī)還有一些參數(shù)在鉆機(jī)工作過程中也是不可或缺的。諸如鉆桿的參數(shù)以及發(fā)動機(jī)的參數(shù)都對鉆機(jī)起至關(guān)重要的影響，各個參數(shù)之間有一定的匹配關(guān)系。在本文中給出了一些參數(shù)匹配的表格。在現(xiàn)有的鉆機(jī)機(jī)型中，其主要部件可以分成七個部件：底盤、動力頭總成、鉆桿和鉆頭、鉆桿自動裝卸裝置、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)。 工況分析是液壓系統(tǒng)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，本章在最后的部分對主要部件的液壓工況進(jìn)行比較詳盡的分析。主要分析機(jī)構(gòu)運行的負(fù)載特性分析和工況特點分析，對整臺機(jī)械的工作特點有了比較詳盡的了解。特別在動力頭進(jìn)退工況分析中，并給出最大鉆進(jìn)力的具體計算公式，對機(jī)構(gòu)設(shè)計以及液壓設(shè)計都有一定的指導(dǎo)意義。 3. 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計 3.1液壓系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理 本液壓系統(tǒng)構(gòu)成主要包括鉆機(jī)動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、進(jìn)給回拖系統(tǒng)、鉆桿卸扣系統(tǒng)、泥漿泵控制和整機(jī)行走系統(tǒng)等幾大部分。 1、2、3.變量泵4.吸油過濾器5.散熱器6、11.溢流閥7．單向閥8、16.電磁比例換向閥9、15、17、18.電磁換向閥10.泥漿馬達(dá)12、13、14.手動換向閥19.單向順序閥20、21.液壓鎖22、23.回轉(zhuǎn)馬達(dá)24、25.履帶行走馬達(dá)26.調(diào)整角缸27、28.卸扣器浮動缸29、30.進(jìn)給回拉馬達(dá) 31.卸扣器前夾緊缸32.后夾緊缸33.卸扣器扭轉(zhuǎn)缸34、35、36.液壓表 圖3.1水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)場條件具備，操作手操作鉆機(jī)的履帶行走手柄即換向閥12、13至左位驅(qū)動履帶行走馬達(dá)使鉆機(jī)進(jìn)場，待進(jìn)場就位以后，扳動手動換向閥14至右位，升起鉆臂調(diào)整角液壓缸至需要的人土角度(通常為)，調(diào)整完成后，把手動換向閥14扳向中位，液壓鎖鎖緊該支路，然后定位并打下地錨樁。之后司鉆扳動電磁比例換向閥16至左位，調(diào)節(jié)進(jìn)給回拖方向閥使動力頭和卸扣器之間留出上鉆桿空間，用吊車把鉆桿放在動力頭主軸和后夾緊缸32之間，完成后，操作后夾緊鉗換向閥18至右位，夾緊鉆桿，另一只手操作電磁比例換向閥8至左位，正向高速旋轉(zhuǎn)動力頭使鉆桿擰緊，完成后，操作手動換向閥18至左位，松開后夾緊鉗，然后按下電磁換向閥9至左位，啟動泥漿泵馬達(dá)給鉆桿內(nèi)通泥漿，通泥漿的同時操作比例電磁換向閥16至左位，使動力頭沿鉆臂前進(jìn)，待鉆頭快到入土位置，一邊繼續(xù)前進(jìn)一邊扳動比例電磁換向閥8至左位使動力頭同轉(zhuǎn)，一邊前進(jìn)一邊回轉(zhuǎn)，使整個動力頭采取螺旋式鉆進(jìn)。一根鉆桿鉆進(jìn)完成后扳動比例電磁換向閥16至右位退回動力頭到原先位置，上第2根鉆桿，如此周而復(fù)始，完成整個打?qū)蚩椎倪^程。在打?qū)蚩淄瓿珊蠡乩瓟U(kuò)孔卸鉆桿時，先操作方向閥17使夾緊缸3l夾緊第一根鉆桿帽，然后操作換向閥18使后夾緊缸32夾緊第2根鉆桿帽，待壓力升高到一定值后打開順序閥19使扭轉(zhuǎn)缸33動作，使其卸松鉆桿螺紋扣，只需卸松一絲扣，然后反轉(zhuǎn)動力頭即可。依次周而復(fù)始的完成整個鉆桿的拆卸。如果鉆桿帽長度不一樣，前后夾緊鉗不能夠準(zhǔn)確夾緊兩根鉆桿的鉆帽，操作手動換向閥15，調(diào)整浮動缸27、28的長度從而使前后夾緊缸正好能夠夾緊兩根鉆桿帽，有利于鉆桿的拆卸。至此完成了水平定向鉆機(jī)打?qū)蚩缀突乩瓟U(kuò)孔的全過程，也完成了整個鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的功能。 由于45t水平定向鉆機(jī)的工況復(fù)雜，對液壓元件的性能要求較高，所以選用了國際上先進(jìn)成熟的力士樂產(chǎn)品。以下是根據(jù)各液壓回路對液壓元件進(jìn)行選擇。 表3.1 45t水平定向鉆機(jī)動力頭技術(shù)參數(shù) 動力頭最大推力 450kN 動力頭最大回轉(zhuǎn)扭 20KNm 最大推拉力時運動速度 7.5m/min 動力頭最高回轉(zhuǎn)速度 130r/min 3. 2發(fā)動機(jī)選型和計算 根據(jù)馬達(dá)輸出功率的計算公式： （3.1） 式中，T——馬達(dá)輸出扭矩； n——馬達(dá)轉(zhuǎn)速。 對于動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將動力頭當(dāng)做馬達(dá)來計算，可以得到回轉(zhuǎn)系統(tǒng)所需的輸入 功率。動力頭的最大回轉(zhuǎn)扭矩=20kNm，此時的回轉(zhuǎn)速度n=40r/min，回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 總效率=0.63。 由式3.1， 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)最大輸入功率: 根據(jù)運動學(xué)上功率的定義，可以計算出動力頭推拉系統(tǒng)所需的輸入功率： P=Fv (3.2) 動力頭最大推拉力，此時的推進(jìn)速度v=7.5m/min，推拉系統(tǒng)總效率 =0.57。 由式3.2，推拉系統(tǒng)最大輸入功率: 綜上所述，動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)所需的輸入功率 水平定向鉆機(jī)作業(yè)時，泥漿泵與動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合工作?？紤]到泥漿泵的 需要，發(fā)動機(jī)選用重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動機(jī)。 圖3.2重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動機(jī)的外特性曲線 康明斯NTA-855-C型發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2100r/min，此時的輸出扭矩為1356Nm，輸出功率為298kW。 3. 3各液壓子系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 3. 3. 1動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用采用單泵+雙馬達(dá)+減速機(jī)的驅(qū)動形式。 (1)液壓馬達(dá) 變量馬達(dá)有多種結(jié)構(gòu)形式，與斜盤式軸向柱塞馬達(dá)相比，斜軸式馬達(dá)在耐沖擊、容積效率、機(jī)械效率、功率密度等方面均高于前者，在啟動性能方面也具有明顯優(yōu)勢。 為保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，系統(tǒng)正常的工作壓力為泵的額定壓力的60％~80％之間，約為24~32MPa。鉆機(jī)在這一壓力范圍內(nèi)工作，可以提高元件的使用壽命。當(dāng)負(fù)載增大時，若不改變馬達(dá)排量，也可以通過提高系統(tǒng)供油壓力，增大液壓馬達(dá)輸出扭矩。由于壓力變化范圍較大，所以系統(tǒng)的適應(yīng)性很強(qiáng)。 動力頭的最大回轉(zhuǎn)扭矩為=20kNm，最高回轉(zhuǎn)速度為130r/min，顯然需要減速機(jī)，選用Sumer-NR350二級減速機(jī)，減速比為，額定輸出扭矩8kNm，傳動效率為=0.96。 動力頭由兩個相同的液壓馬達(dá)共同驅(qū)動，單個液壓馬達(dá)的輸出扭矩為： 馬達(dá)的工作壓力，機(jī)械效率=0.95，由液壓馬達(dá)的輸出軸扭矩推算，可以得到馬達(dá)的排量： 動力頭的最高回轉(zhuǎn)速度為130r/min，折算到液壓馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速為n=130×31.5=4095r/min，即液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于4100 r/min。 由上述計算可知，系統(tǒng)額定壓力為40MPa，馬達(dá)最大輸出扭矩時的工作壓力取28MPa，排量為78.1mL，最大輸出扭矩為330.7Nm，最高轉(zhuǎn)速為4100 r/min。 液壓馬達(dá)選用力士樂公司生產(chǎn)的A6VM80斜軸式柱塞馬達(dá)，該變量馬達(dá)的技術(shù) 參數(shù)如表3.2所示。 表3.2力士樂A6VM80液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù) 排量 (mL) 額定壓力 (MPa) 最大壓力 (MPa) 最大流量 (L/min) 最高轉(zhuǎn)速 (r/min) 最大扭矩 (Nm) 重量 (kg) 80 40 45 312 6150 509 34 (2) 液壓泵 由于斜軸式軸向柱塞泵不能通軸驅(qū)動，所以不宜在閉式液壓系統(tǒng)中使用，在這里 選用斜盤式軸向柱塞泵。 動力頭的最高回轉(zhuǎn)速度為130r/min，折合到馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速為。為保證液壓系統(tǒng)的效率不至于過低，液壓馬達(dá)的排量比不應(yīng)小于0.3。動力頭由兩個液壓馬達(dá)驅(qū)動，故系統(tǒng)流量為： 當(dāng)負(fù)載扭矩變大時，動力頭回轉(zhuǎn)速度降低。為保證作業(yè)效率，參照其它同種規(guī)格水平定向鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)，動力頭回轉(zhuǎn)速度不應(yīng)低于40r/min，折合到馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速為=1260r/min，此時馬達(dá)在大排量下工作。這里以全排量來計算系統(tǒng)流量： 對于動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)來說：負(fù)載扭矩減小，系統(tǒng)壓力降低，馬達(dá)排量減小，回轉(zhuǎn)速度增大，鉆進(jìn)速度加快；負(fù)載扭矩增大時情況相反。由計算得到的、可以看出，系統(tǒng)的流量變化不大。系統(tǒng)在中高壓下工作，取泄漏系數(shù)K=1.2，故液壓泵的流量不應(yīng)小于242L/min。發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2100 r/min，由此計算出泵的排量為115mL。 由計算所得到的排量和系統(tǒng)工作壓力，選擇力士樂A4VGl25斜盤式軸向柱塞泵,該泵自帶補(bǔ)油泵，可通軸驅(qū)動，技術(shù)參數(shù)如表3.3所示。 表3.3力士樂A4VGl25斜盤式軸向柱塞泵技術(shù)參數(shù) 排量/mL 額定壓力 (Mpa) 最大壓力 (Mpa) 最高轉(zhuǎn)速 (r/min) 最大流量 (L/min) 最大扭矩 (Nm) 變量泵 輔助泵 125 28.3 40 45 2850 356 795 3. 3. 2動力頭推拉系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 動力頭推拉系統(tǒng)采用單泵+雙馬達(dá)+減速機(jī)+鏈傳動裝置的驅(qū)動形式。 (1)液壓泵 與動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)類似，動力頭推拉液壓系統(tǒng)也是由變量泵和變量馬達(dá)構(gòu)成 的閉式系統(tǒng)。動力頭推拉系統(tǒng)和動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以切換油路分別驅(qū)動左、右履帶行 走，為保持同步，推拉液壓泵與回轉(zhuǎn)液壓泵應(yīng)保持一致，選擇力士樂A4VGl25斜盤 式軸向柱塞泵。 (2)液壓馬達(dá) 對于動力頭推拉液壓系統(tǒng)來說：液壓馬達(dá)排量大，工作壓力高，輸出扭矩大，通 過減速機(jī)、鏈傳動裝置提供給動力頭的推拉力越大；反之則小。 選用Sumer-NR350三級減速機(jī)，減速比，額定輸出扭矩8.8kNm，驅(qū)動 半徑為r=0.092m。 動力頭最大推拉力F=450kN，最大推拉力時的運動速度為v=7.5m/min。 動力頭推進(jìn)力的計算公式： （3.3） 式中，——單馬達(dá)輸出扭矩； ——減速機(jī)的效率，取0.94； ——鏈傳動的機(jī)械效率，取0.92; 馬達(dá)的工作壓力，機(jī)械效率=0.95。 由式3.3，馬達(dá)的排量: 由系統(tǒng)工作壓力和計算排量，選擇力士樂公司生產(chǎn)的A6VM55斜軸式柱塞馬達(dá),技術(shù)參數(shù)如表3.4所示。 表3.4力士樂A6VM55液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù) 排量 (mL) 額定壓力 (MPa) 最大壓力 (MPa) 最大流量 (L/min) 最高轉(zhuǎn)速 (r/min) 最大扭矩 (Nm) 重量 (kg) 54.8 40 45 244 7000 349 26 3. 3. 3 泥漿系統(tǒng)設(shè)計及液壓元件選擇 任何一種型號的水平定向鉆機(jī)所配置的泥漿泵流量是一定的。在鉆進(jìn)時，泥漿用 量相對較少，泥漿泵調(diào)整為小流量;在回擴(kuò)或拖管時，由于鉆孔直徑較大，泥漿用量相對較多，泥漿泵要調(diào)整為大流量。操作者應(yīng)掌握合適的鉆進(jìn)或回擴(kuò)速度，以保證有足夠的泥漿供給，形成良好的鉆孔。國外有關(guān)泥漿公司對此進(jìn)行了量化，總結(jié)出一套泥漿用量的經(jīng)驗公式，用戶可根據(jù)該公式進(jìn)行初步計算，得到每分鐘泥漿用量、回拖時泥漿用量、工程所用泥漿總量等相關(guān)參數(shù)。 泥漿用量的經(jīng)驗公式： (3.4) 式中，Q——泥漿用量，單位：L/m； D——回擴(kuò)頭直徑，單位：m； K——漏失系數(shù)，通常在2~5之間，根據(jù)地質(zhì)條件的不同而選擇，如：在粘 性土壤中取2～3，而在砂石或泥漿漏失嚴(yán)重的地質(zhì)取4~5。 以上計算值為初步估算值，實際泥漿用量比估算值稍大。 選擇雷克工程機(jī)械有限公司的YWB-450/320型泥漿泵。 驅(qū)動馬達(dá)排量為314mL/r，最高轉(zhuǎn)速為640rpm，為使馬達(dá)獲得最高轉(zhuǎn)速，液壓泵的排量要達(dá)到95.7mL/r。可以選擇薩奧的95.7mL的齒輪泵。考慮到其余工作裝置的需要，供油壓力選擇20MPa，考慮到齒輪泵的機(jī)械效率，消耗發(fā)動機(jī)功率：69kW，扭矩：314Nm。 3. 3. 4其他液壓元件的選擇 1） 溢流閥 由上述3. 3. 1計算可知，系統(tǒng)最大工作壓力為40MPa，流量不小于242L/min，主油路上溢流閥6的壓力值即為40MPa；另外，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的最大工作壓力為32MPa。因此溢流閥6和11均可選擇錐閥式DBD直動型溢流閥（工作壓力可達(dá)40MPa，最大流量330L/min）。 2）液壓缸 液壓缸基本參數(shù)有公稱壓力p、缸筒內(nèi)徑（活塞直徑）D和外徑D1 、活塞桿直徑d、活塞行程、往復(fù)運動速度比等，它們都有標(biāo)準(zhǔn)系列。 據(jù)缸筒內(nèi)徑計算公式： (3.5) 式中液壓缸負(fù)載力F=450kN，工作壓力p=28MPa，可得D=45.2mm，據(jù)GB 2348-93取D=45mm。 活塞桿直徑計算公式為： (3.6) 表3.5速度比的選擇 壓力MPa 10 12.5~20 20 速度比 1.33 1.36~2 2 取=2，可算得d=31.8。據(jù)GB 2348-93,選取d=32mm； 液壓缸壁厚計算公式為 (3.7) 可算得=4.3mm。 外徑 取。 3） 油箱 容量(單位為L)的計算公式為: V＝aqv (3.8) 由于是高壓系統(tǒng)，a=10。所以油箱的容量V=196.5610=1965.6L按JB/T7938-1999規(guī)定容積取標(biāo)準(zhǔn)值V=2000L。油箱長、寬、高之比為1：（1-2）：（1-3），可初步算得油箱尺寸為長940mm，高1400mm，寬1880mm。 4）濾油器 系統(tǒng)壓力可大于32MPa，因此過濾精度要求小于10。選用LXZ系列箱外自封式吸油過濾器中的LXZ-250*F-CY型號的吸油過濾器。 5）油管及接頭 油管內(nèi)徑d和油管壁厚及外徑D分別按下面公式算出 (3.9) (3.10) (3.11) 可算得內(nèi)徑d=10.4mm，壁厚=2.2mm，外徑D取14mm。管接頭采用焊接管接頭。 4. 液壓系統(tǒng)的性能驗算 液壓系統(tǒng)初步設(shè)計是在某些估計參數(shù)情況下進(jìn)行的，當(dāng)各回路形式、液壓元件及聯(lián)接管路等完全確定后，針對實際情況對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行各項性能分析。對一般液壓傳動系統(tǒng)來說，主要是進(jìn)一步確切地計算液壓回路各段壓力損失、容積損失及系統(tǒng)效率，壓力沖擊和發(fā)熱溫升等。根據(jù)分析計算發(fā)現(xiàn)問題，對某些不合理的設(shè)計要進(jìn)行重新調(diào)整，或采取其他必要的措施。 4. 1液壓系統(tǒng)壓力損失 壓力損失包括管路的沿程損失Δp1，管路的局部壓力損失Δp2和閥類元件的局部損失Δp3，總的壓力損失為 Δp＝Δp1＋Δp2＋Δp3 （4.1） ， 式中 l——管道的長度(m)； d——管道內(nèi)徑(m)；v——液流平均速度(v/s)； ρ——油密度(kg/m3)；λ——沿程阻力系數(shù)； ζ——局部阻力系數(shù)。λ、ζ的具體值可參考液壓流體力學(xué)有關(guān)內(nèi)容。 qn——閥的額定流量(m3／s)；q——通過閥的實際流量(m3／s)； Δpn——閥的額定壓力損失(Pa)，可從產(chǎn)品樣本中查到。 對于泵到執(zhí)行元件間的壓力損失，如果計算出的Δp比選泵時估計的管路損失大得多時，應(yīng)該重新調(diào)整泵及其他有關(guān)元件的規(guī)格尺寸等參數(shù)。 系統(tǒng)