全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計

全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計,全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計,液壓,鉆機,系統(tǒng),設計 中期檢查表 畢業(yè)論文題目 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 學生姓名 學 號 院 別 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師 檢查日期 情況記載（包括外文科技文獻翻譯稿）： 在畢業(yè)設計前期，該畢業(yè)生主要完成了以下工作： 1. 了解國內外全液壓鉆機的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢； 2. 掌握水平定向鈷機的工作原理、各項性能指標、設計參數、結構組成； 3. 液壓系統(tǒng)進行設計，并合理選擇各子系統(tǒng)的液壓元件； 4. 畢業(yè)設計論文的前言和目錄。 指導教師意見： 簽名： 年 月 日 任務書 課題名稱：　 學生姓名： 　 系 別： 　　 專 業(yè)： 指導教師： 　　　 2010年12月2２日 1、 主題詞 液壓緩沖器 緩沖特性 液壓油 2、畢業(yè)設計（論文）內容要求： 1. 了解國內外CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢； 2. 掌握CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器的基本試驗方法和原理； 3. 深入了解CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器的機械運動特性; 4. 深入CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器的結構方式； 5. 深入分析CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器的技術發(fā)展方向及其原因； 6. 對現有CT24彈簧操縱機構液壓緩沖器進行改進設計，提高機構的可行性和改善生產成本。 3、文獻查閱指引： 1、《液壓流體力學》 北京機械工業(yè)出版社 2、《液壓流體力學》 國防上業(yè)出版社 3、《機械設計手冊》 機械工業(yè)出版社 4、《新編液壓工程手冊》 北京理工大學出版社 5、《緩沖器原理與應用》 現代機械 6、工廠內部資料 岳陽湘楚電器公司 4、畢業(yè)設計（論文）進度安排： 第 1 周 現場實地考、查閱設計課題的各種資料。 第 2-3 周 學習掌握彈簧操縱機構液壓緩沖器的基本原理、主要作用、基本結構。 第 4-5 周 深入了解高壓斷路器彈簧操動機構機械運動特性； 第 6-10 周 研究彈簧操縱機構液壓緩沖器的構能特性 第11-14周 完成畢業(yè)設計說明書的撰寫工作。 第 15 周 修改論文，審核。 第 16 周 畢業(yè)答辯。 教研室意見： 負責人簽名： 注：本任務書一式三份，由指導教師填寫，經教研室審批后一份下達給學生，一份交指導教師，一份留系里存檔。 審查表 學生姓名 學 號 院 別 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 指導老師 畢業(yè)論文題目 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 內容綜述（對畢業(yè)設計或論文的研究步驟和方法、主要內容及創(chuàng)新之處進行綜述，提出答辯申請）： 本文比較詳盡地描述了水平定向鈷機的工作原理、各項性能指標、設計參數、結構組成，同時分析了各機構的工況和負載情況，然后對液壓系統(tǒng)進行設計，并合理選擇各子系統(tǒng)的液壓元件，最后，進行液壓系統(tǒng)的性能驗算。本文設計的液壓系統(tǒng)可以使發(fā)動機-液壓系統(tǒng)的性能達到較好的狀態(tài)，發(fā)動機功率利用率、液壓系統(tǒng)傳動效率以及鉆機的作業(yè)效率也比較高此次設計內容個人獨立完成，符合設計要求、質量規(guī)范，現提出答辯申請，望予以批示。 資 格 審 查 項 目 是 否 1 外文科技文獻翻譯是否按要求完成 2 文檔資料是否齊全（任務書、開題報告、答辯申請、定稿論文及其相關附件資料等） 3 文檔是否符合規(guī)范化要求 4 是否按時向指導教師提交全部正式材料 5 是否剽竊他人成果或者直接照抄他人畢業(yè)設計 6 是否為已公開發(fā)表的個人論著 7 工作量是否達到所規(guī)定要求 備選 是否多人設計一個系統(tǒng)或者合作一個課題 （多人設計一個系統(tǒng)或者合作一個課題）內容是否雷同 院畢業(yè)論文工作領導小組意見： 符合答辯資格，同意答辯 □ 不符合答辯資格，不同意答辯□ （公章） 年 月 日 開題報告 課題名稱： 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 學生姓名： 院 別： 專 業(yè)： 指導教師： 2011年 3月 25 日 一、綜述國內外對本課題的研究動態(tài)，說明選題的依據和意義： 水平定向鉆機(HDD，Horizontal Directional Drill)起源于上世紀七十年代末期，隨著技術和裝備的不斷完善和改進，得于迅速發(fā)展，并以其獨特的技術優(yōu)勢和廣發(fā)的市場前景的道路世界各國的重視。國外HDD產品規(guī)格齊全，自動化程度高，結構緊湊，地層適應性強，性能覆蓋范圍大，功率匹配合理、可靠，技術水平含量高，尤其是在PIC控制、自動更換鉆桿等方面尤其獨特的先進性和優(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)、機械自動化、超深度導向監(jiān)控等趨勢發(fā)展。國內的HHD研發(fā)相對于國外來說，起步較晚，與國際先進水平存在很大的差距，特別是在導向監(jiān)控方面，很大程度上依賴國外的技術，還有待于我們一起努力，使我國的鉆機行業(yè)早日趕上并超越國際先進水平。 2、 研究的基本內容,擬解決的主要問題： 基本內容： a) 查閱各種文獻資料，了解國內外水平定向鉆機的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢； b) 掌握水平定向鉆機的工作原理、各項性能指標、設計參數、結構組成； c) 對液壓系統(tǒng)進行設計，并合理選擇各子系統(tǒng)的液壓元件； d) 整理相關資料，按畢業(yè)設計要求完成畢業(yè)設計說明書的撰寫； e) 畢業(yè)設計論文的前言和目錄。 解決的主要問題：設計的液壓系統(tǒng)應使發(fā)動機-液壓系統(tǒng)的性能達到較好的 狀態(tài)，發(fā)動機功率利用率、液壓系統(tǒng)傳動效率以及鉆機的作業(yè)效率也比較高。 三、研究的步驟、方法、措施及進度安排： 第 1 周 到工廠實習考察、初步了解水平定向鉆機的結構組成和作用。 第 2-3 周 查閱相關資料,弄清水平定向鉆機的基本原理、主要作用、基本結構和特性。 第4-5 周 學習掌握水平定向鉆機的基本原理、主要作用、基本結構。 第 6-10 周 水平定向鉆機的各項性能指標、設計參數，同時分析了各機構的工況和負載情況，進行液壓系統(tǒng)設計。 第11-14周 綜合文獻資料，完成畢業(yè)設計說明書攢寫。 第 15 周 修改論文，審核。 第 16 周 準備畢業(yè)答辯。 四、主要參考文獻： [1]王智明，馬保松，索忠偉．鉆孔與非開挖機械[M].化學工業(yè)出版社2006.7；2-4. [2]朱文鑒．國內井非開挖施工技術現狀及我國發(fā)展對策[J]．非開挖技術2003(20). [3]顏純文，蔣國盛，葉建良.非開挖鋪設地下管線工程技術[M]上海上?？萍汲霭嫔?005.1：6-8. [4]肖欽軍，張煒．水平定向鉆進技術在市政管線上的應用[J]．山西建筑，2002，(7)54-55. [5]張啟君，張忠海．國內外水平定向鉆機的現狀與發(fā)展建議[J]．建筑機械化，2004(4):11-12. [6]王忠國．徐工ZD系列水平定向鉆機[J]．建筑機械化，2001(9):22-24. [7]王慶豐，魏建華，吳攝華等．工程機械液壓控制技術的研究進展與展望[J].械工程學報2003，39(12):51-56. [8]喬建剛，楊敦榮．液壓挖掘機的節(jié)能技術[J]．現代機械．2002(2):78-79. [9]章宏甲，黃誼，王積偉主編.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：300-301. [10]官忠范主編.液壓傳動系統(tǒng)(第三版)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004：4-6. [11]張啟君.威猛D150X300水平定向鉆機[J]．建筑機械化2005(7)：37-38. [12]國內外典型水平定向和導向鉆機的主要技術參數[J].地質裝備,2004,5(01):23-28. [13]雪彥宏.水平定向鉆機的發(fā)展近況[J]．地質裝備，2004，5(01)：20-22. [14]張啟君,張忠海．水平定向鉆機概況與市場前景的探討[J]．工程機械，2004:26-28. [15]張啟君,張忠海,常任齊等.ZD1245/ZD2070型水平定向鉆機的設計[J]．探礦工 程，2004，(04):38-40. [16]成大先.機械設計手冊(第4卷)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.01 [17]汪星剛.重型工程運輸車行走驅動控制系統(tǒng)的研究與實現[D].武漢:武漢理工大學，2005. [18]王春行．液壓控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1 999.05. 五、指導教師意見： 簽名： 六、教研室意見： 簽名： 注：此表由學生本人填寫，一式三份，一份留系里存檔，指導教師和學生本人各保存一份， 成績 畢業(yè)論文題目 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 院 別 機械工程學院 學生姓名 指導教師 學 號 成績來源項目 論文各個環(huán)節(jié)原始分（百分制） 論文各個環(huán)節(jié)所占分值 得分（百分制） 所占分值 畢業(yè)設計(90%) 指導老師（30%） 評閱老師（20%） 答辯小組（50%） 外文科技文獻翻譯(10%) 畢業(yè)論文工作最終成績 （百分制） 院畢業(yè)論文工作領導小組意見： 綜合畢業(yè)論文的質量、答辯情況及指導教師和評閱教師的意見 ，該畢業(yè)論文的最終成績評定為 優(yōu)□ 良□ 中□ 及格□ 不及格□ 負責人簽名： （加蓋公章）： 說明：1、學生畢業(yè)論文工作的最終成績，采取五級記分制：優(yōu)秀（85-100）、良好（75-84）、中等（65-794）、及格（60-64）、不及格（59及以下）。 2、學生畢業(yè)論文工作的成績由兩部分構成：即外文科技文獻翻譯（占總成績的20﹪）和畢業(yè)論文（占總成績的80﹪），其中外文科技文獻翻譯成績由指導老師給出，而學生畢業(yè)論文的成績由答辯小組所給成績（占50﹪）、評閱教師所給成績（占20﹪）和指導教師所給成績（占30﹪）三部分組成。 答辯記錄表 畢 業(yè) 設 計 題 目 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 系 別 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 學 號 指導教師 答辯時間 記 錄 人 答辯地點 答成 辯員 小名 組單 姓 名 職 稱 姓 名 職 稱 答辯過程記錄： 答辯小組評語： 成績評定等級：優(yōu)□ 良□ 中□ 及格□ 不及格□ 答辯小組簽名： 院畢業(yè)設計工作領導小組意見： 綜合畢業(yè)設計的質量、答辯情況及指導教師和評閱教師的意見 ，該畢業(yè)設計的最終成績評定為 優(yōu)□ 良□ 中□ 及格□ 不及格□ 簽 名（章）： 評價表 畢業(yè)設計 題 目 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 學生姓名 系 別 機械工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導/評閱 教師 評 價 項 目 A B C D 選題 質量 01 選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現綜合訓練基本要求 02 題目難易度 03 題目工作量 04 題目與生產、科研、實驗室建設等實際的結合程度 畢業(yè) 設計 質量 05 綜合運用知識的能力（涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度） 06 應用文獻資料的能力 07 實驗（設計）能力 08 計算能力（數據運算與處理能力等） 09 外文應用能力 10 計算機應用能力 11 對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經濟分析能力） 12 插圖（或圖紙）質量 13 論文（或設計說明書）撰寫水平 14 論文（或設計）的實用性與科學性 15 論文（或設計）規(guī)范化程度（論文（或設計）欄目齊全合理、SI制的使用等） 16 創(chuàng)見性 綜合評價 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 □ 評 語 （如不夠填寫，可另附紙） 簽名：__________ 學號： 設 計 題 目： 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)設計 作 者： 屆 別： 院 別： 專 業(yè)： 指導教師： 職 稱： 完成時間： 2011年5月 46 摘 要 水平定向鉆機鋪管技術是目前應用最廣泛的非開挖鋪管技術之一，可用于穿越道路、河流、建筑物等障礙物鋪設管線，具有快速、高效、不破壞環(huán)境及影響交通等突出優(yōu)點。在當今中國基礎設施建設如火如荼的大環(huán)境下，擁有廣泛的市場前景。目前，對比與國外先進的水平定向鉆機研發(fā)水平，我國的鉆機研發(fā)還處于一個比較落后的水平，因此加快水平定向鉆機的研發(fā)工作具有明顯的社會意義和經濟意義。 鉆機的液壓系統(tǒng)直接負責整機的控制和傳動系統(tǒng)，直接影響到系統(tǒng)的各項性能指標，是鉆機的關鍵技術。本文敘述了水平定向鉆機液壓系統(tǒng)設計過程。首先，比較詳盡地描述了水平定向鉆機的工作原理、各項性能指標、設計參數、結構組成，同時分析了各機構的工況和負載情況，為下一步液壓系統(tǒng)的設計提供設計依據。然后根據前面分析的結果，對液壓系統(tǒng)進行設計，并合理選擇各子系統(tǒng)的液壓元件，最后，進行液壓系統(tǒng)的性能驗算。本文設計的液壓系統(tǒng)可以使發(fā)動機-液壓系統(tǒng)的性能達到較好的狀態(tài)，發(fā)動機功率利用率、液壓系統(tǒng)傳動效率以及鉆機的作業(yè)效率也比較高。 關鍵詞：水平定向鉆機；液壓系統(tǒng)設計；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水平定向鉆進鋪管技術簡介 1 1. 1. 1非開挖技術簡介 1 1. 1. 2水平定向鉆進鋪管技術簡介 1 1. 2國內外水平定向鉆機研發(fā)現狀和發(fā)展 2 1. 2. 1國外水平定向鉆機的研發(fā)現狀 2 1. 2. 2國內HDD現狀 2 1. 3水平定向鉆機液壓系統(tǒng) 3 1. 3. 1水平定向鉆機液壓系統(tǒng)簡介 3 1. 3. 2鉆機液壓系統(tǒng)的發(fā)展現狀和趨勢 4 1. 4課題背景及論文主要工作內容 4 1. 4. 1課題背景及來源 4 1. 4. 2論文主要內容及各章安排 5 2. 鉆機結構及液壓系統(tǒng)工況分析 6 2. 1水平定向鉆機的工作原理 6 2. 1. 1水平定向鉆進鋪管過程 6 2. 1. 2鉆孔鉆進原理 7 2. 2水平定向鉆機的結構特點 8 2. 2. 1鉆機的主要設計參數 8 2. 2. 2鉆機結構的主要組成部分 10 2. 3鉆機液壓系統(tǒng)工況分析 11 2. 3. 1鉆桿旋轉工況分析 11 2. 3. 2動力頭進退工況分析 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 14 3. 鉆機液壓系統(tǒng)設計 16 3.1液壓系統(tǒng)的構成和工作原理 16 3. 2發(fā)動機選型和計算 17 3. 3各液壓子系統(tǒng)設計及液壓元件選擇 19 3. 3. 1動力頭回轉系統(tǒng)設計及液壓元件選擇 19 3. 3. 2動力頭推拉系統(tǒng)設計及液壓元件選擇 21 3. 3. 3 泥漿系統(tǒng)設計及液壓元件選擇 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. 總結與展望 31 5. 1研究總結 31 5. 2研究展望 31 參考文獻 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 設計 1. 緒論 1. 1水平定向鉆進鋪管技術簡介 1. 1. 1非開挖技術簡介 非開挖鋪管技術是一種新型鋪管技術，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，其應用日益廣泛，將成為未來城市鋪管作業(yè)的主流技術。非開挖技術比較常用的定義主要有以下兩種：1)非開挖施工技術是指在不開挖地表的條件下探測、檢查、修復、更換和鋪設各種地下公用設施(管道和電纜)的任何一種技術和方法；2)指利用巖土鉆掘、定向測控等技術手段，在不破壞地面情況下進行不同用途、不同材質管線的鋪設、修復和更換所使用的施工技術。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、管棚支護工程以及污染物防滲治理工程等。目前。開挖鋪管技術主要包括水平定向鉆進鋪管技術，微型隧道鋪管技術、沖擊矛鋪管技術、夯管法鋪管技術等。 1. 1. 2水平定向鉆進鋪管技術簡介 水平定向鉆進鋪管技術是目前應用最為廣泛的非開挖技術之一，它將石油工業(yè)的定向鉆進技術與傳統(tǒng)的管線施工方法相結合，為地下管線施工帶來了一次技術革命。特別是在需要穿越地表以上障礙物或大中型河流時，定向鉆進方法是最好的管線鋪設方法之一。它采用方向可控和以水射流破土為主的鉆進技術，使用地表放置的鉆機，按設計軌跡預鉆一個導孔，然后在擴孔和回拉的同時鋪入管線，管線直徑范圍一般在50-450mm。 水平定向鉆進鋪管技術可用于穿越道路、河流、建筑物等障礙物鋪設管線，工作原理是采用定向鉆進技術，按設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孔鉆頭和直徑小于擴孔鉆頭的待鋪設管線，在拉回鉆桿的同時將鉆孔擴大，同時拉入需鋪設的管道，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國內外水平定向鉆機研發(fā)現狀和發(fā)展 1. 2. 1國外水平定向鉆機的研發(fā)現狀 水平定向鉆機(HDD，Horizontal Directional Drill)起源于上世紀七十年代末期，隨著技術和裝備的不斷完善和改進，八十年代中期在發(fā)達國家才被廣泛接受和認可，得于迅速發(fā)展，井以其獨特的技術優(yōu)勢和廣發(fā)的市場前景的道路世界各國的重視。據了解，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產品規(guī)格齊全，自動化程度高，結構緊湊，地層適應性強，性能覆蓋范圍大，功率匹配合理、可靠，技術水平含量高，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)、機械自動化、超深度導向監(jiān)控等趨勢發(fā)展。 1. 2. 2國內HDD現狀 國內的HDD研發(fā)相對于國外來說，起步較晚，與國際先進水平存在很大的差距，特別是在導向監(jiān)控方面，很大程度上依賴國外的技術。 90年代中期以來，原地礦部、建設部、冶金部等相關單位，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。主要產品有中國地質科學院勘探研究所生產的GBS系列定向鉆機、連云港黃海機械廠等單位研發(fā)的FDP系列水平定向鉆機等。 “十五”期間，國內HDD產品研發(fā)取得較大發(fā)展。如中聯重科、深圳鉆通、徐工、北京土行孫、南京地龍等企業(yè)都相應開發(fā)出自己的產品。性能大幅提高，不少產品技術水平很高，到達國際先進水平。如徐工集團的ZD系列鉆機，在參考國外同類機型的基礎上，采用機電液集成的PLC控制、電液比例控制等技術，具有較高的技術水準和市場競爭力。 但是，總的說來，我國的HDD與國外相比還是存在相當的差距，還有待于我們一起努力，使我國的鉆機行業(yè)早日趕上并超越國際先進水平。圖1.1分別是國外和國內研發(fā)的兩種型號的水平定向鉆機的基本外形。 a)國外某型號水平定向鉆機 b）國內某廠商研制的水平定向鉆機 圖1.1水平定向鉆機的基本外形 1. 3水平定向鉆機液壓系統(tǒng) 1. 3. 1水平定向鉆機液壓系統(tǒng)簡介 液壓技術在水平定向鉆機上特別是在中大功率鉆機上被廣泛采用。鉆機上應用液壓技術是在七十年代開始的，最初主要是用于給進機構。隨著液壓技術的蓬勃發(fā)展，液壓技術在鉆機上的應用也越來越普遍。與傳統(tǒng)的機械鉆機相比，全液壓鉆機具有功率重量比大，控制性能好等優(yōu)點，因此很快得到了推廣和應用。隨著鉆機功率的增大，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性能發(fā)揮的重要因素。因此，在全液壓鉆機設計中，迫切需要應用液壓技術和液壓元件發(fā)展的最新成果，對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進行技術改造，達到完善功能、提高效率的目的· 1. 3. 2鉆機液壓系統(tǒng)的發(fā)展現狀和趨勢 20世紀是科學技術飛速發(fā)展的一個世紀，各項科學技術在各個領域取得了全所未有的突破性進展。液壓技術也不斷取得新的突破，使整個機械裝備性能發(fā)生突破性前進。特別是20世紀下半葉以來，流體傳動與控制技術和電子技術、信息技術相結合，發(fā)展了機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)在各類機械設備上獲得了廣泛應用，機械裝備迅速向機電液一體化方向發(fā)展。 1. 4課題背景及論文主要工作內容 1. 4. 1課題背景及來源 隨著我國國民經濟的高速發(fā)展和政府對環(huán)境的日益重視，自20世紀90年代以來， 我國非開挖的工程施工量和投入的設備數量均以每年40％的高速度增長。非開挖技術 在我國已形成了一個新興產業(yè)，引起了各級政府和環(huán)境部門的高度重視。我國極具潛 力的非開挖技術市場也吸引了大批國際非開挖設備制造商。在中國管道建設大發(fā)展的 21世紀，非開挖技術將具有十分廣闊的應用前景，經濟效益和社會效益也非常巨大。 現代工程的施工量較大，工期要求比較嚴格，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度，就顯得尤為重要。從市場需求來看，用戶對施工質量的要求越來越高，一些傳統(tǒng)的產品已無法滿足施工要求，只有自動化程度高、適應范圍廣、采用先進施工工藝的新型機器才能一顯身手，這也是今后水平定向鉆機的發(fā)展方向。 為了滿足日益增長的非開挖施工建設的需要，應盡快提高我國水平定向鉆進技術水平，這需要從結構設計、液壓系統(tǒng)、智能控制以及施工工藝等幾個方面入手。 結構設計是指對底盤、發(fā)動機系統(tǒng)、動力頭、動力頭給進/回拖機構、鉆桿裝卸機構、夾持器、錨固裝置和泥漿系統(tǒng)等的機械設計和合理布局。 液壓系統(tǒng)包括動力頭液壓驅動系統(tǒng)(包含回轉系統(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)的結構設計、液壓元件的選擇和參數匹配對整機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。 智能控制主要包括鉆進導向控制技術、定向鉆機專用控制技術、地下電纜與管道探 測防觸碰安全保護技術、鉆進規(guī)劃軟件了開發(fā)技術以及智能故障診斷技術。水平定向鉆機智能化控制系統(tǒng)的主要任務是改進鉆機作業(yè)的經濟性和動力性，提高鉆機的作業(yè)效率，同時簡化操作人員的操作，通過友好的人機界面，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行深入研究。 施工工藝包括現場勘察工藝、鉆進軌跡設計工藝、鉆進先導孔工藝和擴孔鋪管工藝。這方面的提高和完善，既需要理論上的研究和分析，還需要實踐經驗的總結。 1. 4. 2論文主要內容及各章安排 本文主要是對45t水平定向鉆機的結構特點以及工況特點做了比較詳細的分析，在原液壓系統(tǒng)的基礎上對鉆機的液壓系統(tǒng)進行全面地設計。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的本體結構分析、工況負載分析，第三章主要是根據上述分析的結果，對液壓系統(tǒng)進行設計，并對各子系統(tǒng)進行分析及液壓元件的合理。第四章是對液壓系統(tǒng)進行性能驗算。最后，在第五章中，總結前幾章的工作，并且對水平定向鉆機的發(fā)展方向作出展望。 2. 鉆機結構及液壓系統(tǒng)工況分析 液壓系統(tǒng)的設計與主機的設計是緊密相連的。只有完全理解主機的工作原理、機構特點、負載特性才能合理地設計出一套比較完善的液壓系統(tǒng)。因此，本章即在進行水平定鉆機液壓系統(tǒng)設計以前，對鉆機的工作原理、設計參數、結構部件、工作環(huán)境、負載情況進行深入的分析。 2. 1水平定向鉆機的工作原理 2. 1. 1水平定向鉆進鋪管過程 非開挖水平定向鉆進鋪管過程主要分為導向孔鉆進、回拉擴孔、回拉鋪設管道三個階段。 （1）導向孔鉆進 在不開挖或少開挖地表的情況下，利用導向鉆鑿技術，將一無線發(fā)射器(探頭)置入斜面鉆頭后的探頭盒內。導向孔鉆進過程中，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，操作者據此進行造斜鉆進或直線鉆進。在地面導航儀的引導下，從A點向B點鉆一個與設計軌跡吻合的導向孔，一般平面誤差為10cm，深度誤差為5％。圖2.1是導向孔鉆進過程的示意圖。 圖2.l導向孔的鉆進 （2）回拉擴孔 導向孔鉆出目標點后，卸下導向斜面鉆頭，換上大徑擴孔鉆頭，并在其后連接鉆桿，自B向A逐級回拉擴孔，直至能夠容放預埋管道為止。排出孔內多余殘土，等待鋪管。根據鋪設管道的直徑、材質、地層等因素確定擴孔方式、擴孔級序，一般最大擴孔直徑比預埋管徑大中100mm。預埋管徑內采用排土法擴孔，以外采用擠壓法擴孔，將余土擠向孔壁四周，待鋪管后，應力釋放自然回填，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是擴孔器回拖擴孔的示意圖 圖2.2擴孔器回拖擴孔 （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處鉆機拉、B處頂管頂的方法，將預埋管道穿入孔內。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，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，當推進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。當鉆頭斜面向下而鉆桿只推進不旋轉時，鉆頭將帶動鉆桿向上偏移；而當鉆桿帶動鉆頭高速旋轉時，由于垂直方向的力相互抵消，所以鉆機將直線前進(如圖2.4所示)。 圖2.4水平定向鉆機軌跡改變的原理 這就是定向鉆能夠進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，便于進行曲線運行控制。由此可知，鉆機工作過程中，鉆桿旋轉以及動力頭行走機構是系統(tǒng)的關鍵機構。 2. 2水平定向鉆機的結構特點 2. 2. 1鉆機的主要設計參數 由上可知，最大回拖力以及扭矩是水平定向鉆機最重要的參數，但設計鉆機時，不應該把最大回拖力作為主要參數而忽略其他參數。設計的主要原則是：根據施工需求設計選擇一定拉力范圍的鉆機，然后將鉆機的輸出轉矩和轉桿的參數作為關鍵參數進行對比，同時考慮發(fā)動機持續(xù)功率的大小。 (1) 推力(回拖力) 鉆機拉力決定拖拉管道的長度。在穿越地質和施工工藝相同時鉆機的整體能力主要體現在所能施工管道的具體尺寸上，即管道直徑和相應長度。因此，推力(回拖力)是鉆機最重要的參數。 (2) 鉆桿扭矩 定向鉆機的鉆孔和擴孔過程主要靠鉆機的轉矩和泥漿的沖洗作用，而不只是推力(回拖力)。鉆機的拉力用來克服管道阻力，而輸出轉矩決定了鉆機的最大擴孔能力，也就了該鉆機能夠施工的最大管道直徑。 (3) 鉆桿 鉆桿是地面鉆機于孔內鉆具的唯一動力傳遞環(huán)節(jié)，實現傳遞給進力、回轉轉矩、反向擴孔和鋪管時的回拖力等作用。另外，作為沖洗介質的通道，向孔底鉆具輸送鉆進泥漿、壓縮空氣等。鉆桿主要參數是：材料、直徑、長度、桿體鋼管壁厚和絲扣牙型等(4) （4）發(fā)動機的持續(xù)功率 這一參數標志著鉆機所具有的用于產生和回拖力的實際能力。由于鉆機時高負荷連續(xù)工作，因此要考慮發(fā)動機的連續(xù)輸出功率。表2.1為管徑和鉆孔長度的鉆機功率配備選擇對照表。表2.2是鉆機的主要參數。 表2.1鉆機功率配備選擇對照 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 轉矩/(KNm) 3 6 12 18 33 50 60 70 80以上 表2.2鉆機主要參數 鉆機主要參數 小型鉆機 大型鉆機 鉆機主要參數 小型鉆機 大型鉆機 鉆孔直徑/mm 100-110 1200-1800 轉速/（r/min） 0-200 0-80 鉆孔長度/m 20-50 1500-2300 轉矩（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鉆機結構的主要組成部分 水平定向鉆機屬于中大型工程機械設備，完成施工任務需要多個執(zhí)行機構。主機主要包括以下幾個部分：鉆桿旋轉機構、動力頭行走機構、整機行走機構、支腿機構、大粱翻轉機構、夾持器夾緊機構、夾持器翻轉(卸扣)、泥漿系統(tǒng)等。當然，為了實現上料的自動化，有些鉆機還包括吊機的起重、變幅、伸縮、回轉回路及自動上料機構等。從結構上講，水平定向鉆機主要包括以下幾個部分。 (1)底盤 底盤為液壓驅動，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、驅動輪、導向輪、支重輪及行走減速機。車架為整體式焊接：兩縱梁與車架用高強度螺栓連接成一體，后端帶有兩垂直支腿、兩縱粱前部設置了導向輪及張緊裝置)后部設置了驅動輪及其傳動裝置，行走減速機選用進口的馬達、減速機一體的內藏式減速機，該減速機有快慢速兩擋，結構緊湊。 (2)動力頭總成 主要包括動力頭減速器和推拉機構，直接負責鉆桿旋轉和動力頭的進退，使鉆機的執(zhí)行部件。推拉裝置是動力頭回拉或迸給運動的執(zhí)行機構，由一對低速大轉矩馬達驅動一對減速機，由減速機驅動鏈輪鏈條機構，由鏈輪鏈條機構向動力頭提供進給力或回拉力。動力頭由一個低速大扭矩馬達驅動減速機，由減速機驅動減速箱，由減速箱輸出軸驅動鉆桿轉動，輸出軸中空，便于向鉆頭注入泥漿水。 (3)鉆桿和鉆頭 鉆桿為高強度鋼管制造，每節(jié)長度3～5m，直徑60～90mm，利用錐管螺紋聯結相互聯結，最小曲率半徑為50節(jié)鉆桿，可根據用戶需要增加數量。鉆頭包括鉆進鉆頭和回擴鉆頭，回擴鉆頭直徑可根據實際鋪管的直徑選用，主要可分為流道式回擴頭、螺旋條式回擴頭、圈式回擴頭等。 (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／擰卸機構。其中鉆桿存放／提取機構包括鉆桿箱上下抬升和索臂伸縮機構；當裝鉆桿時鉆桿箱上下抬升機構落到索臂上，索臂由控制系統(tǒng)控制抓取不同列數的鉆桿，然后鉆桿箱抬起，索臂伸出將鉆桿送到安裝位置實現安裝；卸時索臂將拆下鉆桿送到鉆桿箱相應列數下，鉆桿箱落下將鉆桿擠入箱內實現拆卸。 夾持／擰卸機構均配有雙夾持器，與回轉機構和動力頭進退相配合，—起組成鉆機的鉆桿夾卸系統(tǒng)。雙夾持器一般布置在底盤的前端，前夾持器(靠近孔口)承受反轉矩，后夾持器只在卸開第一扣時施加主動力矩。 (5)發(fā)動機系統(tǒng) 主要有于機型相匹配的柴油機和液壓泵組成，由于鉆機的機構比較復雜，液壓油路比較負載，一般采用多聯泵，可以同時提供多個排量的高壓油。 (6)導向系統(tǒng) 導向系統(tǒng)由探頭、地表手持式接收機和鉆機旁同步顯示器組成。 (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，以穩(wěn)定孔壁、降低回轉轉矩和拉管阻力，還可冷卻鉆頭、發(fā)射探頭、清除鉆進產生的土屑等。 2. 3鉆機液壓系統(tǒng)工況分析 準確分析液壓系統(tǒng)工況是進行液壓系統(tǒng)功能設計的前提。通過對液壓系統(tǒng)工況的分析，可以明確負載情況、控制對象、控制內容及控制要求，為液壓系統(tǒng)功能的合理設計提供依據。 水平定向鉆機的液壓系統(tǒng)根據所實現的功能不同，可分為以下幾個個基本回路：鉆桿旋轉回路、動力頭進退回路、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鉆桿旋轉工況分析 a、負載特性分析：負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系統(tǒng)負載主要由孔底的切削負載和回轉鉆桿的負載組成。回轉負載的大小除受到所鉆地層巖性、鉆孔直徑大小、鉆進方法、鉆孔深度、回轉速度等因素影響外，還與孔底鉆頭壓力的大小有關?？椎讐毫υ酱螅@頭切入深度越深，破碎巖石所需轉矩越大；孔底壓力太大，轉矩達到系統(tǒng)安全閥設定的最大值時，會出現卡鉆現象，不能正常鉆進。實際工作中就是通過控制孔底壓力的大小使實際轉矩穩(wěn)定工作在最大轉矩之下。 b、工況特點分析：鉆探工藝要求回轉器的轉速有較大的調節(jié)范圍，以適應不同的鉆進方法及鉆進規(guī)程，并能雙向回轉及微動回轉；同時要求轉矩能在較大范圍內適應負載的變化。回轉液壓系統(tǒng)具有壓力適應、速度可調、調速范圍大但不頻繁的特點。 2. 3. 2動力頭進退工況分析 a、負載特性分析：動力頭進退主要是回拖力的計算。動力頭進退的負載主要由鉆具的重力負載、摩擦負載和項緊巖石的軸向負載(孔底壓力)組成。重力負載性質取決于鉆孔傾角，鉆孔上揚時為阻性負載，鉆孔下斜時為超越負載；重力負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。孔底壓力由鉆進規(guī)程確定，通常是針對不同的巖層性質和鉆頭種類為獲得最優(yōu)鉆進指標而由試驗得到的數值。 總回拖力，鉆進的計算公式： （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(v'=tan((b/2);為管與土之間的粘著力(KPa)；為土倉內的壓力(KPa)。為掘進所處土層的主動土壓力(KPa)；為掘進所處土層的主動土應力(KPa)；為給土倉的額加壓力(KPa)。a為考慮到土質不同設置的修正系數。 表2.3修正系數表 土質 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生的摩阻力；(3)由于管外壁與土之問的粘聚力產生的摩阻力；(4)由于管段重量產生的摩阻力。 b、工況特點：分析動力頭進退機構的功能是拉動動力頭部分即鉆桿部分通過齒輪齒條機構在鉆機底盤上前進后退。當進退機構的力為設定值時，鉆進速度決定于巖石的可鉆性。通過調節(jié)給進力也就在一定的鉆進規(guī)程下調節(jié)進退速度。進退機構的特性就是保持給定的初始給進力條件下，當巖石可鉆性改變時適應進退速度的變化規(guī)律。 綜上所述，進退系統(tǒng)工況較復雜，可分為加壓鉆進工況，減壓鉆進工況，兼有高壓小流量慢速給進和低壓大流量快速給進的情形。因此進退系統(tǒng)要求壓力可調、速度適應。 2. 3. 3鉆具夾緊及擰卸回路工況分析 a、負載分析：這個回路其實包括兩套回路，一個是夾緊環(huán)節(jié)的負載，一個擰卸環(huán)節(jié)的負載。夾緊環(huán)節(jié)的負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)的設計參數還應該留有一定的余地。保證一定的安全系統(tǒng)。 b、工況分析：如前所述鉆機的夾緊機構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回路、給迸起拔回路聯動實現的。要求具備如下功能： 1）回轉器正轉與夾持器松開及卡盤夾緊聯動； 2）回轉器反轉與夾持器夾緊及卡盤夾緊聯動，實現鉆具卸扣； 3）回轉器前進與后退與夾持器及卡盤的夾緊與松開聯動，完成起下鉆及倒桿動作。 2. 3. 4履帶行走系統(tǒng)工況分析 負載分析：履帶行走回路主要鉆機在開始工作以前或者結束工作以后，通過液壓馬達驅動底盤履帶系統(tǒng)在水平地面或者斜坡上行走。因此主要是克服由鉆機重力引起的摩擦力做功。 （2.6） 式中：—行走系統(tǒng)負載； —履帶與地面接觸摩擦系數； —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上控制鉆機的轉向，但是在鉆機完成工作以后，鉆機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上控制，因此此時應該確保鉆機履帶行走系統(tǒng)的絕對同步。 2. 3. 5支腿支撐回路工況分析 負載分析：支腿支撐的負載主要分兩部分：1)鉆機本身的重量；2)鉆機在工作過程中對地面的支撐作用。約等于鉆機的拉力或推力。 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系統(tǒng)的負載，但是也要主要由于有力位置發(fā)生改變而造成的偏載現象，要求液壓缸的需要壓力有一定的余地。 2. 4本章小結 本章是在進行水平定向鉆機液壓設計以前做的基本的準備工作，主要是對鉆機的工作原理、結構特點以及工況進行介紹和分析。 非開挖水平定向鉆進鋪管過程主要分為導向孔鉆進、回拉擴孔、回拉鋪設管道三個階段，在鉆進過程中，通過控制鉆頭的傾斜角來控制鉆桿鉆進的角度；可以通過控制鉆桿旋轉控制鉆桿的路徑，沿直線鉆進還是沿曲線鉆進，因此可以看出，在水平定向鉆機工作過程中，鉆桿旋轉機構以及動力頭行走機構是系統(tǒng)完成工作的關鍵機構。 除了鉆進/回拖力以及鉆桿旋轉扭矩兩項最基本的結構參數以外，鉆機還有一些參數在鉆機工作過程中也是不可或缺的。諸如鉆桿的參數以及發(fā)動機的參數都對鉆機起至關重要的影響，各個參數之間有一定的匹配關系。在本文中給出了一些參數匹配的表格。在現有的鉆機機型中，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)動機系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)。 工況分析是液壓系統(tǒng)設計的前提和基礎，本章在最后的部分對主要部件的液壓工況進行比較詳盡的分析。主要分析機構運行的負載特性分析和工況特點分析，對整臺機械的工作特點有了比較詳盡的了解。特別在動力頭進退工況分析中，并給出最大鉆進力的具體計算公式，對機構設計以及液壓設計都有一定的指導意義。 3. 鉆機液壓系統(tǒng)設計 3.1液壓系統(tǒng)的構成和工作原理 本液壓系統(tǒng)構成主要包括鉆機動力頭回轉系統(tǒng)、進給回拖系統(tǒng)、鉆桿卸扣系統(tǒng)、泥漿泵控制和整機行走系統(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12、13、14.手動換向閥19.單向順序閥20、21.液壓鎖22、23.回轉馬達24、25.履帶行走馬達26.調整角缸27、28.卸扣器浮動缸29、30.進給回拉馬達 31.卸扣器前夾緊缸32.后夾緊缸33.卸扣器扭轉缸34、35、36.液壓表 圖3.1水平定向鉆機液壓系統(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)的工作原理：當鉆機進場條件具備，操作手操作鉆機的履帶行走手柄即換向閥12、13至左位驅動履帶行走馬達使鉆機進場，待進場就位以后，扳動手動換向閥14至右位，升起鉆臂調整角液壓缸至需要的人土角度(通常為)，調整完成后，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，調節(jié)進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，啟動泥漿泵馬達給鉆桿內通泥漿，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，待鉆頭快到入土位置，一邊繼續(xù)前進一邊扳動比例電磁換向閥8至左位使動力頭同轉，一邊前進一邊回轉，使整個動力頭采取螺旋式鉆進。一根鉆桿鉆進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，如此周而復始，完成整個打導向孔的過程。在打導向孔完成后回拉擴孔卸鉆桿時，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使扭轉缸33動作，使其卸松鉆桿螺紋扣，只需卸松一絲扣，然后反轉動力頭即可。依次周而復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確夾緊兩根鉆桿的鉆帽，操作手動換向閥15，調整浮動缸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打導向孔和回拉擴孔的全過程，也完成了整個鉆機液壓系統(tǒng)的功能。 由于45t水平定向鉆機的工況復雜，對液壓元件的性能要求較高，所以選用了國際上先進成熟的力士樂產品。以下是根據各液壓回路對液壓元件進行選擇。 表3.1 45t水平定向鉆機動力頭技術參數 動力頭最大推力 450kN 動力頭最大回轉扭 20KNm 最大推拉力時運動速度 7.5m/min 動力頭最高回轉速度 130r/min 3. 2發(fā)動機選型和計算 根據馬達輸出功率的計算公式： （3.1） 式中，T——馬達輸出扭矩； n——馬達轉速。 對于動力頭回轉系統(tǒng)，將動力頭當做馬達來計算，可以得到回轉系統(tǒng)所需的輸入 功率。動力頭的最大回轉扭矩=20kNm，此時的回轉速度n=40r/min，回轉系統(tǒng) 總效率=0.63。 由式3.1， 回轉系統(tǒng)最大輸入功率: 根據運動學上功率的定義，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，動力頭液壓驅動系統(tǒng)所需的輸入功率 水平定向鉆機作業(yè)時，泥漿泵與動力頭液壓驅動系統(tǒng)聯合工作?？紤]到泥漿泵的 需要，發(fā)動機選用重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動機。 圖3.2重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動機的外特性曲線 康明斯NTA-855-C型發(fā)動機的額定轉速為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)設計及液壓元件選擇 3. 3. 1動力頭回轉系統(tǒng)設計及液壓元件選擇 動力頭回轉系統(tǒng)采用采用單泵+雙馬達+減速機的驅動形式。 (1)液壓馬達 變量馬達有多種結構形式，與斜盤式軸向柱塞馬達相比，斜軸式馬達在耐沖擊、容積效率、機械效率、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。鉆機在這一壓力范圍內工作，可以提高元件的使用壽命。當負載增大時，若不改變馬達排量，也可以通過提高系統(tǒng)供油壓力，增大液壓馬達輸出扭矩。由于壓力變化范圍較大，所以系統(tǒng)的適應性很強。 動力頭的最大回轉扭矩為=20kNm，最高回轉速度為130r/min，顯然需要減速機，選用Sumer-NR350二級減速機，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共同驅動，單個液壓馬達的輸出扭矩為： 馬達的工作壓力，機械效率=0.95，由液壓馬達的輸出軸扭矩推算，可以得到馬達的排量： 動力頭的最高回轉速度為130r/min，折算到液壓馬達輸出軸上的轉速為n=130×31.5=4095r/min，即液壓馬達的最高轉速不應低于4100 r/min。 由上述計算可知，系統(tǒng)額定壓力為40MPa，馬達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，最高轉速為4100 r/min。 液壓馬達選用力士樂公司生產的A6VM80斜軸式柱塞馬達，該變量馬達的技術 參數如表3.2所示。 表3.2力士樂A6VM80液壓馬達技術參數 排量 (mL) 額定壓力 (MPa) 最大壓力 (MPa) 最大流量 (L/min) 最高轉速 (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。 動力頭的最高回轉速度為130r/min，折合到馬達輸出軸上的轉速為。為保證液壓系統(tǒng)的效率不至于過低，液壓馬達的排量比不應小于0.3。動力頭由兩個液壓馬達驅動，故系統(tǒng)流量為： 當負載扭矩變大時，動力頭回轉速度降低。為保證作業(yè)效率，參照其它同種規(guī)格水平定向鉆機的技術參數，動力頭回轉速度不應低于40r/min，折合到馬達輸出軸上的轉速為=1260r/min，此時馬達在大排量下工作。這里以全排量來計算系統(tǒng)流量： 對于動力頭回轉液壓系統(tǒng)來說：負載扭矩減小，系統(tǒng)壓力降低，馬達排量減小，回轉速度增大，鉆進速度加快；負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K=1.2，故液壓泵的流量不應小于242L/min。發(fā)動機的額定轉速為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,該泵自帶補油泵，可通軸驅動，技術參數如表3.3所示。 表3.3力士樂A4VGl25斜盤式軸向柱塞泵技術參數 排量/mL 額定壓力 (Mpa) 最大壓力 (Mpa) 最高轉速 (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)設計及液壓元件選擇 動力頭推拉系統(tǒng)采用單泵+雙馬達+減速機+鏈傳動裝置的驅動形式。 (1)液壓泵 與動力頭回轉液壓系統(tǒng)類似，動力頭推拉液壓系統(tǒng)也是由變量泵和變量馬達構成 的閉式系統(tǒng)。動力頭推拉系統(tǒng)和動力頭回轉系統(tǒng)可以切換油路分別驅動左、右履帶行 走，為保持同步，推拉液壓泵與回轉液壓泵應保持一致，選擇力士樂A4VGl25斜盤 式軸向柱塞泵。 (2)液壓馬達 對于動力頭推拉液壓系統(tǒng)來說：液壓馬達排量大，工作壓力高，輸出扭矩大，通 過減速機、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，減速比，額定輸出扭矩8.8kNm，驅動 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。 動力頭推進力的計算公式： （3.3） 式中，——單馬達輸出扭矩； ——減速機的效率，取0.94； ——鏈傳動的機械效率，取0.92; 馬達的工作壓力，機械效率=0.95。 由式3.3，馬達的排量: 由系統(tǒng)工作壓力和計算排量，選擇力士樂公司生產的A6VM55斜軸式柱塞馬達,技術參數如表3.4所示。 表3.4力士樂A6VM55液壓馬達技術參數 排量 (mL) 額定壓力 (MPa) 最大壓力 (MPa) 最大流量 (L/min) 最高轉速 (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)設計及液壓元件選擇 任何一種型號的水平定向鉆機所配置的泥漿泵流量是一定的。在鉆進時，泥漿用 量相對較少，泥漿泵調整為小流量;在回擴或拖管時，由于鉆孔直徑較大，泥漿用量相對較多，泥漿泵要調整為大流量。操作者應掌握合適的鉆進或回擴速度，以保證有足夠的泥漿供給，形成良好的鉆孔。國外有關泥漿公司對此進行了量化，總結出一套泥漿用量的經驗公式，用戶可根據該公式進行初步計算，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參數。 泥漿用量的經驗公式： (3.4) 式中，Q——泥漿用量，單位：L/m； D——回擴頭直徑，單位：m； K——漏失系數，通常在2~5之間，根據地質條件的不同而選擇，如：在粘 性土壤中取2～3，而在砂石或泥漿漏失嚴重的地質取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。 選擇雷克工程機械有限公司的YWB-450/320型泥漿泵。 驅動馬達排量為314mL/r，最高轉速為640rpm，為使馬達獲得最高轉速，液壓泵的排量要達到95.7mL/r。可以選擇薩奧的95.7mL的齒輪泵?？紤]到其余工作裝置的需要，供油壓力選擇20MPa，考慮到齒輪泵的機械效率，消耗發(fā)動機功率：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40MPa，最大流量330L/min）。 2）液壓缸 液壓缸基本參數有公稱壓力p、缸筒內徑（活塞直徑）D和外徑D1 、活塞桿直徑d、活塞行程、往復運動速度比等，它們都有標準系列。 據缸筒內徑計算公式： (3.5) 式中液壓缸負載力F=450kN，工作壓力p=28MPa，可得D=45.2mm，據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)定容積取標準值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)初步設計是在某些估計參數情況下進行的，當各回路形式、液壓元件及聯接管路等完全確定后，針對實際情況對所設計的系統(tǒng)進行各項性能分析。對一般液壓傳動系統(tǒng)來說，主要是進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。根據分析計算發(fā)現問題，對某些不合理的設計要進行重新調整，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——管道內徑(m)；v——液流平均速度(v/s)； ρ——油密度(kg/m3)；λ——沿程阻力系數； ζ——局部阻力系數。λ、ζ的具體值可參考液壓流體力學有關內容。 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，應該重新調整泵及其他有關元件的規(guī)格尺寸等參數。 系統(tǒng)