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全液压钻机液压系统设计机械毕业设计,液压,钻机,系统,设计,机械,毕业设计
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成都理工大学毕业设计（论文） I 全液压钻机液压系统设计 作者姓名：汪缔洪 专业班级：机械三班 指导教师：胡波 摘 要 一台液压钻机性能的优劣，主要取决于液压系统的设计和使用。正确合理地设计和使用液压传统系统和液压控制系统， 对于提高各类液压机械的工作品质和技术经济性能具有重要的意义，而全液压钻机作为一种全油压驱动钻机，对执行元件所有的控制和驱动都离不开液压系统，液压系统的研究和设计显得更加重要。近年来，由于全液压钻机的优点十分明显，在国外已经替代了所有的机械传动钻机。在煤矿的安全生产中以及地质勘探中，无论是钻进工程孔还是瓦斯抽放孔，都离不开钻机。随着液压技术的不断发展和改进，全液压钻机在钻井安全生产中已经越来越广泛。了解全液压钻机的液压系统对我国未来液压钻机的全面发展有着非常重要的作用。 液压钻机的核心是液压系统，要了解液压钻机就必须充分了解液压系统。本文主要针对实验室已有 ZDY540 型液压钻机进行分析和研究，并将 PLC 控制融入液压控制系统中，完成了对液压控制系统的自动化改造。本论文主要内容如下： 通过对目前钻机市场进行调研，分析对比目前国内使用最多的两类钻机的性能，推测出未来钻机的发展的方向； 对未来发展具有很好的发展前景的钻机进行主要结构以及工作原理的介绍； 根据相应企业对全液压钻机的要求，进行全液压钻机液压系统的设计，并能根据相应技术参数完成液压系统功能的原理设计； 目前所采用的钻机大部分采用的是手动液压控制，为了能顺应现在发展的潮流以及各使用企业的相应要求，增加工作效率，减轻工人劳动负担，将PLC控制融入液压系统控制中，对其进行自动化改造。 关键词：全液压钻机 液压卡盘 夹持器 液压系统 PLC控制 成都理工大学毕业设计（论文） II The design of the hydraulic system for the full hydraulic drilling rig Abstract The performance of a hydraulic drill is mainly determined by the design and use of the hydraulic system. There has an important significance that the design and use of traditional hydraulic system in the hydraulic control system by the correct and reasonable way can improve the various types of hydraulic machinery work quality and technical economic performance. And full hydraulic drilling rig as a full hydraulic drive drilling rig, the implementation of all the components of the control and driving are inseparable from the hydraulic system, the research and design of the hydraulic system is more important than others. In recent years, it has replaced all the mechanical drive rigs abroad because of the advantages of the full hydraulic drill rig. In coal mine safety production and geological exploration, whether the drilling engineering borehole or the gas drainage hole, isnt separated from the drilling rig. With the development and improvement of the hydraulic technology, the hydraulic drill rig is becoming more and more widely use in the drilling safety. It is very important for the hydraulic system of the hydraulic drill to develop the hydraulic drill in the future. The core of the hydraulic drilling machine is hydraulic system. To understand the hydraulic drilling machine, we must fully know of the hydraulic drilling machine hydraulic system. This paper mainly discusses the research and analysis of the ZDY540 type hydraulic drilling machine which is in our school laboratory, the main contents are as follows: Through the research of current rig market, we can compare of the different performance of the two kinds of the drilling rigs which used at most in the country and speculate of the development by the drilling rig； An introduction to the drilling rig which has a promising prospect for its future development in terms of the main structure and its operational principle； According to the requirements of the corresponding enterprise of hydraulic drilling rig, and hydraulic system design, to complete the function of the corresponding parameters on the 成都理工大学毕业设计（论文） III basis of the design principle of hydraulic system； The used drilling rig are manually used to control the hydraulic valve at the moment, in order to better adapt to the current development trends and the requirements of the enterprises, making the automation reconstruction of this hydraulic drilling rig to reduce the labors burden and make the drill more efficient. Keywords: The hydraulic drilling rig; Hydraulic chuck; Clamper; The hydraulic system; Automation 成都理工大学毕业设计（论文） IV 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 前 言. 1 1.1 论文的目的及意义. 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.3 论文的主要研究内容. 4 第 2 章 钻机的市场调研及发展方向. 6 2.1 钻机的主要特性对比. 6 2.1.1 施工效率对比. 6 2.1.2 施工质量对比. 9 2.1.3 施工成本对比. 10 2.1.4 钻机适应性对比. 10 2.2 钻机发展方向. 10 第 3 章 全液压动力头钻机基本结构简介. 12 3.1 主机. 12 3.1.1 动力头部分. 12 3.1.2 给进装置. 15 3.1.3 夹持器. 16 3.1.4 机架. 16 3.2 泵站. 17 3.3 操作台. 17 3.4 ZDY540 型全液压钻机的结构特点 . 18 第 4 章 ZDY540 全液压钻机液压系统设计 . 19 4.1 ZDY540 全液压钻机主要参数 . 19 成都理工大学毕业设计（论文） V 4.2 给进液压系统的工况分析. 19 4.3 液压系统设计计算. 22 4.3.1 初选系统压力. 22 4.3.2 计算和确定液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量. 22 4.3.3 计算液压缸和液压马达的流量. 27 4.3.4 制定基本方案，拟定液压系统图. 27 4.3.5 元件选型与设计. 29 4.3.6 验算液压系统性能. 32 第 5 章 液压钻机的自动化改造. 34 5.1 PLC 概述 . 34 5.2 液压钻机自动化改造. 35 5.3 改造后液压原理图（图 5-1 所示） . 36 5.4 PLC 控制设计 . 36 5.4.1 方案设计. 37 5.4.2 PLC 的 I/O 端口分配 . 38 5.4.3 选定 PLC 型号 . 39 5.4.4 电路控制. 39 5. 4.5 PLC 控制程序 . 40 5.5 液压钻机实物图. 41 结 论. 42 致 谢. 43 参考文献. 44 附件 1 液压缸尺寸系列表和液压马达公称排量表. 45 附件 2 PLC 控制程序梯形图 . 46 成都理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 前 言 1.1 论文的目的及意义 全液压钻机是全液压动力头式钻机的简称， 主要区别于采用机械传动和液压给进的半液压式钻机。全液压钻机由电动液压泵站提供动力，以矿物油为工作介质，通过对工作介质的流量、压力和方向的控制，驱动钻具完成所需要的动作1。 中国是全球最大的煤炭生产国，也是世界上矿产资源较为丰富的国家，而大多数的煤矿或者其他矿产资源并不是露于地表而都是从井下进行挖取采集。据有关数据显示，煤炭的开采总量中 95%以上都是通过井下开采而得到。 从煤矿的角度来看， 由于煤炭多来源于地下，在煤层中或多或少的包含了瓦斯气体，瓦斯气体对于煤矿的开采和井下的施工安全都极具挑战性。 近年来， 随着社会的不断进步， 矿产的开采速度也在不断加快，逐渐增加的矿产开采总量和矿产挖掘深度也使得在矿井下瓦斯突出和爆炸的危险性增大。如果在煤矿矿洞中采用大量的通风孔或者是大通风及直接将瓦斯抽放到大气中，不仅会导致大气环境遭到破坏，同样也不符合国家节能减排的要求。在重庆大学刘新荣等在煤层瓦斯涌出量与煤层埋藏深度关系的探讨一文中就曾这样说到：煤层的掩埋深度越深，煤层里面涌出的瓦斯总量也就越大2。自新中国成立后，一共发生了 14 起特别重大的事故，每起事故都造成了 100 人以上的人员伤亡。在这些事故中，瓦斯或者煤尘引起的爆炸事故高达 13 次3。由于瓦斯事故会造成如此严重的后果，必须对这类事故进行提前预防， 而预防瓦斯事故最简单有效的方法是将煤层里的瓦斯气体通过钻孔后再抽出处理。不仅仅是因为煤矿安全的原因，就目前情况来看，在煤矿安全施工和地质钻探施工中应用到最多的液压钻机主要有两种，一种是液压立轴式钻机，另一种是全液压动力头钻机。 自 20 世纪 90 年代以来，为了保证煤炭能够在安全的条件下进行生产，大部分的大型煤矿都在瓦斯含量较高的煤层钻孔， 将煤层里的瓦斯气体通过所钻孔抽出在综合利用，这种常用的瓦斯抽放钻孔设备就是坑道钻机。 这种钻机通常通过高压变量泵和定量马达来实现无极变速，以去除传统机械冗重而复杂的传动机构（传统的传动机构一般由变速箱来进行变速， 采用机械变速的方式， 是一种有级变速， 而且变速箱通常由齿轮组组成，重量大，结构复杂，对齿轮的加工精度要求也很高，既不方便操作和维护，同时也只能成都理工大学毕业设计（论文） 2 针对一些特定的地质环境进行钻进） ，且由于煤矿井下空间狭窄，拥有复杂的机构的机械在井下安装和作业都非常具有挑战性，这种结构简单、转速较高且工作平稳，采用全液压传动，能进行无极调速，对钻孔工艺适应性强的优点的钻机，使得传统的机械传动的钻机逐渐被淘汰。在目前国内市场上使用最多的两种钻机中，立轴式钻机和全液压动力头钻机各具有有优点， 因此研究和分析这两种钻机的传动和控制系统有着不可或缺的重要意义，也能通过分析了解目前市场上以及各种钻机在未来的发展趋势。同时为了够真正地做出一台适用且高效的煤矿钻机， 就必须要对钻机的结构和工作原理有了充分的了解，才能够根据实际情况进行有效的创新或改进台钻机。随着现代化的步伐加快，人们对工作效率的要求也越来越高，在对目前钻探发展的方向有了充分的理解之后，新型的钻机的研究和开发势在必得。 液压系统作为液压钻机的核心部分， 其设计主要的参数是流经液压系统各执行元件和各种液压控制阀的压力和流量， 一个液压系统的设计的优劣直接会影响到钻机的工作性能和使用效率。在目前来看，液压系统设计的主流依旧是采用简单的手动阀、泵等来构成相应的液压系统，这类的系统结构构成相对简单，但是操作却不够简便，最为主要的是它很难于实现自动化控制的需求。随着发展的不断进步，自动化趋势越来越明显，在充分融入可编程序控制器（PLC）的基础上说发展而来的新型液压系统必将是主流发展趋势。 1.2 国内外研究现状 钻探设备多使用于野外环境，工作条件相对其他设备来说比较恶劣，载荷变化范围大，导致发动机的工作状态经常偏离低油量消耗区，既消耗了燃油，工作效率也不高，机器性能得不到充分发挥，况且，为了便于维修和护理，有时甚至还需要将钻探设备进行搬迁和运输，因此，无论从其重量或者体积上来说都会受到很大的限制。从 20 世纪中期以来，液压技术陆续在钻探设备上使用，由于当时的液压元件的制造精度不高，完善性也不好、成本高，导致最初的液压技术也仅仅只能用于钻机的给进系统。随着液压技术的快速发展，全液压钻机在世界各国都相机被推出，由于液压钻机的工作效率相对较高且操作简单，使用和推广的速度也就较快，特别是针对煤矿井下安全生产的液压钻机。 成都理工大学毕业设计（论文） 3 液压钻机的出现不仅让施工的安全性得到了很大的提高， 同时也能增强一个企业的自动化水平，减少钻井的辅助时间以及主要工作机械的搬迁时间，使生产效率得到了提高，也能将煤矿中煤层中最具有威胁性的瓦斯气体抽出，使得井下工作人员的安全得到了更好的保证，也为井下机械提供了可靠的工作环境，全液压坑道式钻机的主机采用液压传统，其体积小，结构简单，传动平稳，动作准确，可以在大范围内实现无极调速，也比传统的机械传动类机械更容易获得各种复杂的动作。 液压系统作为全液压钻机的核心组成部分， 它的发展历程很漫长。 在国外， 20 世纪80 年代以前，由于当时工业水平有限，很多情况下我们都只能考虑液压系统工作能力的可靠性及其成本，采用的都是定量泵提供液压油源的液压系统，也就是说液压系统是由定量泵供油，在回路中并联一个溢流阀，也就是通过改变回路中流量控制元件通流面积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量， 利用节流调速方法来调节执行元件的速度，这种方法虽然功率损失大，效率低，但由于其结构简单成本低等优点，依旧在广泛的被使用中4。从 1994 年开始，中国煤炭工业部要求全液压钻机的效率大于43%，且煤矿生产能力的不断加大，煤矿设备所需求的功率也越来越大，这也就使得传统的定量泵液压系统越来越满足不了当前的工业需求1。在钻机钻进过程中，负载也不是恒定不变的，在这种变负载的系统中，定量泵的效率也就不能满足要求。在负载变化的过程中， 在充分考虑到使全液压钻机工作效率提高的同时， 又要相应减少燃油的损耗，由初期的定量泵改为变量泵，也就是通过变量泵来随时调节系统的压力和流量，让钻机能够稳定高效的运行。自机电一体化逐步整合到钻机上，液压钻机一般通过电机通过联轴器直接与液压泵相连，钻机的结构也越来越紧凑，在这几十年的发展历程中，液压系统的发展已经有了较为成熟的进步， 使得全液压钻机的液压系统也有了更多的控制方法和手段。 液压钻机在国外的发展较早，生产液压钻机的企业也有很多。法国的 AMG 公司总结多年的钻机使用经验， 经过多次的改良设计的TD-1500S全液压钻机， 由于性能优良，效率高，占据着国外钻探市场很大的份额5。随着液压传动技术的日益发展以及液压元件的制造技术的不断提升，给全液压钻机的发展提供了技术支持和发展方向。除了典型的 TD-1500S 的全液压钻机外，国外还有很多先进的全液压钻机，如阿特拉斯研发生产的 ECM-580 型液压钻机、 加拿大阿特拉斯.科普柯公司研究的 CS1000P6L 全液压钻机、成都理工大学毕业设计（论文） 4 澳大利亚威力朗沃矿业设备公司的 VLD-1000 型钻机，这些钻机机构动作平稳、系统稳定可靠到、效率高。而且随着电液比例技术的应用，国外先进钻机设备制造商开始研究用电液比例技术的智能自动化钻进技术技术及其设备，并且取得了一定的成果。在上个世纪末，国外很多家生产企业都已经推出了自己的全自动钻机，这类钻机能降低工人的劳动强度，对工人的要求也更加低，这类钻机无论在国外还是国内，其发展前景都是相当乐观的。 从 1958 年开始着手研制全液压钻机，但是由于液压元件的研制和生产产能跟不上等原因，钻机的研制工作进展十分缓慢，甚至曾一度中断过。从上个世纪八十年代后，为了积极响应国家环保政策，从加拿大引进了 CT-155 液压钻机，在国内设备技术人员的积极攻关下，在九十年代初仿制并推出了一款当时国内功能最为齐全的全液压钻机DY-30。随后国内很多的厂家也开始积极研究，例如煤炭系统郑州煤矿机械厂的中州1200 米全液压转盘钻机，石家庄煤矿机械厂的 K56800 米全液压动力头钻机，地质系统的 XD600 米全液压动力头钻机和冶金系统的 100 米、250 米坑道用全液压动力头钻机，其中还包括较为典型的 ZDY3200S 和 ZDY540 型等全液压钻机。这类钻机为井下矿产安全生产提供一种先进的设备同时也给矿产的安全挖取提供了有利的保证。 就目前来看，我国很多自行设计并生产的钻机，无论在给进性能还是钻机重量指数、功率指数等技术参数都基本达到或接近国外同类钻机的技术水平。 但是由于我国的工业基础较低，钻机的生产制造工艺有时打不到设计要求，以及材质质量低等各种原因，以致影响钻机的可靠性和耐久性；同时在钻机零件生产上也还尚未实现标准化和通用化，钻机品种与系列尚不甚齐全。对于液压钻机的研究和发展上，我们离发达国家的差距还很大，还有很长的一段路程要去走。 1.3 论文的主要研究内容 全液压钻机的液压系统是设计过程中的重点，其主要控制钻机各部件的动作执行，液压系统设计的优劣性直接关系到液压钻机的性能和功效。 基于上述研究现状和相关设计背景， 本文主要针对实验室已有 ZDY540 型的坑道式全液压钻机进行研究和分析， 主要内容如下： 对目前市场上比较成熟的两类钻机（立轴式钻机和液压动力头式钻机）进行市场成都理工大学毕业设计（论文） 5 调研，从施工效率、施工成本、施工质量以及钻机自适应性对比来分析钻机的性能，推测未来钻机市场发展方向。 ZDY540 型全液压钻机从结构上来说为煤矿用全液压动力头式钻机，充分了解其结构和工作原理，对其主要基本部件进行简单的介绍。 根据钻机相关技术参数，对现有的钻机液压系统进行研究和分析，根据相关设计要求，绘制出钻机的液压系统原理图。 对液压系统的主要参数进行计算，得出结论，并根据计算结果对液压控制系统执行元件进行选型。 根据企业相关要求，结合当前生产形势以及生产力水平，将 PLC 控制理念融入到钻机的液压系统中，达到自动化设计要求。 成都理工大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 钻机的市场调研及发展方向 液压立轴式钻机和液压动力头（移动回转式）钻机是目前市场上以及在地质钻探施工中所应用最多的两种钻机。立轴式钻机在我国于上世纪六十年代研制成功之后，历经数十年的改良和创新，是目前地质钻探中所用到的主要机器设备。动力头钻机问世时间比立轴式钻机要晚，因其具有极其优良的技术性能，一问世就受到极大的关注，发展速度快，几十年的发展和改进之后，成熟的产品也比较多，后来者居上。在我国，全液压动力头钻机的发展比起发达国家要晚很多，而且由于各种技术水平低，工业水平也与其他发达国家有很大的差距， 因此曾有很大一段时间停止发展过。 2006 年， 在国家科技攻关项目和地质大调查项目的联合支持下， 勘探技术研究所率先在国内推出具有实用水平的 YDX-3 型 1000m 动力头钻机6。这台钻机从问世起，就有了 极高的关注率，不仅仅在国内销售，甚至还出口到澳大利亚和伊朗等国家。那么这两种钻机究竟有什么优点呢？两者之间未来的发展又是怎么样呢？通过相关市场调研，采用对比分析的方法，来对两种全液压钻机的主要特性进行分析。 2.1 钻机的主要特性对比 如何评估一台钻机的性能优劣性，不仅仅只是检查钻机是否能够满足钻进工艺、使用、制造、维修、运输和环境保护等各方面的要求，还要充分考量钻机在施工效率、施工成本以及钻机在各种不同钻孔工艺下的适应性。既然这两种钻机的应用都十分广泛，那么从钻机的钻进工艺、 使用制造以及维修方面等各方面肯定都能够满足要求以及符合国家的各项法律法规。在相同的钻进条件下，钻进工艺相同，不同钻机的施工时间以及施工后的质量都是不相同。下面分别让钻机在相同的钻进工艺和钻进条件下，通过比较两类钻机的钻进时间以及钻进后钻孔的质量甚至是施工成本方面来对其进行分析和对比。 2.1.1 施工效率对比 从回转器的类型来看动力头钻机和立轴式钻机，动力头钻机具有以下突出的优点： （1）导向性好，而且能够减少机上钻杆的摆动，可以实现水平、倾斜甚至是仰孔等全方位钻孔需求。 成都理工大学毕业设计（论文） 7 （2）给进行程长。对于 3m 左右的进程，移动回转式（动力头）钻机可一次进给完成，而立轴式钻机至少需要倒杆 4 次。每次倒杆都会消耗一定的时间，最为重要的是重复倒杆后有可能造成岩心断裂，使得倒杆后重新钻进的速度减慢，而且岩心被堵塞的几率也大大增加。在较软的地质层钻进时，每次的倒杆都会使得岩心被堵塞，既不利于钻机的钻进，同时还增加了时间，使得效率大为降低。因此动力头钻机在这方面明显优于立轴式钻机。 （3）动力头钻机钻进时不使用钻塔，可以减少搭建钻塔的时间，同时也可以节约一定的成本，在交通不便地区，运输存在极大问题的时候，这种优势也就越加明显。动力头钻机在搬迁时可以根据需要将主机分为几部分， 搬迁时间相对较短减而立轴式钻机搬迁过程相对较为繁琐，所用的时间也就越长。为了对两类钻机进行准确的比较，现将影响两种不同钻机的施工效率的主要因素列于表 2-1。 表 2-1 液压动力头钻机与立轴式施工效率的比较 影响因素 液压动力头钻机 立轴式钻机 给进行程 长 较短 机械钻速 较高 较低 回次长度 较长 较短 钻头寿命 较长 较短 起钻间隔 较长 较短 起下钻速度 较慢 较长 平机台时间 较短 较长 运输时间 较短 较长 设备安装时间 较短 较长 接单根时间 较短 较长 倒杆时间 无 有 在钻进过程中， 由于需要同时考虑到岩层不同硬度对钻探施工的技术指标会有一定的影响，分别让两种钻机在软岩和硬岩中钻进 1000m，统计钻进所需的时间，钻机搬迁说消耗的时间不在表格中列出，其结果分别见表 2-2 和表 2-3。 成都理工大学毕业设计（论文） 8 表 2-2 两种钻机 1000m 深软岩钻进的施工效率对比 动力头钻机 立轴式钻机 机械钻速 (m/h) 1.8 1.5 回次长度 (m) 2.8 2.5 起钻间隔 (m) 50 45 起下钻速度 (m/h) 170 510 钻进总时间 (h) 556 667 起下钻总时间 (h) 124 45 捞岩心总时间 (h) 177 197 额外倒杆总时间 (h) 0 133 钻进施工时间 (h) 857 1042 表 2-3 两种钻机对 1000m 深硬岩钻进的施工效率对比 动力头钻机 立轴式钻机 机械钻速 (m/h) 1.3 1.1 回次长度 (m) 2.8 2.5 起钻间隔 (m) 30 27 起下钻速度 (m/h) 170 510 钻进总时间 (h) 769 909 起下钻总时间 (h) 208 74 捞岩心总时间 (h) 175 196 额外倒杆总时间 (h) 0 133 钻进施工时间 (h) 1152 1313 为了能够准确的将两种类型的钻机的施工时间进行准确的比较， 让两类钻机分别在软硬不同的地质层进行 2000 以下钻进，在不同的深度分别统计两类钻机施工的时间，其施工时间统计结果分别列于表 2-4 和表 2-5。 表 2-4 两种钻机在软岩中施工不同深度所需钻孔时间比较 钻孔深度（m） 钻进施工时间（h） 动力头钻机比立轴式钻机节成都理工大学毕业设计（论文） 9 动力头钻机 立轴式钻机 省时间 500 382 492 28.7% 1000 857 1042 21.6% 1500 1421 1657 16.6% 2000 2079 2326 11.9% 表 2-5 两种钻机在硬岩中施工不同深度所需钻孔时间比较 钻孔深度（m） 钻进施工时间（h） 动力头钻机比立轴式钻机节省时间 动力头钻机 立轴式钻机 500 510 620 21.7% 1000 1152 1313 13.8% 1500 1916 2082 8.7% 2000 2825 2919 3.3% （1）从上述数据表明，在对软地质层进行钻进时，无论是立轴式液压钻机还是全液压动力头钻机，钻进施工时间都比较长，相比立轴式液压钻机，全液压动力头钻机依旧具有绝对的优势。 （2） 从上表中数据可以看出， 钻进 2000m 以内的孔， 无论地质层的软硬程度如何，在钻进相同深度的条件下，动力头钻机钻孔的施工时间总是比立轴式钻机要少，在高节奏高效率的发展时代具有绝对的优势。在较软的地质层钻进时，由于动力头钻机的给进行程比立轴式钻机的给进行程长，无须经常起拔钻杆，岩心被破坏的几率也比立轴式钻机要小很多，加工所需的辅助时间也就更加少，动力头钻机节省时间要更多一些，而且可以延长钻头的使用寿命。 上述的对比之中， 只是针对两个钻机进行钻孔时所需的时间进行对比， 在钻孔深度2000m 以内的孔，全液压动力头钻机具有绝对的优势，钻进工时短，可以节约人力资源和成本，既经济又可靠。 2.1.2 施工质量对比 动力头钻机给进行程长，而立轴式钻机相对较短，在一个回次中倒杆往往要比动力成都理工大学毕业设计（论文） 10 头钻机多好几次。重复多次的倒杆可能会造成岩心的断裂，导致岩心被堵塞，使后续的钻进受阻，生产效率也会因此受到影响。如果是在软地质层进行钻进，由于较软的地质层结构本身不稳定，重复次的倒杆加速了岩心的碎裂，不仅生产效率低，出现故障的几率也更大。由于这个原因，动力头回转式钻机无论是在岩心采取或者钻孔质量上都要比立轴式钻机有更明显的优势。同时，动力头钻机施工时的长给进行程会使施工过程更加平稳，对于改善施工过程以便达到更高的标准提供了技术保障。 2.1.3 施工成本对比 钻机的施工成本不能仅仅从购置成本来考虑，还要充分考虑施工效率和重置成本。动力头钻机的购置成本虽然比立轴式钻机要高许多，但由于施工效率更高，在购置相同时间后，所产生的经济效益比立轴式钻机要高很多，从另一方面说，经济收益的增高也就使得成本有所降低，而且当产品寿命达到使用期限时，设备的折旧费也要高很多。从长远的角度来看，全液压动力头钻机的施工成本还是明显低于立轴式钻机的，而收益却要高很多。长给进行程不仅带来施工效率的提升，也使得钻头的使用寿命延长，维护和保养消耗的成本也更加低。 2.1.4 钻机适应性对比 为了能使钻机的利用率达到更高， 一般对于一台钻机， 我们往往希望它能实现更多的功能或者说是能够满足不同的钻进工艺性等。然而，不同的钻机工艺，对钻机的速度的要求也就不一样，因此，能够实现无极调速的钻机的势必会更加容易获得各煤矿开采企业的青睐。在相同的工艺条件下，动力头钻机的转速范围更大，可以根据不同的地质层即时调整钻机的转速，采用全液压控制方式，可以进行无极调速，适应能力比立轴式钻机要强很多。动力头钻机无需钻塔，施工前无须针对钻进场地进行特殊布置，动力头钻机的机架可调节倾角，以便适应能施工不同倾角的钻孔。 2.2 钻机发展方向 从上述比较结果来看， 全液压动力头钻机无论在施工效率、 施工质量还是钻进工艺的适应性等各方面都更胜于立轴式钻机。 尽管现在我国全液压动力头钻机的研究还处于初级阶段，但随着科学技术的不断发展，工业基础水平也在不断提高，液压元件的制作成都理工大学毕业设计（论文） 11 成本会逐渐下降，全液压动力头钻机的制造成本也就相应下降，而制造的精度越来越高的同时也会为全液压动力头钻机带来更加广阔的发展前景。 全液压动力头钻机由于施工效率高、施工质量好、事故率低、钻机适应性强和轻便等特点，会使得全液压动力头钻机比立轴式钻机的优势更加突出6。随着可编程序控制器（PLC）在液压领域的进一步使用，自动化的趋势将会更加明显，可编程序控制器控制的全液压动力头钻机将是未来一段时间的主要发展趋势。 成都理工大学毕业设计（论文） 12 第 3 章 全液压动力头钻机基本结构简介 全液压动力头钻机在未来具有很大的前景，是我国钻机开发和研制的主要发展方向，了解一台动力头钻机的基本结构对于未来进行创新和改造有着重要的意义。基于实验室已有的液压动力头钻机，对其基本结构进行简单介绍。ZDY540型煤矿用钻机是动力头式全液压钻机，它的主要用途是用来针对煤矿井下施工时所需的注水孔、地质勘探孔以及其他工程孔的钻进，它还有一个更为重要的用途，就是对于煤矿施工时瓦斯抽放孔的钻进，偶尔也可用它来钻进一些地表用于勘探的孔或者工程孔。这台钻机可以用于一般硬质合金的取芯钻进，还可以利用冲击器进行冲击回转钻进，能够适用于不同的钻进工艺，拥有超强的钻进工艺适应能力。 3.1 主机 主机由回转器、给进装置、夹持器及机架组成7。 3.1.1 动力头部分 回转器部分和卡盘部分以及连接它们的连接器部分统称为动力头部分（结构简1回转器 2给进装置 3夹持器 4机架 图 3-1 液压钻机主机 成都理工大学毕业设计（论文） 13 图如图3-2所示），动力头部分是液压动力头钻机最为主要的部分，是产生回转运动和传递轴向给进的主要部分，工作能力的大小、效率和稳定性都将直接影响到钻机的工作性能。 ZDY540型全液压动力头钻机的回转器由摆线油马达、变速箱组成。变速箱由二组直齿轮组成一级传动副，回转传动经变速后进行输出，可以2档变速，其变速比分别是1.6和3.43。摆线油马达通过带动花键轴上的双联齿轮来变换双联齿轮与主轴上齿轮的啮合位置，可以让主轴获得两级转速范围；主轴采用空心结构，钻杆可从中穿过；回转器安装在给进装置的拖板上，借助单油缸的直推作用，可以沿机身导轨往复移动8。 液压卡盘位于动力头的前端，一般由夹紧元件、中间传力机构和夹紧动力装置等组成，是其核心组成部分。件其功能是向钻杆提供导向和进行上、下钻杆操作时夹持穿过主轴中的钻杆，使动力头带动钻杆一起转动，达到传递转速、转矩的目的。它1马达 2主轴 3齿轮 4轴承 5箱体 6油缸 7蝶簧 8卡瓦套 9卡盘外套 10卡瓦 11防尘罩 12圆螺母 图 2-2 动力头结构简图 成都理工大学毕业设计（论文） 14 的工作条件最为恶劣，它不仅要夹紧钻杆，还要把来自于回转器的回转运动和来自于给进机构的给进传递给钻杆，使钻杆可以破碎土层和在孔内轴向运动，所以既要承受轴向载荷也要承受回转转矩。 卡盘夹紧元件作用是径向夹紧钻杆，有卡瓦式和柱销式两种，本钻机采用的是常见的卡瓦式；中间传力机构作用是改变力的大小和方向的机构，它将轴向运动转换成径向运动也可以将其他的力转换为加紧力，有时候错用的某些传动机构还具有增力作用；夹紧动力装置是产生卡盘轴向运动或者力的机构，可以分为机械式和液压式两类，这里采用液压式910 液压卡盘按初始状态分为常开式和常闭式两大类，常开式即不通入液压油时，卡盘是松开的，通入液压油后，卡盘动作夹紧钻杆；常闭式即没有通入液压油时卡盘通过其他的外作用力，如弹簧力夹紧闭合，通入液压由后利用油的压力使两端弹簧压缩，卡盘松开。根据市场需求和液压钻机的性能需求，本钻机采用的是常开式液压卡盘。常开式液压卡盘分为全液压卡盘和胶桶式液压卡盘12。全液压卡盘是指卡盘的夹紧和松开都利于液压油的压力作用，卡盘自然状态也是松开的，故属于常开式液压卡盘。活塞与卡盘外壳之间有 2 个密封空间 A 和 B，通入液压油时活塞能够在轴向上往复运动，这样会使卡瓦在径向夹紧或者松开钻杆。这种结构类似于液压油缸，原理和组成都很简单，可以承受较大的液压油压力，故可以产生较大的夹紧力，并且径向移动距离可以通过改变密封空间的大小来调节，适用范围较大。但是因为它的所有动作都必须依靠液压油压力， 如果液压系统漏油或者损坏停止工作， 并没有安全保护措施阻止钻杆的非施工动作，可能造成事故。并且油缸外置，整个结构的径向尺寸较大，在回转时可能面临更多动不平衡问题。 胶筒式液压卡盘是较为新型常开式液压卡盘， 该液压卡盘利用胶筒的伸缩性，在通油和不通油时位置差异来夹紧或者松开卡盘。这类型液压钻机卡盘由后端盖、卡盘外壳、胶筒、卡瓦、蝶形弹簧组、前端盖等组成，基本结构图如图 2-3 所示。进油时，液压油经卡盘后端盖上孔组进入胶筒外侧的密封腔中， 液压油压力作用胶筒使其向下膨胀，弹簧由自然状态被压缩，同时迫使卡瓦组轴心移动，从而夹紧钻杆；回油时，弹簧复位，使卡瓦组径向远离孔口中心， ，卡盘松开。胶筒式液压卡盘加紧力和胶筒的面积大小是分不开的，胶筒表面积越大，胶筒表面受到的液压力也就越大，加紧力就越大，成都理工大学毕业设计（论文） 15 但是由于这种类型的卡盘对密封性要求较高，液压油压力过大时，漏油的现象也就很容易发生。 3.1.2 给进装置 给进装置由机身、 给进油缸及拖板等部件组成12。 液压钻机的机身用槽钢焊接成矩形壳体，在上方铺上导轨，将油缸安装在壳体中央，让壳体的端部与油缸的尾端连接在一起，油缸活塞杆则通过铰支座与拖板相连，拖板和导轨间则采用卡槽式相连的方式，这样活塞杆的伸缩运动也就使得拖板可以沿机身导轨往复移动。 拖板与回转器之间一边以销轴连接在一起，另一边则用铰接螺栓将回转器固定在拖板上。通过粗径钻具时，可以将连接回转器和托板的铰接螺母松开，让回转器翻向销轴一侧，将孔口退让开。给进1卡瓦 2传拉盘 3后盖 4端压环 5卡盘体 6支承环 7胶筒 8前盖 9传扭盘 10弹簧 11前压盖 12滑板 图 2-3 胶筒式液压卡盘结构图 成都理工大学毕业设计（论文） 16 装置整体则用锁紧轴瓦将其固定在机架的前、后横梁上，使结构更加紧凑。 3.1.3 夹持器 夹持器也是液压钻机的重要组成部件。夹持器通过螺栓整体固定在钻机机架的前端，在钻孔施工过程中上下钻杆时用它来夹紧钻杆，并且当钻机在钻进时，可以对钻杆起一定的导向作用。在钻机钻进结束，起拔结束后，机器停机需要将钻杆拧卸时，它可以与动力头相互配合进行机械式拧卸钻杆。夹持器由外壳、卡瓦座、卡瓦组、夹持器轴、碟形弹簧组、销轴等零件组成。和液压卡盘相似，通过粗径钻具时，拔下夹持器销轴，让夹持器向侧向翻转。和卡盘不同的是，夹持器中有两根插杆，如果要通过粗径钻具，可以将插杆抽出，取出卡瓦，使夹持器通孔扩大。夹持器通常采用浮动复合常闭式结构，既简单实用，又让其灵活可靠，可左右浮动以减少钻孔跑偏后卡瓦和钻杆之间的相互过度磨损，提高钻机的适应性和卡瓦的使用寿命13。 3.1.4 机架 钻机机架由立柱、支撑杆、立柱横梁、支撑杆横梁、加长杆、爬履式底座等组成。它用于将动力头钻机固定，通过改变前、后横梁在立柱和支撑杆上的位置，就能够根据不同的钻进条件来调整主机机身的倾角，使钻机的适应性更强。 1卡瓦座 2卡瓦挡盖 3卡瓦 4夹持器壳体 5密封圈 6活塞 7端盖 图 2-4液压钻机夹持器结构简图 成都理工大学毕业设计（论文） 17 3.2 泵站 液压泵站是一个液压系统的重要部件，是各种元、附件组合而成的整体，作为液压系统的动力源，不仅要为整个液压系统存放一定清洁度的工作介质，同时还需要输出一定压力、流量的液体动力的装置14。液压泵站通常由液压泵组、油箱组件、控温组件和过滤器组件等几个部分组成，每个部分各有各的作用。液压泵组由液压泵、原动机（通常情况下使用的是电动机） 、联轴器组成，油箱组件包括油箱、液位计、通气过滤器和放油塞等；为了能够保证液压系统始终在良好的环境下运行，还需要用控温组件来控制油箱中油液的温度，控温组件由温度计、加热器、冷却器组成，现在相对先进的控温组件中还包括有温度传感器，能够实时监测并控制油温；液压系统中油液的清洁度会影响到液压元件和控制阀，通过安装各种过滤器，可以分离油液中的固体颗粒、防治堵塞小截面通道，保证油液的清洁度，如: 吸油滤油器、回油滤油器、空气滤清器等。 3.3 操作台 钻机的核心设计是液压系统， 无论以前八九十年代的液压钻机还是现在的新型钻机，都离不开控制中心， 这个控制中心就是由多个液压控制阀、 压力表及部件组成的操作台。1电动机 2联轴器 3液压泵 4冷却器 图 2-5 液压泵站简图 成都理工大学毕业设计（论文） 18 操纵台上通常设有控制马达回转、起下钻、卡盘夹持器夹紧和松开等多个操作手把，为了让系统的压力稳定， 还要有调节压力的手轮， 为了能对液压钻机的状态进行实时监测，也还需要回油压力表、泵系统压力表、给进压力表等多块压力表。油管选用密封可靠，装拆方便的油管，可防止油液漏失及脏物进入液压系统。各操纵手把的操作方法和功能也应改在操作面板上表示出来。 3.4 ZDY540 型全液压钻机的结构特点 (1)主机、泵站、操纵台 3 大主要部分组成的全液压钻机，可以根据不同施工场景进行拆解，同时由于各部分之间的重量和体积也不是太大，搬迁方便，对钻机场地的布置也就更加灵活。 (2)液压自动拧卸钻具， 无需手工拆卸， 在大量使工人劳动强度降低的同时也使得工作效率大大提升。 (3)钻机能够进行无级调速，简化传动部分不仅减轻了传动部分的体积和重量还可让钻机的转速和扭矩在大范围内调整，使钻机对不同钻进工艺的适应能力得到改善。 (4)夹持器为常闭式结构， 可有效防止施工过程中跑钻现象的发生， 满足大角度倾斜孔施工需要15。 (5)通过操作台集中操纵， 可以使操纵人员远离孔口一定距离， 避免因偶然失误而造成的危险和伤害，确保人身安全。 (6)采用通孔式结构的回转器， 钻杆长度不再受到钻机给进行程的限制， 因此在合适的情况下可以使用较长的钻杆，以减少上钻杆的时间。 (7) ZDY540 钻机的设计采用通用性强的液压元件，使得钻机在出现故障时也能更加方便的进行维护和修理。 成都理工大学毕业设计（论文） 19 第 4 章 ZDY540 全液压钻机液压系统设计 4.1 ZDY540 全液压钻机主要参数 根据相关市场调研以及能力范围， 只能对实验室已有动力头钻机进行相关分析和系统设计，其主要技术参数如表 3-1 所示。 表 3-1 ZDY540 全液压动力头钻机主要参数 4.2 给进液压系统的工况分析 ZDY540 钻机的液压系统需要执行三个基本功能， 分别是回转、 给进和夹持功能。在钻机系统的设计过程中，每执行一个功能都应该有一个相应的执行元件，因此这三个功能就分别由三个液压执行元件来完成。 这三个执行元件分别是液压马达和给进油缸和卡盘夹持器，液压马达提供回转部分的转速和转矩，给进液压油缸为钻机提供给进力和起拔钻具所需的起拔力，卡盘夹持器用于夹紧或松开钻杆，两者相互配合还可以自动拧卸钻杆16。 动力分析： 在钻机的运行当中，给进油缸的负载力处于变动状态，以下则针对给进油缸进行动力分析，液压缸在快速进、退阶段，启动时，给进油缸的外负载是导轨静摩擦力，在加速过程中的外负载是导轨动摩擦力和惯性力，恒速运动是动摩擦力，在钻进阶段，外负载是工作负载也就是钻进阻力和动摩擦阻力。起拔阶段时，外负载是起拔阻力和动摩擦阻力。 静摩擦负载 回转参数 给进参数 使用范围 转速范围 低速档：1070r/min 高速档：10150r/min 给进/起拔行程：500mm 进给力：12kN 给进速度：00.40m/s 起拔力：18kN 起拔速度：00.28m/s 钻孔深度：75m 开孔直径：91mm 终孔直径：75mm 钻杆直径：42mm 最大扭矩：540 主轴内经：45mm 成都理工大学毕业设计（论文） 20 = ( + ) = 0.2 (3200 + 0) = 640 (4-1) 动摩擦负载 = ( + ) = 0.1 (3200 + 0) = 320 (4-2) 惯性负载 =32009.8 1 = 326.20 (4-3) 工作负载(钻进时工作负载为钻头回转提供的相应的给进力，起拔时工作负载为钻头回转提供的起拔力) = 12 = 12000或= 18 = 18000 (4-4) 现将上述所计算得到的液压缸的各工况下负载计算结果列于表 3-2 中。 表 3-2 液压缸各工况负载 工况 外负载 F/N 计算公式 结果 快进 启动 = 640 加速 = + = + 646.20 恒速 = 320 工进 = + 12320 快退 启动 = 640 加速 = + = + 646.20 恒速 = 320 起拔 = 17680 液压马达动力分析： 由于本钻机的回转为两档无极变速 1070m/s 和 10150m/s，所要提供的最大转矩为540N m。 在不同的地质层钻进时，液压马达的负载会发生变化。当钻进硬岩时，马达负载增加，为了保证钻进过程的平稳性，保证钻机的输出转矩稳定，此时需调节液压系统，减少流经液压马达的流量从而达到降低马达转速。反之，当钻机钻进软岩时，液压马达的成都理工大学毕业设计（论文） 21 负载减小，为了提升钻机的生产效率，可以适当增加马达的流量来提高马达的转速。 由上可知，在不同的地质层进行钻进时，液压马达的负载是不同的，为了能够保证钻进在不同的地质层都能稳定的钻进，就必须要保证输出的转矩稳定，而马达的流量则根据相应的负载变化、不同的地质层条件进行调节。要达到这种条件，最简单的方法就是采用变量泵定量马达的组合方式来适应这种钻进工艺。 这种调速方式用于开式循环系统中，如果系统的负载和压力均不变，改变液压泵的排量，不仅可以改变移动式回转器（动力头）液压马达的转速，也同样改变了其他执行机构（如给进油缸）的运动速度，但是却不会改变回转器的转矩。如果泵的排量和工作压力不发生变化，回转其负载的变化也会改变系统溢流阀的溢流流量，回转器的的转速也就因此而发生变化。同样，如果系统中与回转液压马达并联的液动机负载的变化也会引起系统溢流流量和系统中个液动机的流量重新进行分配，从而也会改变液压马达的转速。而这种变化方式却刚好符合钻机对不同地质条件进行钻机的要求，而且由于其结构简单，散热条件好，是动力头钻机调速方案中一种重要的调速方式。 液压马达的输出转矩为： = (4-5) 其中液压马达的输出转矩； 液压马达排量； 液压马达的进出口油压差； 液压马达的机械效率； 由于钻机的回转部分采用变量泵定量马达的组合方式， 因此液压马达的排量为定值，液压马达的机械效率也为定值，由式（4-5）可知液压马达的输出转矩此时仅与液压马达的进出口油压差有关17。 参考产品样本，各种大转矩、低转速摆线液压马达的性能参数，发现没有一种摆线液压马达可以在一定的转速下达到本钻机的技术参数所需求的转矩。 由第三章动力头结构介绍时说到，回转部分采用减速箱和摆线油马达组成，减速箱减速比分别是 1.6 和3.43。现根据减速比可以计算出摆线液压油马达的输出转速和转矩： 油马达输出= 70 3.43 = 240.1/ = 540 3.43 = 157.43 成都理工大学毕业设计（论文） 22 4.3 液压系统设计计算 4.3.1 初选系统压力 液压系统压力的选取是否合理，直接影响到我们所设计的整个液压系统的合理性,而系统的压力的选择依赖于基本的液压执行元件，而液压执行元件设计压力的选取，要充分考虑其执行元件及其他液压元件、辅助元件的尺寸、重量，以及实际的生产状况下其加工工艺性、成本、货源及系统的可靠性和效率18。通常情况下，在负载一定的情况下，如果设计压力过低，这势必会造成执行元件辅助元件的尺寸或重量相应增大，辅助元件也同样如此。对于全液压坑道式钻机来说，机器尺寸本身也就受到了极大的限制，从材料和消耗的角度来说，既不经济也不科学。反之，如果系统的设计压力选择过高，对液压元件、辅助件的材质、密封性能以及加工制造精度方面又会有很高的要求，因此必然会提高设备的成本，于此同时，执行元件和辅助元件的尺寸和重量也会增大，就有可能使液压系统的工作效率降低，使用寿命大大降低。由于根据钻机的工作要求和其机器本身的质量和体积来看，本钻机属于中小型工程机械，可以根据经验暂取工作压力为12Mpa。 4.3.2 计算和确定液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量 液压缸的缸筒内径、 活塞杆直径及其有效面积或液压马达的排量是其主要结构参数。我们一般这样计算： 由计算所得最大负载和选取的设计压力及估取的机械效率先计算出液压缸的有效面积或液压马达的排量， 然后再根据所计算到的结果进行检验是否满足在系统最小稳定流量下的最低运行速度要求19。 液压缸的主要结构尺寸 根据本钻机的工作状况条件以及设计要求， 选择单活塞杆双作用液压缸作为给进油缸。 当无杆腔为主工作腔时，给进液压缸处于起拔状态： 11 22= (4-6) 当有杆腔为主工作腔时，给进液压缸处于给进状态： 12 21= (4-7) 成都理工大学毕业设计（论文） 23 且1=24，2=（22）4 (4-8) 上式中：1液压缸的工作腔压力； 2液压缸的回油腔压力，回油腔压力选择可以根据回路的具体情况而定，初算时可以按照表 4-3 选取16。 1无杆腔活塞有效面积，2； 2有杆腔活塞有效面积；2 D，d液压缸活塞（缸筒）内经，活塞杆直径； 液压缸的最大负载力； 液压缸的效率，通常状况下可取= 0.90.97 表 4-3 液压执行元件的背压力 中低压系统 系统类型 背压力M 简单系统和一般系统 0.20.5 回油带背压阀 0.51.5 回油路设流量调节阀的进给系统满载工作时 0.5 设补油泵的闭式系统 0.81.5 当无杆腔为工作腔时，液压缸在起拔时的最大负载力： = 18 当有杆腔为工作腔时，液压缸在给进时的最大负载力： = 12 选取= 0.96。 为了能够及时调节给进油缸在给进时以及起拔时的速度， 我们在本钻机给进油缸的液压回路中串联一个单向减压阀和一个单向节流阀，来调节给进时的压力速度，并保证液压钻机在工作时的背压。 由上表可知，由于在回路上设有流量调节阀，根据经验可选取液压缸回路的背压为0.5 M。 在确定缸的尺寸时， 往往需要事先确定液压缸无杆腔活塞的有效面积1和液压缸有杆腔活塞的有效面积2的关系或活塞杆 d 与活塞直径 D 的关系。杆状比 = 可按成都理工大学毕业设计（论文） 24 活塞退回伸出速比 = 21选取，见表 4-4 表 4-4 活塞退回伸出速比确定 = 速比 = 21 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2.0 杆状比 = d 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 说明 1无杆腔进油时的活塞运动速度 2有杆腔进油时的活塞运动速度 由钻机给进参数可知：给进速度2= 0.40/，起拔速度1= 0.28/。 = 21=0.400.28=1.428 按照插值法取值1.330.5=1.460.550.10.5=0.030.55 可得： = 0.53 因此：以无杆腔为工作腔时：由式（4-6）可知，活塞面积为 1=11（+ 22） (4-9) D = 412(12) (4-10) 代入数据式（4-10）可得 D = 41 2(1 2)= 4 18 10000.96 3.1412 0.5(1 0.532) 106= 0.0453= 45.3 则d = = 45.3 0.53 = 24.01。 当有杆腔作为工作腔时，由式(4-7)可知 D = 41(12)2 (4-11) 将数据代入式（4-11）可得 D = 41(1 2)2= 4 12 10000.96 3.1412(1 0.532) 0.5 106= 0.0442= 44.2 则d = = 44.2 0.53 = 23.426。 按照（GB/T2348-1993）要求缸的内经和活塞杆外径尺寸系列表(见附表 1)，就近圆整成都理工大学毕业设计（论文） 25 为标准值， 以便选用标准缸或自行设计液压缸时采用的标准的密封件18。 因此内径的选择为D = 50，活塞杆外径尺寸d = 25。 将数据代入式(4-8)中，则可得液压缸实际有效面积为 1=24= 5024= 1962.52 2=（2 2）4= （502 252）4= 1471.82 = 1 2= 1962.5 1471.8 = 490.72 由液压缸主要结构尺寸的计算结果对液压缸工作中压力、流量和功率进行计算。 a、快进阶段的液压缸压力： 启动时：1=+2=6400.9+0490.7= 1.45。 加速时：1=+2=646.20.9+1471.80.5490.7= 2.96。 恒速时：1=+2=3200.9+1471.80.5490.7= 2.24。 b、给进阶段的液压缸压力： 1=+122=123200.9+1962.50.51471.8= 9.96。 c、快退阶段的液压缸压力： 启动时：1=+221=6400.9+01962.5= 0.36。 加速时：1=+221=646.20.9+1471.80.51962.5= 0.74。 恒速时：1=+221=3200.9+1471.80.51962.5= 0.56。 d、起拔阶段的液压缸压力： 1=+221=176800.9+1471.80.81962.5= 10.61。 由公式q = ，P = 1 可得液压缸工作中各阶段的输入流量和输入功率： a、快进阶段： 恒速： = = 490.7 0.28 106= 137.40 1063/s。 = 1 = 2.24 106 137.40 106= 307.8 b、给进阶段： = 21= 1471.8 106 0.28 = 412.10 1063/s； 成都理工大学毕业设计（论文） 26 = 1 = 9.96 106 412.10 106= 4104.52 c、快退阶段： 恒速： = 12= 1962.5 106 0.42 = 824.25 1063/s； = 1 = 0.56 106 824.25 106= 461.58 d、起拔阶段： = 12= 1962.5 106 0.42 = 824.25 1063/s； = 1 = 10.61 106 824.25 106= 8745.30。 液压马达的排量 由公式=23/r， = 1 2； (4-12) 上式中：液压马达的最大负载力矩，.； 进出口油压差；液压马达的机械效率； = 157.43.,机械效率=0.90，液压马达进出口油压差 = 11.5。 将其数据代入公式（4-12）可得： =2=2157.4311.50.9= 91.6/。 在液压马达的排量计算过程中，排量不仅要满足最大转矩的要求，也应满足最低稳定转速要求。所谓最低稳定钻速要求就是指液压马达在额定负载下，不出现爬行现象的最低转速（爬行现象就是指当液压马达工作转速过低时，往往保持不了均匀的速度，进入时动时停的不稳定状态）20。 液压马达最低稳定转速要求排量： (4-13) 将数据代入式（4-13）可得 =1.4/10/= 140/。 根据液压泵及马达的公称排量系列 （见附表 2）将值选定为标准值，以便马达的选型，取=160 /。 液压马达工作压力： 1=+ 2 (4-14) 将数据代入公式（4-14）可得： 成都理工大学毕业设计（论文） 27 1=157.431600.9+ 0.8 = 1.89。 4.3.3 计算液压缸和液压马达的流量 液压缸的最大流量 由于液压缸的最大流量= (4-15) 液压缸有效面积，液压缸的最大速度。 = 0.28/. 所以将数据代入式（4-15）得 = =24 0.28 = 5.495 1043/s = 32970/。 液压马达的最大流量 液压马达的最大流量= n (4-16) 液压马达排量3/rad，n液压马达的最高转速/。 所以液压马达的最大流量= n= 160 106 240.1 = 38416/。 4.3.4 制定基本方案，拟定液压系统图 (1)制定液压回路方案 调速方式与油源方案 由于系统的压力不大，给进系统的传动功率也不是太大，故可采用电动机驱动变量泵供油油源的方式(见图 4-1)。由于钻机在运转过程中需要保证转矩的恒定，因此可采用变量泵定量马达容积调速回路。由于单泵系统在回转转矩较小时可能会使系统的进给压力不足， 在马达正转时的进油油路上串联一个单向节流阀（见图 4-2） 。给进油缸在给进过程中，地质层的不同会改变钻进的速度，在回路中串联一个单向减压阀和一个单向节流阀。 （见图 4-3） 方向控制回路 图 4- 1 液压油源 图 4-2 马达调速回路 图 4-3 液压缸调速回路 成都理工大学毕业设计（论文） 28 在工作循环中，有时需要将马达和给进油缸在短时间间歇时，为了减少功率损耗，降低系统发热，避免因液压泵频繁启、 停影响液压泵的寿命， 必须采用液压泵卸荷回路。利用两个三位四通“K”型中位机能的电磁换向阀来分别使液压马达和给进油缸在短暂停歇时泵的卸荷，同时分别控制马达正反转和给进油缸的给进、起拔（见图 4-4） 。在钻进过程中需要卡盘、 液压夹持器夹紧、 松开甚至同时夹紧，还需要一个二位二通阀来进行控制。 背压与安全保护 为了保证在钻进过程中，提高给进油缸给进过程中的稳定性，在工进时进油油路上串联一个单向减压阀，并通过压力表对给进压力进行实时监测。为了保证整个系统的安全，在泵的出口处并联一溢流阀，用于防止液压系统运行中过载，对液压泵的安全性也有一定的保障。 辅助回路 在液压泵的入口设置吸油过滤器，过滤掉较大的杂质微粒，防止较大杂质颗粒进入液压泵而影响泵的吸油性能，出现气穴现象，也能保证油液的清洁度，回油路中采用回油滤油器，避免将系统运行时所产生的杂质带入邮箱中。在液压泵的出口设置压力表以便于在调压时的压力观测。 图 4-4 马达换向回路 成都理工大学毕业设计（论文） 29 （2） 将上述各液压回路方案进行综合即可组成全液压钻机的液压系统原理图 （见图 3-5） 。 工作原理：当电机（1）启动以后，变量油泵（2）经吸油滤油器（4）从油箱中吸入低压液压油后向三位四通手动换向阀输如高压油。其中换向阀由两联组成，左联阀控制液压油马达的正转、反转和停止，当三位四通手动换向阀处于中位时，液压油泵卸荷，此时马达和油缸处于浮动状态。右联阀控制给进油缸的前进、后退以及停止，回油经回油滤油器流回油箱。与左联阀不同的是，右联阀还能和手动换向阀（11）联合控制液压卡盘和液压夹持器的夹紧和松开20。 4.3.5 元件选型与设计 （1）液压泵的选择 1电动机 2变量泵 3截止阀 4吸油滤油器 5溢流阀 6冷却器 7回油滤油器 8 多路换向阀 9单向节流阀 10液压油马达 11手动换向阀 12液压卡盘 13液压夹持器 14节流阀 15单向减压阀 16给进油缸 17系统压力表 18给进压力表 19油箱 图 4-5 全液压钻机液压系统原理图 成都理工大学毕业设计（论文） 30 液压泵主要依据是其最大工作压力和最大流量来进行计算和选择。 液压泵的最大工作压力（） 液压泵的最大工作压力取决于执行元件（液压缸或液压马达）的最大工作压力，即 = 1+ (4-17) 式中1液压缸或液压马达的最大工作压力； 系统进油路上的总压力损失在系统管路尚未确定之时，可以按照经验值进行 估 取 ， 简 单 系 统 可 采 用 = （0.20.5） 106 ， 复 杂 系 统 可 用 =（0.51.5） 106。 本次液压系统中 = 0.5 106，由上表可知系统最大工作压力在起拔过程中液压缸压力1= 10.61 106，将数据代入式（4-17）可得： = 1+ = (10.61 + 0.5) 106 = 11.11 106 液压泵的最大流量 液压泵的最大流量取决于系统所需流量。 由于液压马达和液压缸采用的并联连接，液压马达和液压缸的流量不会在同一时刻在最大流量情况下工作，因此选取计算出的工作中的最大流量来进行计算。在钻机的液压系统中，由于各种原因还会存在泄漏，只有在满足泄漏的情况下， 才能使液压马达、 液压缸正常工作， 输出足够的压力和转矩。从上述计算结果来看， 由于液压缸在工作时的最大流量低于液压马达在工作时的最大流量，因此以液压马达的最大流量来进行计算，即执行元件稳定运行所需的最小流量为38416/。 液压泵的最大流量 = （） （4-18） K 为系统的泄漏系数，考虑到各种液压阀还存在一定的泄漏，取 K 值为 1.1，数据代入式 4-18 可得： = 1.1 38416 = 42257.6/。 确定液压泵的规格 选择液压泵时应考虑一定的压力储备粮， 以防止液压系统在运行中出现过高的压力使液压泵被损坏，通常让泵的额定压力一般比最大工作压力大 25%50%。根据上述所成都理工大学毕业设计（论文） 31 计算的系统所需流量，拟初选液压泵的转速为 1500r/min，泵的容积效率为= 0.9。根据公式 =1000 (4-19) 带入数据可得：=1000=100042.2615000.9= 31.3（/) 根据以上结果查阅产品样本，选用 32SCY14-1B 手动轴向柱塞泵，泵的额定压力为= 31.5，泵的排量为32/，泵的额定转速为 = 1500/，容积效率=0.89，总效率= 0.80。倒推算的泵的额定流量为： = = 32 1500 0.89 = 42720/ = 42.7/。 与系统所需的流量相符合。 确定液压泵驱动功率及电机的规格、型号 液压泵驱动功率按下式计算 = (4-20) 由计算所得的各工况功率可知， 最大功率出现起拔阶段， 液压泵的总效率= 0.80，将数据代入公式（式 4-20）中可得起拔钻杆时所需的驱动功率为： = =11.11 106 42.7 1030.80 60 103= 9.88kW。 根据 YB 系列 （IP44） 三相异步电动机主要技术参数表， 选用规格相近的 YBK2-160M-4 矿用隔爆型三相异步电机，额定功率为 11kW，满载转速为 1460r/min。 （2）液压执行元件的确定 液压马达 由于液压马达的形式多样特性各异， 通过上述最大转矩 157.43 .， 以及液压马达的排量38416/来进行选择，从产品样本中挑选成本较低且运行状态良好的液压泵。 本钻机液压马达排量=160ml/r，选择马达为摆线液压油马达，其型号为 2K-160. 液压缸 通过液压缸的内径D = 50mm，活塞杆直径 d=25mm，以及液压缸最大工作压力位10.61MPa，从现有的液压缸标准系列产品中选择所需的液压缸，本钻机的液压缸选用50/25 的车用液压缸。 成都理工大学毕业设计（论文） 32 （3）油箱容量的选择 油箱容量可以根据式 4-21 进行计算 = (4-21) 其中，V邮箱的有效容积；液压泵的总额定流量，L/min；与主机类型及系统压力有关的经验系数。 因此V = = 6 42.7 = 256.2 256。 4.3.6 验算液压系统性能 （1）验算系统压力损失 拟选定的液压元件接口尺寸确定管道直径为d = 16mm，进、回油管道长度均取为l =2.5m，取油液运动粘度 = 1 1042/，油液密度 = 0.9174 103/。由动力分析中可知， 进、 回油管道中通过的最大流量q = 824.25 1063/s = 49.5/在起拔钻杆阶段，由此可以算的液流雷诺系数 =4=4 49.5 10360 16 103 1 104= 656.8 2300 故可推论出各工况下的进回油路中的液流均为层流。 将适用于层流的沿程阻力系数 = 75 = 75/4和管道中液体的流速v = 4q/(d2)代入沿程压力损失公式中可得： =4 7524 =4 75 0.9174 103 1 104 2.52 （16 103）4 = 0.057 108 所以可得沿程压力损失为：= 0.057 108 824.25 106= 0.69 105。 在管道具体结构尚未确定的情况下， 管道局部压力损失= 0.1= 0.069 105。 液体流经液压阀的局部压力损失可以通过流经阀的实际流量进行计算，此处不一一计算。 起拔时所通过的流量最大，此时 6.1 105。因此压力损失值p = + ，由以上结果可知，尽管存在压力损失，但是依旧能满足系统的工作要求。 （2）计算液压系统的发热功率 液压系统的发热功率估算 液压系统的压力、容积和机械损失构成总的能量损失，这些能量损失都将转化为热成都理工大学毕业设计（论文） 33 量， 是系统油温升高， 产生一些列不良影响22。 因此， 必须对系统进行发热与温升计算。 系统的总发热功率可按下式估算： = o (4-22) 式中液压泵的输入功率； o执行元件的输出功率； 代入数据有 = o= 9.88 1000 8745.3 = 1134.7W 计算系统散热功率 由初步求的油箱有效容积V = 256，按式V = 0.8abh求得油箱各边之积为 =0.8=0.2564= 0.0643 取油箱三边之比为 a：b：h=1:1:1,则算的 a=b=h=0.4 。 油箱散热面积为： = 1.8( + ) + 1.5 = 1.8 (0.4 + 0.4) 0.4 + 1.5 0.4 0.4 =0.8162 油箱的散热功率为 = (4-23) 取油箱散热系数 = 15W/(m )，油温与环境温度之差为25，算得： = = 15 0.816 25 = 306 = 1134.7W 因此油箱的散热远不能够满足液压系统的散热要求，需要在回油路上安装冷却器，避免因油箱油液温度过高而使油液变质，系统容积效率较低。 成都理工大学毕业设计（论文） 34 第 5 章 液压钻机的自动化改造 5.1 PLC 概述 在当今充满竞争的社会中，一个工厂、企业、公司想要生存，就必须寻求更高的效率、更低的成本、更强的灵活性，因而许多公司、工厂、企业大量需要自动化控制，以便顺应发展的潮流。传统的控制手段，从继电器控制系统、数字逻辑控制系统到计算机控制系统，的确可以提高设备的控制效率，但是却也都存在着不同的局限性。传统的继电器控制系统由于其接线复杂、机械触点多，使得其可靠性大大降低。同时，它还必须使用各种继电器、通过接线的方法来实现一定的逻辑功能，这属于“死”逻辑范围，既更改困难，也不方便。然而这样的缺点却恰恰可以通过采用可编程序控制器（PLC）来加以克服甚至是弥补。 可编程序控制器（PLC）是 1969 年研制出并用于美国通用汽车自动装配线上的控制器，20 世纪 70 年代中期随着微处理器和微型计算机的发展不断进行功能完善，成为了一种电子计算机工业控制设备。它不使用传统的继电器来进行控制，但是却同样采用了传统继电器梯形图进行程序设计，问世其就深受工程技术人员的欢迎。而且它能满足不同设备对多变控制系统的控制要求，具有极大的柔性和通用性，未来如果需要对程序进行调整或改进，方法也就简了很多，改造和维护的可行性更高23。伴随着工业自动化技术水平、控制性能和控制范围要求的提高，钻井生产力技术的不断发展，钻机自动化控制技术的发展不断趋于成熟，在钻机的液压控制系统中嵌入 PLC 控制系统，能够更好的满足钻井工艺的需要， 为自动化钻井和智能化钻井的发展做出了重大贡献24。 钻机PLC 控制系统是在充分结合当前国内外先进技术和当前生产力需求而发展的一门控制技术，让钻机能更好地满足钻井工艺要求，也为钻井工程提供了优质可靠的技术保障，使钻机在技术改造方面上了一个新的台阶。 在钻机的控制系统上， PLC 显示出了极其强大的生命力。 钻机 PLC 控制系统的应用如此广泛，那么它与液压钻机传统的控制系统相比优势究竟体现在什么地方呢？ 钻机 PLC 控制系统对环境适应力强，可靠性也比手动操作液压阀更高。钻机的工作环境相比其他机械设备来说，工作环境更加恶劣，一般在沙漠、戈壁等艰苦环境中成都理工大学毕业设计（论文） 35 进行，在这种极其恶劣的条件下，为了能保证钻机能够稳定有序的运行，钻机的控制系统的稳定运行就显得尤为重要。 PLC 控制系统的环境适应力非常强， 可以在温度和湿度变化很大的范围内可靠运行，抗干扰力强。 全液压钻机 PLC 控制系统模块化程度高。钻机 PLC 系统可以通过模块化设计，以存储逻辑代替接线逻辑，减少了外部设备的接线，当控制要求改变，只需对程序进行简单的修改，维护容易。 PLC 控制系统的信息存储能力大，与功能强大的 I/O 接口结合在一起，可以对机械设备和生产进行严格的控制。同时，由于 PLC 的软件分别由系统软件和用户程序两个部分组成，系统软件用于控制 PLC 的自身的运行，而用户程序则是根据相关钻进工艺条件，由用户自行编写输入的，编写过程中可以根据生产状况和当前生产能力需求来编写适当的程序，来实现对外部设备的控制，设计和施工可以同时进行，周期短，修改和程序调试也更加方便。利用梯形图进行用户程序编程，为不熟悉电子电路和汇编语言来编程的人员也提供了方便，适应性强。由于程序可以根据实际情况来拟定，扩展和迁移能力很强，可以满足更多的钻进生产需求。 PLC 钻机控制系统的应用， 使得钻机在工作过程中故障率大大减少， 同时也减少了人工控制过程中的误差，使得生产效率不断的提高。钻机 PLC 控制系统结合运用了计算机、控制等科技成果，是钻机控制系统今后发展的主要趋势，也是钻井自动化发展的重要组成部分24。因此，对于传统液压钻机的控制系统进行 PLC 控制改造，具有极其重大的意义。 5.2 液压钻机自动化改造 对液压钻机进行自动化改造的目的是使液压系统比原来的系统更加简单， 也更加适用。 在传统的全液压动力头钻机中， 包括实验室现存 ZDY540 型钻机， 液压马达的回转、给进液压缸的给进和起拔都采用手动阀来控制， 由于手动阀需要许多的液压配件和管路来连接，从价格成本上来说，传统手动液压阀未必占有绝对的优势，而且手动换向阀在进行换向时，瞬间冲击力过大，容易使液压系统产生故障。而电磁阀由微型计算机进行控制，控制精度也比传统手动液压阀高很多。而且由于实验室中原液压钻机中在卡盘、夹持器和给进液压缸间采用联合控制，不仅增加了系统本身的难度，也使得在控制过程成都理工大学毕业设计（论文） 36 中出现故障的几率增大。 对一个液压钻机实现自动化控制， 只是添加电磁阀还是远远不够的。 在液压设备中，通常以压力作为控制信号来实现自动化控制，而压力继电器就是最重要的元件之一。它可以将油液的压力信号转换成为电信号， 当液压系统中压力达到压力继电器的调节压力时，发出电信号进而控制电磁阀得动作24。添加压力继电器后，可以避免在油路尚未达到一定压力时，夹持器或者卡盘尚未闭合时，马达开始旋转或给进油缸开始动作，使液压钻机液压系统出现故障。 在回油路中， 采用回油过滤器， 在系统运行一段时间后， 可能造成回油过滤器堵塞，为防止这种状况发生，我们在过滤器旁边并联一个单向阀，在回油器堵塞达到一定的压力损失时，单向阀可以起旁通作用，将回油流回油箱中。 5.3 改造后液压原理图（图 5-1 所示） 5.4 PLC 控制设计 PLC 控制系统的设计往往是跟实际生产条件离不开的，但设计过程往往是相同的，基本过程如下所示： 按照液压控制系统所要实现的功能和生产相关要求， 对控制系统进行初步方案设图 5-1 改进后钻机液压系统原理图 成都理工大学毕业设计（论文） 37 计。 根据方案设计中控制方式来确定输入和输出设备， 并对 PLC 进行 I/O 端口分配。 根据 I/O 端口分配的使用情况和控制功能要求，以最低成本要求来选择 PLC 的型号。 设计并绘制 PLC 控制系统电路图。 根据控制要求和电路，编写程序。 5.4.1 方案设计 在液压系统中电机直接带动液压泵旋转，为单向旋转，且没有较高的转速要求，无需采用变频器。由启动按钮给 PLC 发出指令，PLC驱动交流接触器控制电机正转。 电机开始转动后，PLC 才开始供电。在钻进过程中，要先对液压缸进行检查，如果没有回到初始位置，控制电磁阀使其回位。当液压缸回位以后， 卡盘松开， 夹持器松开。当油路中压力达到预设值时，使给进油缸后退，碰到行程开关后，后退停止，此时卡盘夹紧，液压马达正转，给进油缸前进。当液压缸碰到行程开关时，此时液压缸快退回来，夹持器将钻杆夹紧，卡盘松开，给进油缸后退，碰到行程开关即液压缸退回到原点时，考虑是否添加钻杆。如果不添加钻杆，则实行上面动作。若需添加钻杆，则根据实际情况添加钻杆。流程图如图 5-2 所示。 起拔过程中，其初始状态为液压马达停止运转，给进油缸位于原位，卡盘夹紧，夹图 5-2 钻进流程图 成都理工大学毕业设计（论文） 38 持器松开。起拔开始，夹持器夹紧，卡盘松开，当油路中达到一定压力值时，控制电磁阀使给进油缸前进，碰到行程开关后，前景进停止，卡盘夹紧，夹持器松开，一定延时后给进油缸回退，碰到行程开关时停止回退，如需拧卸钻杆，将夹持器夹紧，液压马达反转即可自动拧卸钻杆，取下钻杆后，马达停转，起拔过程结束。 5.4.2 PLC 的 I/O 端口分配 表 4-1 PLC 的 I/O 端口分配 PLC 软元件 元件文字符号 元件名称 控制功能 数字量 输入 I0.0 SB1 点动开关 准备 I0.1 SB2 点动开关 钻孔 I0.2 SB3 点动开关 升钻具 I0.3 SB4 点动开关 降钻具 I0.4 SB5 点动开关 拧紧钻杆 I0.5 SB6 点动开关 拆卸钻杆 I0.6 SB7 点动开关 复位 I0.7 KP1 压力继电器 卡盘高压松开 I1.0 KP2 压力继电器 夹持器高压松开 I1.1 SQ1 行程开关 油缸前进终点 I1.2 SQ2 行程开关 油缸后退终点 I1.3 SB8 点动开关 急停 模 拟 量输入 AIW12 压力变送器 马达正转油路压力 AIW14 压力变送器 给进油缸前进油路压力 数 字 量输出 Q0.1 YV1 电磁阀 切换到卡夹油路 Q0.2 YV2 电磁阀 切换到进转油路 Q0.3 YV3 电磁阀 控制马达正转 Q0.4 YV4 电磁阀 控制马达反转 Q0.5 YV5 电磁阀 控制油缸前进 成都理工大学毕业设计（论文） 39 续表 4-1 PLC 的 I/O 端口分配 数字量输出 Q0.6 YV6 电磁阀 控制油缸后退 Q0.7 YV7 电磁阀 控制卡盘松开 Q1.0 YV8 电磁阀 控制卡盘夹紧 Q1.1 YV9 电磁阀 控制夹持器松开 Q1.2 YV10 电磁阀 控制夹持器夹紧 5.4.3 选定 PLC 型号 从所要实现的基本功能来对 PLC 的进行选型。在通常情况下，衡量一个 PLC 规模大小的重要指标是 I/O 点数，I/O 点数既要满足系统的控制要求，也应使系统的总投资最低， 考虑到今后有可能产生对 PLC 进行的调整或扩充以实现更多功能， 还需对 I/O 口留出一定的备用量。因此根据表 4-1，综合分析所要控制的对象及其要求，选用西门子S7200，CPU 型号为 226。 5.4.4 电路控制 PLC 外部电路图如图 4-3 所示。 图 5-3 PLC 外部接线图 图 4-3 PLC 接线图 成都理工大学毕业设计（论文） 40 5. 4.5 PLC 控制程序 后续程序在此出不再列出，详细程序见附件二。 成都理工大学毕业设计（论文） 41 5.5 液压钻机实物图 - 图 5-4 全液压钻机实物图 图 5-5 钻机 PLC 控制区 成都理工大学毕业设计（论文） 42 结 论 中国是全球最大的煤炭生产国，煤炭的安全生产需要钻机的支持。而动力头液压钻机为煤炭的生产提供了安全的保证，也为地质钻探提供了一种先进而有效的技术设备。随着科学技术的不断发展， 各大企业对生产效率的要求越来越高的同时， 伴随着 PLC 控制技术的不断发展和完善， 由于动力头钻机相比立轴式钻机具有更大的发展前景和发展空间，将 PLC 控制运用在全液压动力头钻机中，不仅可以减少人为控制时所不可避免的误差，同时对于设备的使用效率也有大幅度的提高，生产效率也会因此得到很大的提升，因此钻机自动化也是今年来甚至是将来研究的一个重要方向。 本次论文中，先对钻机目前的市场状况和钻机的发展方向进行了分析
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