（机械电子工程专业论文）管棚钻机掘进与行驶液压驱动系统研究.pdf

长安人学硕上学位论文 摘要 在隧道开挖通过易破碎岩体等不良地质条件时，管棚支护法是应用非常普遍的一种 超前支护方法。但是，目前国内还没有厂家生产专用的管棚支护设备，绝大多数的管棚 支护现场施工都是用替代设备进行，施工效率低、安全性差，而从国外进口的专用管棚 支护设备的价格又非常昂贵。正是在这种背景下，本文开展了对管棚钻机的研究。 本文在对管棚钻机作业工况分析的基础上，提出了管棚钻机掘进与行驶液压驱动系 统的三种方案：经比较论证确定了“回转系统和给进系统相互独立，行驶系统与回转系 统共用泵源 的设计方案。对其中主要回路的元件进行了选型、校核及效率计算；对钻 机液压驱动系统进行了运动学和动力学分析。利用a m e s i m 仿真软件对动力头液压驱 动系统进行了建模和动态仿真，仿真结果显示，钻机液压驱动系统能够满足掘进作业工 况和行驶工况的要求，证明设计的液压系统可行合理。 关键词：管棚钻机，液压驱动系统，动力头，a m e s i m 仿真 ab s t r a c t p i p er o o fm e t h o di sw i d e l yu s e di nf o r p o l i n gm e t h o d sw h e n t u n n e l sa r ee x c a v a t e di n a r e a so fw e e ko rd i f f i c u l tg r o u n d b u tt h e r ei sn os p e c i a lf a c i l i t yp r o v i d e dp r e s e n t l ya th o m e i nm o s tt u n n e l s ，s u b s t i t u t ee q u i p m e n ti su s e d ，w h i c hi si n s e c u r i t ya n di n e f f i c i e n t y e tt h e f a c i l i t yi m p o r t e di sv e r ye x p e n s i v e a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rh a sb e g u n t h es t u d y o nf o r p o l i n gr i g b a s e do l la n a l y s i so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw i t hf o r p o l i n gr i gi nt h i sp a p e r , p u tf o r w a r d t h r e ep r o g r a m so fd r i l l i n ga n dd r i v i n gh y d r a u l i cd r i v es y s t e n a s ，a n dap r o g r a mi sp u tf o r w a r d t o “i n d e p e n d e n ts w i v e l i n gs y s t e ma n di m p e l l i n gs y s t e m ，d r i v i n gs y s t e ma n dt h es w i v e l i n g s h a r et h es a m es o u r c e ”b yc o m p a r i s o n s ，f o l l o w e db yt h es e l e c t i o na n dc h e c k i n go fm a i n c o m p o n e n t s ，a n dc a r r yo u tc a l c u l a t e do fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st oh y d r a u l i cd r i v es y s t e r n o ff o r p o l i n gr i g a d y n a m i cs i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mi sc a r r i e do u tb a s e d0 1 1 a m e s i mt og e tt h er e s u l t so ft h ew o r k i n gp r o p e r t i e so ft h em a c h i n e r yu n d e rl o a dc o n d i t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo ff o r p o l i n gr i ga b l et om e e t t h ed r i l l i n ga n dd r i v i n g ，a n dc o n f i r mt h a tt h ea b o v ep r o g r a mi sf e a s i b l e k e yw o r d s ：f o r p o l i n gr i g ，h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，p o w e rp a c k ，a m e s i m s i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明弓阙的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者繇辫 呷年玎月抄日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 够太 。年够月“日 纠年哆月加日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 改革开放以来，我国铁路、公路、水电站等山岭隧道工程的发展进入了一个新的时 期。在铁路隧道中，也已不再单纯地依靠钻爆法修建，非钻爆的机械开挖法已应用于隧 道的修建。特别是在加强铁路、公路建设的新高潮中，不同长度、不同类型的山岭隧道 将大量涌现。总之，隧道技术的发展，将面临一个新的机遇和挑战。 从目前的工程实际来看，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建隧道的主流方 法。因此，改进和完善矿山法及其相关施工技术，仍然刻不容缓。软弱破碎围岩隧道施 工机械化技术是目前矿山法隧道施工技术存在的主要问题之一，本文正是对此技术展开 研究。 1 1 管棚支护法和管棚钻机简介 1 1 1 管棚支护法 在比较软容易破碎的岩石地段的隧道施工作业过程中，由于岩石的自我稳定能力比 较弱，在开挖后由于变形的比较快，常常由于来不及支护就发生坍塌。因此，在隧道开 挖前要采取一些必要的加固措施来巩固围岩，能事隧道开挖后的岩层和支护稳定，确保 施工的安全。 从上世纪七十年代末期开始出现了一种新的施工方法一超前支护，即在开挖隧道 作业之前，沿着隧道的开挖面，在纵向隧道开挖面的轮廓线外围预先支护，是一种有效 的隧道施工辅助施工措施。目前，隧道的超前支护主要有超前锚杆支护、水平旋喷注浆 支护、管棚支护以及预衬砌支护等多种方法，这几种超前支护方法既有区别，也有联系， 经常在隧道开挖作业过程中同时几种方法一起交替使用，共同形成管棚超前支护系统。 管棚支护法作为隧道开挖通过软弱破碎岩体等不良地质条件时的一种隧道超前支 护，是近年来在隧道施工中发展起来的，具有支护能力强、支护深度大等特点。管棚支 护基本原理是，在开挖隧道作业之前，沿着隧道开挖的轮廓线外缘，用专用的钻孔设备 以较小的外插角度每隔一定距离钻孔，再将加工好的钢花管打入到已钻好的孔洞中，由 许多的钢花管在开挖前排列形成钢管棚，并将钢管在端部横向连接。再向钢花管内注浆 以提高钢管的强度，填充钢管与孑l 壁之间的问隙，使管棚与围岩固结紧密，以此来形成 开挖面前方围岩的管棚超前支护。 隧道开挖后，钢管沿隧道开挖方向留一定的搭接长度，再开始下一组管棚支护，如 第章绪论 此循环。隧道开挖后，钢管管棚留在岩层中，与注浆一起形成隧道管棚支护。其成洞效 果如图i i 所示： 图1 , 1 臂棚支护成嗣效果圈 管棚支护以钢管作为纵向的预支护，还采用了钢架作为换向支护，整体支护刚度较 大，限制围岩变形的能力较强，并且能提前承受先期来自田岩的压力。因此，管棚支护 的适用范围就是对那些围岩压力来的比较快且大，对围岩的变形和地表的下沉有较高的 限制要求的隧道旌工工程，如土砂质地层、士砂质地层和浅埋有显著偏压等围岩的隧道 中。 1 1 2 管棚钻机 基于管棚支护法在对软弱破碎围岩隧道工程中的作用，对钻探设备钻机的基本要求 有】： ( 1 ) 钻臂能够大幅度多方位移动，满足不同形状的管棚施工要求，钻臂的运动轨迹 目前有两种形式，一种是极坐标形式，另一种是直角坐标形式。 ( 2 ) 能钻不同角度的高精度钻孔，管棚设计因素中钢管的间距、钢管长度、插角与 钻孔精度密切相关。 ( 3 ) 能高效钻进各种复杂地层，管棚穿越的地层多为软弱层、砂砾层、破碎带、漏 水、漏砂层。 ( 4 ) 结构紧凑，操作方便，具有优越机动性，满足隧道空间有限制和高空作业的要 求。 ( 5 ) 要有高效的消音系统和废气净化装置，保证施工现场良好的工作环境。 ( 6 ) 钻进的动力头应为多功能，满足不同地层钻孔的要求。 管棚钻机( 也称管棚支护台车) ，正是在隧道管棚超前支护的技术下发展起来的一 种强力式超前支护设备，是管棚超前支护隧道旖工技术中最关键的设备。主要用于隧道 施工中管棚超前支护和前方岩层结构的探测，由其形成的天幕保护式隔离层，极大的提 灞 k 安太学砸j ，学位论女 高了顶拱的固结及支撑力，支护隧道顶板的破碎带松散带，使其不易冒落或防止地下 水的大量涌出等。图1 2 是德国g k l e m m 公司的k r 8 0 4 1 2 管棚钻机外形图，图1 3 是第 一台国内引进意大利c a s a g r a n d e 公司p g l l 5 管棚钻机的施工现场。 图1 2k l e m m k r 8 0 4 1 2 管棚钻机外形图图1 3c a s a g r a n d e p g l l 5 管棚钻机旆工现场 管棚钻机主要由钻机动力头、桅杆、夹持器、变幅机构、动力站、底盘等几大部分 组成。从钻机实现功能上来说，它必须实现钻机的自行走以进入到工作点；能够实现摆 臂的摇摆和伸缩以调整工作位置，保证管棚作业的精度；精确而平稳的液压系统以实现 钻机钻孔作业的控制。其外形结构如图1 4 所示： 图1 4 管棚钻机外形结构图 一、钻机动力头 管棚钻机动力头是整机的主要部件，作为钻机工作的动力源，其主要功能是将凹转 钻进作业时需要的扭矩和转速通过转杆传递给钻头，驱动钻头回转，并和夹持器一起完 成钻杆的拧紧松卸。 管棚钻机动力头由马达驱动，再由齿轮减速器减速，达到增大输出扭矩的目的。 二、桅杆 第一章绪论 桅杆，作为管棚钻机动力头推进和回拖的执行机构，以适当的速度和轴向推拉力使 钻孔工作顺利进行。推进器的轴向推力的大小，及给进速度的快慢必须根据地质条件的 变化能够任意调节，使钻机动力头在最佳轴向给进力下工作；同时回拖力应能满足拔管 或钻头的需要。常用的桅杆有马达丝杆式、马达链条式、油缸钢丝绳式和油缸链条式等。 三、夹持器 夹持器是在钻机动力头钻孔作业过程中更换钻杆时拧紧和松开管子机构。通常夹持 器采用两对夹紧用油缸和一对旋转用油缸，以实现钻具的拧紧和松开。 四、变幅机构 变幅机构的作用是保证钻机钻孔位置以及支护仰角的大小，即保证钻孔施工半径范 围的机构。其主要功能有：能绕支点旋转、支臂可伸缩、能实现仰角的调整、定位准确， 并具有较大的强度与刚度，以满足钻机动力头给进力和大扭矩的要求。 五、底盘 管棚钻机的底盘由钢板通过焊接和行走机构一起，共同作为整机的支架。底盘的履 带行走机构由“四轮一带”、张紧装置、缓冲弹簧、行走机构和行走架等组成。履带的 传动由低转速大扭矩的柱塞式液压马达，通过多级正齿轮减速箱实现。履带的制动由液 压马达和制动器操纵杆连锁的液压控制系统来实现。履带式底盘，结构简单，体积小， 操作方便，易于维修。爬坡和工作时，整机的稳定性好。 1 2 管棚钻机的发展现状 1 2 1 国内外管棚钻机发展现状 隧道施工作业过程中使用的施工机械，就按其机械实现的动作原理可分为 8 , 9 1 ：回转 式钻机，冲击式钻机、振动式钻机和复合式钻机等四种。 现阶段国内生产的钻机型号较多，但大部分都是为露天钻孑l 施工服务，目前能够用 于隧道水平钻孔的钻机只有部分水平定先钻、地质岩芯钻机及爆破孔钻机 2 , 7 , 1 0 】。这些钻 机由于自身结构设计的原因存在没有摆臂、升降、走动等功能的缺点，在钻孔施工作业 时，要预先搭设作业用的台架，每钻完一孔都需要重新的移位和固定，不仅使钻孔的角 度不方便控制，还给施工带来了一些不必要的麻烦；这类钻机由于缺乏冲击功能，所以 钻孔的速度比较慢；有些钻机没有套管的及时跟进，当钻完孔抽出钻杆时孔壁容易发生 坍塌，安装钢管很困难。采用爆破钻孔用的液压钻孔钻机实施隧道水平钻孔，较为实用。 钻机冲击功率大，扭矩大，又有冲击旋转性能，它克服了上述钻机的一些缺点，但它的 4 长，安人学硕上学位论文 最大缺点是钻孔深度较浅，钻孔直径小，费用高。 在实际的隧道施工作业中，国内的中铁十九局引进了意大利卡萨格兰特 ( c a s a g r a n d c ) 公司生产的当今世界上最为先进的p g l l 5 管棚钻机，但是限制于昂贵的 价格，目前国内在绝大多数的隧道钻孔施工过程中主要还是使用经过改良的地址钻机、 坑道钻机、非开挖定( 导) 向钻机、水平定向钻等设备来代替管棚钻机进行实际的施工 作业。 在国外，管棚钻机是在上世纪8 0 年代初出现的一种新型隧道施工机械，是专门用 于隧道施工的管棚超前支护设备。由于其在技术上优越性和高效性等优点，已经在国外 隧道施工中不断得到广泛的应用，已经成为了一项新兴的高新技术产业，带来了比较客 观的经济效益和社会效益。意大利的卡萨格兰特和日本的a g f 是国外最早把管棚钻机 进行商业化的公司，现在国外生产管棚钻机主要的厂家有德国g k l e m m ，e u r o d r i l l ， 意大利的c a s a g r a n d e ，e g t 和s o i l m c c 、日本的k o k c n 等公司。他们所生产的管棚钻机 能够很好的解决国内钻机还存在的一些技术问题，不仅能够实现钻机的自行走、摆臂伸 缩，还具有冲击功率较大，扭矩大，钻孔作业深度大和钻孔直径大等特点。经过2 0 多 年的发展，管棚钻机得到了广泛的发展和系列化的生产。许多公司研发出了形式多样的 管棚钻机，比较典型的产品有g k l e m m 公司的k r 系列，意大利c a s a g r a n d e ，公司的 p g 系列，意大利s o i l m c c 公司的s m 系列，日本k o k e n 公司的r p d 系列；钻孔方式也 从原来较为单一的冲击钻进方式和回转钻进方式，发展到现在回转冲击方式、套管跟 进、正反方向回转循环等多种方式，对施工环境的适应性强；从钻机的控制方式来看， 实现了机电液一体化的联合控制，自动化程度大大的提高；除了在管棚超前支护方面的 应用，还能用于其他需要钻孔打孔的施工作业现场，适用性广。 1 2 2 国内外管棚钻机技术研究现状 目前，国内就管棚钻机所做的研究，绝大多数都只是限于管棚工艺上的，而对管棚 钻机本身所作的研究很少。 瓜景云【4 1 ，其所在的铁道部武汉工程机械研究所研制的轻型管棚钻机解决了国内一 些钻机的不足。它在钻孔时套管随钻头跟进，解决了塌孑l 问题；有一定的工作范围，解 决了每钻进一孔就需要移位、固定的问题；轻型管棚钻机综合了双管反循环、套管、螺 旋和正循环三种钻孔方法，对地质的适应能力强，但因为其工作范围较小、功率低、输 出扭矩小，钻进深度浅，位置需固定，移动不便，不适合大型隧道的开挖施工，并未得 第一章绪论 到推广与应用。 于鼎拯【3 】在文章中指出，由铁道建筑研究设计院、铁道部第十二工程局和地矿部无 锡钻具厂共同研制的“c s g j 9 6 型冲击式隧道管棚钻机及其施工技术 于1 9 9 5 年1 2 月 在北京通过由铁道部科技司主持的鉴定。该管棚钻机采用偏心扩孔跟管钻具，成功地解 决了钻杆和套管同步跟进的问题，并对中8 9 的套管钻进2 1 m 深的孔进行试验，结果表 明，其原理可行、性能可靠、制造工艺符合要求，主要技术指标基本达到预期目标。但 至今在国内的市场上没有发现有该型号的管棚钻机。 同时中南大学邓年生【2 5 1 在其硕士论文中，在分析岩石破碎机理的基础上，进行了钻 机动力头的设计，建立了钻头、钻杆和动力头齿轮传动系统在钻进作业时的数学模型， 并对钻机动力头液压驱动系统的的动态特性进行了仿真研究和试验，形成了一个比较完 备的钻机动力头动态特性的研究体系。宁崴【2 6 1 的硕士论文中，主要是对管棚钻机的变幅 机构的结构和液压系统进行了设计研究，对于管棚钻机的设计和生产实际有一定的理论 指导意义。 1 3 课题研究的背景和主要内容 现阶段国内在只是在固定式的轻型管棚钻机方面做了一些初步的研究和探讨，而专 用的管棚钻机的研究几近空白，与国外较为先进的研究技术还存在着较大的差距。同时 国内就在实际的管棚超前支护的隧道施工中，主要还是用一些别的钻机作为替代设备进 行作业，这就要在隧道开挖面的前方搭设支架，在完成每次钻孔任务后，还需要重新搭 设，不仅对施工的工期造成了影响，也给钻孔的的精度带来较大的影响，安全性较差。 因此随着大量地下隧道施工的增加，对于专用的管棚钻机的需求也显得更加的迫切，但 进口管棚钻机的价格非常昂贵。本文基于上述背景对采用全液压技术传动和控制的管棚 钻机进行研究。 研究的主要内容有： 1 对管棚钻机钻进方法进行分析，提出钻探工艺对液压系统的要求，分析各个执行机 构的工况特点及负载特性，确定钻机掘进与行驶液压驱动系统方案。 2 进行主要回路驱动方式的方案选择以及回路设计，计算钻机液压驱动系统效率，并 对液压驱动系统进行运动学和动力学分析。 3 以a m e s i m 软件为平台，建立钻机动力头液压驱动系统的模型，分析外负载变化对钻 机液压驱动系统的影响。 6 长安大学硕士学位论文 第二章管棚钻机液压驱动系统方案研究 管棚钻机要求输出功率大、起动制动迅速和运动平稳，因此整台机器的传动及控制 普遍采用液压传动及控制系统，液压系统设计的好坏直接影响到整机的性能，因此，本 章将在分析管棚支护钻孔方法的基础上，对钻机的掘进与行驶液压驱动系统方案进行研 究。 2 1 管棚钻机钻孔方法 钻机钻孔作业的主要对象就是岩( 矿 石，岩石是具有一定化学成分和构造特点的 矿物集合体，是组成地壳的主要物体，因其组织和构造的不同导致岩石的性质差别较大。 针对此必须选择合理的钻进方法，目前在隧道钻探工程中广泛采用的钻进碎岩方法是机 械式的破碎岩石方式，其碎岩方式就是利用碎岩工具，并施加一定的外力作用在岩石上， 使工具着力点处的岩石被破碎下来，达到钻进的目的。 根据不同的岩层性质，可采用相应的钻进方式。根据施加外力的性质或方式的不同， 可把管棚钻机钻进方法分为5 9 】：冲击钻进方式、回转钻进方式和回转冲击钻进方式等。 一、冲击钻进 生产实践证明，在中硬以上的岩石表面上钻孔时，用冲击载荷破碎岩石是一种有效 的方法。其钻孔方法如图2 1 所示。 图2 1 冲击钻孔示意图 钎子在轴向冲击速度，的作用下，钻刃部分凿碎岩石，在i i 处形成一条破碎槽， 随后在钎子回提时，钎杆转动一个角度，再进行第二次冲击，在i i i i 处形成第二条 破碎槽。两条破碎槽之间的扇形区在形成第二条破碎槽同时被剪切破碎，这样连续地冲 击和转动钎杆，便在岩石中形成一个炮孔。工作时，钻头在一定的轴向力( 或推进力) 作用下不断旋转钻入岩石而成孔。对于较软的岩石，一般将岩石破碎成岩粉排出；对于 较硬的岩石，也可采用空心钻头，待钻进一定深度后，再将岩心取出。 7 第二章管棚钻机液压驱动系统方案研究 二、回转钻进 回转钻进的钻孔过程时，钻头同时承受轴向力和回转力的作用，在轴向力作用下钻 头插入岩石；同时，在回转力的作用下，钻杆转动切削岩石，钻头每回转一周，每个钻 刃在岩石上切下一定厚度的岩屑，岩屑的厚度取决于钻头每回转一周的推进量和钻头的 刃数。在软岩和中硬以下岩石中钻孔时，采用回转钻进是非常有效的方法。 玉拯影块 图2 2 回转钻孔示意图 钻机回转钻进破碎岩石的都要经过从切削小碎块到大碎块的过程。钻头刃具在切削 破碎岩石时，首先挖下的是小碎块，此时施加的切削力( 亦即轴向给进力) 也较小，而 且在小碎块形成的瞬间，切削力也有有一点的下降。随着切削力的逐渐增大，被分离出 来的岩石块也相应的增大。经过这样反复的两三次破碎，最后崩离出大碎块。其钻孔示 意图如图2 2 所示，从左至右分别表示：块体崩裂、压入作用、压碎作用、块体崩裂。 三、回转一冲击钻进 回转一冲击钻进是介于冲击式和回转式之间的一种凿岩方式，兼有两者的特长，克 服了以上两种凿岩方法的弊端，其主要特点是钻头在静压力作用下，由纵向冲击载荷和 回转切削共同作用而破碎岩石。回转和冲击这两种方法联合作用，相互补充，发挥出二 者的各自优点。图2 3 是回转冲击钻进效果示意图。 域转为主、冲击为辅净击为主、嗣转为冀 图2 3 回转冲击钻孔示意图 从上图可以看出，在钻机动力头回转一冲击钻进过程上，钻头轴向除受到静压力略作 用外，还同时作用有冲击力岛，在回转方向也还作用有回转扭矩m 。即钻头除冲击破 碎岩石外，同时还有切削破碎岩石作用。在一定的岩石条件下，根据施加的轴向推力和 长安大学硕士学位论文 回转力矩的不同，回转冲击式凿岩又可分为两种：以回转切削为主、冲击为辅的冲击 回转式凿岩，这种方式所施加的轴向推力和回转力矩足以使钻头插入岩石；冲击载荷主 要以辅助增大钻头切入岩石的深度，增加剪切自由面积和切削体积；以冲击破碎为主、 回转切削为辅的冲击回转式凿岩。这种方式所施加的轴向推力和回转力矩不足以使钻 头插入岩石，仅仅用于使钻头与孔底保持紧密的接触，并在岩石内产生一定的预紧力， 而回转力矩仅仅起到了克服摩擦和转钎的作用，岩石的破碎主要是依靠冲击载荷。 管棚钻机主要适用于围岩压力来得快来得大，对围岩变形及地表下沉有较严格限制 要求的软弱破碎围岩隧道工程。按照m m 普罗托基雅科夫的岩石分级法，用岩石坚固 性系数，即普氏系数值厂来表示岩石的坚固性程度，厂值可用下面的公式来定义： 厂= p 1 0 ( 2 1 ) 式中，p 岩石( 式样) 的单向极限抗压强度( m p a ) 。 按照岩石性质的分级，当岩石的普氏系数值厂6 时，属于中等坚硬以下的岩石。 根据一般钻孔机械的工作原理，此类岩石通常采用回转式钻机更能发挥设备的效率，在 回转钻进很难钻进的情况下，再利用冲击。 根据岩石的力学性质，破碎岩石与所施加的外力大小和作用速度有关，冲击载荷在 较短作用时间内可以使岩石由塑性体转变为脆性体，在冲击作用时，岩石冲击点的作用 力还来不及重新分配，应力便很快接近或超过岩石的强度极限，产生微裂隙。随着岩石 中裂隙的进一步扩展，是的岩石的整体强度逐渐的减低，便形成了体积破碎。回转一冲 击钻进作业时，钻头不仅有切削破碎岩石的作用，还有冲击岩石的作用，这种回转剪切 破碎和冲击破碎岩石方式交替使用，加上静载荷和冲击载荷相互结合的特点大大提高了 管棚钻机钻进的工作效率。所以，管棚钻机动力头的工作方式选用回转冲击钻进的钻 孔方式。 回转冲击钻进液压工作原理是通过减速机构把扭矩传递到钻杆上，钻杆再把扭矩 传递到钻头上，实现管棚钻机动力头的回转钻进。凿岩机的液动冲击器将冲击的能量通 过钻杆传到钻头上，实现钻头的冲击钻进。回转钻机和冲击钻机的相互配合运动，实现 管棚钻机动力头的回转冲击钻进。 2 2 钻探工艺对管棚钻机液压系统的要求 设计液压系统是研制全液压管棚钻机的重要内容，钻机性能的好坏，钻进效率的高 9 第二章管棚钻机液压驱动系统方案研究 低，使用寿命的长短，主要取决于液压系统的性能。钻机负载的影响因素很多，如岩层、 钻孔弯曲、孔深、孔壁状态和钻头磨损状态等，各因素之间又存在交互作用，使钻机负 载不仅具有随机性、模糊性、和关联性，而且还具有离散型及动态性等特点。 一台理想的钻机，其工作性能必须满足钻探工艺的需要。管棚钻机钻进地层条件较 为复杂，因此钻机的液压传动系统作为钻机的动力驱动系统，除必须满足液压传动的一 般要求外，还必须满足钻探工艺的一些特殊要求【8 】。 ( 1 ) 要求管棚钻机执行机构的回转速度、回转扭矩和给进作用力能够随着钻探工艺 的变化进行无级调节，并且具有较大的调节范围。 钻机在钻进时，由于钻进地层的复杂性，随着钻孔深度和地质的变化，钻进参数也 必须相应地改变。有时为了完成诸如快速的倒退钻杆等一些比较特殊的钻进工序时，必 然要求管棚钻机的液压驱动系能够保证动力头转速和转矩、给进机构的给进力和给进速 度都能随着钻进孔深和孔内情况变化而快速调节的要求，且具有足够宽的调节范围。 ( 2 ) 要求改变管棚钻机执行机构的运动方向时，不需要改变动力头的运动方向，换 向迅速、准确、方便、无冲击。 钻机钻孔作业时，由于松卸钻具、拧紧钻杆、倒退钻杆、前后移动钻机和调整钻机 等工序时，钻机的液压驱动系统必须要能保证回转机构、给进机构、凿岩机移动机构、 卡紧夹持机构和调平机构等均能在不需要改变钻机动力头运动方向的情况下，实现正反 方向转动，并且在换向的时候，能迅速、准确，并且冲击比较小甚至没有。 ( 3 ) 要求管棚钻要机能够实现一个机构的多种功能。 钻机的某些执行机构的功能往往不止一个，如给进机构除了给钻杆施加一定的轴向 给进力和向前传送钻具外，还能悬挂钻具和迅速的实现钻杆的倒退。卡紧与夹持机构不 仅能够当钻头在孔内回转和停止钻进时，分别卡紧与夹持钻杆，同时还要相互配合拧紧 和卸开钻杆间的连接螺纹。因此管棚钻机的液压驱动系统必须要满足钻机在这种执行机 构对多种功能的要求。 ( 4 ) 要求管棚钻机的各执行机构运动准确、液压系统中没有压力和流量的干涉。 液压驱动式管棚钻机以液压作为驱动的执行机构比较多，往往一个执行机构要实现 两个或者更多个功能，同时还要求各个执行机构之间的能够相互紧密的配合，能够遵守 一定的运动规律。例如，在钻机开始钻进作业时，回转机构首先要带动卡盘正向回转， 然后卡盘夹紧钻杆，夹持器跟随着松开，动力头给进机构随即向前推进钻杆；当停止钻 进的时候，给进机构先停止送进钻具，紧接着卡盘停止回转，然后夹持器迅速的央紧钻 1 0 长安人学硕上学位论文 杆，晟后卡盘松开钻杆。就这两道工序涉及到了4 个执行机构，以及两种不同的顺序动 作。在各种顺序的动作执行中，各种机构的运动状态也是不一样的。在管棚钻机工作的 时候，各种不同工序中各种执行机构的执行工作变化比较频繁，而且变化速度也极为快 速，顺序运动之间的时间间隔也较为的短暂，这些都可能会导致钻机液压驱动系统中出 现某些执行机构之间的运动干涉。 在钻机不同的钻进工序中，有些执行机构的工作负载也会突然发生很大的变化，导 致执行机构之间液压系统的工作压力会出现相互干涉的现象。例如，钻机卡盘和夹持器 采用液压卡紧钻杆的时候，必须要有足够大的夹紧力，以免钻头跑钻。在单液压泵多 执行机构的液压驱动系统中，当钻头通过比较空洞或者松散地层的深孔时，动力头回转 机构和给进机构的外负载变小，使得系统中的工作压力大大的下降，然而为了克服钻具 自身的重力，就要求卡盘还需具有足够的卡紧力。因此，在这种工况中，一方面容易出 现钻机动力头回转机构和给进机构液压回路与卡紧液压回路之间的压力发生干涉；同时 在另一方面，还容易发生回转机构和给进机构液压回路中由于压力的降低、液压油流量 的增大，而导致液压缸的运动速度过快。所以液压驱动管棚钻机的液压驱动系统必须不 能出现执行机构之间的运动、流量和压力的相互干涉现象。 ( 5 ) 要求管棚钻机液压系统操作简单，控制准确。 液压驱动式管棚钻机在钻进工作时，一般每完成一道钻孔工序时，都要求几个钻机 执行机构相互配合动作。为了能够避免操作者在工作的时候不至因为手忙脚乱出现一些 错误操作，必须采用单手杆来集中操纵，以此实现执行机构的联动。同时还须各个执行 机构的动作控制必要准确，尤其是在夹持钻杆和保持钻机平稳的时候，相应的执行机构 液压回路中都必须具备有可靠的回路锁紧保护功能。 ( 6 ) 要求管棚钻机具有较好的耐污染性能。 管棚钻机主要是在野外露天作业，工作环境的清洁度会比较差，在钻进的时候，容 易受到泥浆、岩粉等的污染，这些都会使钻机液压驱动系统的工作性能和使用寿命降低。 所以管棚钻机的液压驱动系统必须要采取一些有效的防尘和抗污染措施。 ( 7 ) 要求管棚钻机液压系统结构简单，体积小，重量轻，维修方便，且液压元件的 标准化、通用化程度高。 管棚钻机主要是在野外进行流动作业的机器，因此搬迁移动和安装会比较频繁。这 就要求钻机的液压驱动系统的结构比较简单，而且液压元件的尺寸和体积要尽可能的 小，以减轻整机的质量，方便维修。此外，管棚钻机的施工作业地点一般都是远离城市 第二章管棚钻机液压驱动系统方案研究 和维修基地的作业现场，因此钻机的液压驱动系统应该尽可能的采用通用或者标准的元 件，便于钻机工人现场及时维修和更换液压元件。 2 3 管棚钻机液压驱动系统工况分析 管棚钻机采用全液压驱动，电磁、液压控制。由液压泵输出一定压力的液压油，经 过多路换向阀组分配到各组油缸及液压马达、凿岩机等，通过电磁阀组控制液压油路的 通断与换向，实现整机的液压驱动、电磁控制，进而实现钻机各个工作动作。 准确分析液压系统工况是进行液压系统功能设计的前提【”】。通过对液压系统工况的 分析，可以明确负载情况、控制对象、控制内容及控制要求、为液压系统功能的合理设 计提供依据。管棚钻机液压系统按其实现的功能不同，主要可分为动力头回转和给进驱 动系统、行走系统、钻具夹紧及拧卸系统、支臂系统和辅助系统。 2 3 1 回转系统工况分析 1 负载特性分析 负载是指液压控制系统中液压执行元件运动时所需克服的各种阻力。管棚钻机动力 头回转系统负载特性主要就是由钻孔钻进时钻头受到的切削负载和回转钻杆的负载所 组成。回转负载的大小除了主要与所受钻地层的岩石性质，钻孔直径的大小、钻进方式 的选择、钻孔的深度、回转的速度等因素的影响外，还和孔底钻头受到压力的大小有关。 随着孔底压力的增大，钻头钻进深度加深，破碎岩石所需要的转矩也就越大；当孑l 底压 力过大，使得转矩达到系统安全阀设定的最大压力值时，就会出现卡钻现象，导致不能 正常的钻进。在实际的钻孔作业过程中就是通过控制孔底压力的大小来使动力头实际回 转扭矩能够稳定在最大转矩之下工作。 2 工况特点分析 钻探工艺要求管棚钻机回转机构的转速能有较宽的调节范围，以此来适应不同的钻 孔方式和钻进规程，并且能够正反向回转和微动回转；同时还需要转矩能在较大的范围 内能够适应外负载的变化。动力头回转系统应具有压力适应、速度可调、有较大调速范 围但不频繁的特点。 2 - 3 2 给进系统工况分析 1 负载特性分析 管棚钻机动力头给进系统的负载主要就是指由重力负载、摩擦负载和顶紧岩石的轴 1 2 长安大学硕士学位论文 向负载等组成的负载特性。其中重力负载的性质主要是取决于钻孔的倾角大小，当钻孔 上倾时为阻性负载，相反在钻孔下斜时为超越负载；一般重力负载的大小与钻孔深度、 钻孔倾角的大小以及单位长度钻杆的重量都有关。钻头钻进时受到的孔底压力由钻进的 规程确定，为了能够得到最佳的钻进指标，通常由试验来得到针对不同的岩层性质和钻 头种类的数值。 2 工况特点分析 分析管棚钻机动力头给进机构的功能是拉动动力头部分即钻杆部分通过齿轮齿条 机构在钻机底盘上前进后退。当给进机构的力为设定值时，钻进速度决定于岩石的可钻 性。通过调节给进力也就是在一定的钻进规程下调节进退速度。给进机构的特性就是保 持给进机构在预先给定的初始给进力条件下，当岩石可钻性改变时迅速调整动力头进退 速度的变化规律。 若不计钻杆对孔壁的摩擦、泥浆浮力的影响等因素，在钻进过程中力的平衡方程为： f = p q ( 2 2 ) 式中：，给进压力； p 孑l 底压力； q 钻具重量沿钻头给进速度方向的分量，与钻头给进速度方向相同时取 负号，与给进速度方向相反时取正号。 若f 0 ，给进力方向与给进速度一致时，为加压钻进工况。如果f 0 ，则给进力 方向与给进速度方向相反，此时为减压钻进工况，钻孔下斜，重力负载为超越负载，只 有通过控制系统回油背压来平衡一部分钻具重量，达到设定的孔底压力。 综上所述，管棚钻机给进系统工况较为复杂，可分为加压钻进工况、减压钻进工况、 起下钻及倒杆工况，兼有高压大转矩慢速给进和低压小转矩快速给进的作业工况。因此 要求动力头给进系统的压力可调，且速度适应。 2 3 3 钻具夹紧及拧卸回路工况分析 1 负载特性分析 这个回路其实包括两套回路，一个是夹紧环节的负载，一个拧卸环节的负载。夹紧 环节的负载主要是由两个液压缸完成，从理论上只需要克服缸体本身的摩擦力即可，但 在实际情况下要增加一定量的压力；而拧卸环节的负载主要克服钻杆之间锥螺纹的拧紧 力和卸扣力。 第二章管棚钻机液胝驱动系统方案研究 2 工况特点分析 钻机的夹紧机构有两个：卡盘和夹持器，卡盘和夹持器的夹紧与松开是通过与回转 回路、给进起拔回路联动实现的。要求具备如下功能： 1 ) 回转器正转与夹持器松开及卡盘夹紧联动； 2 ) 回转器反转与夹持器夹紧及卡盘夹紧联动，实现钻具卸扣； 3 ) 回转器前进与后退与夹持器及卡盘的夹紧与松开联动，完成起下钻及倒杆动作。 2 3 4 行走回路 1 负载特性分析 履带行走回路主要是钻机在开始工作以前或者结束工作以后，通过液压马达驱动底 盘履带系统在水平地面或者斜坡上行走。因此主要是克服由钻机重力引起的摩擦力做 功。 毋= ( f c o s t 9 + s i n 9 ) m g ( 2 3 ) 式中：c 行走系统负载； 厂履带与地面接触摩擦系数； p 接触地面倾斜角度，水平接触面取0 。 2 工况特点分析 在自由地面上行走，工作人员可以在钻机上控制钻机的转向。钻机行走回路的功能 主要是在两个液压马达的驱动下，经行走减速器带动履带传动，从而实现钻机前进、后 退、左右转向。为了在有坡度的工作面工作，要求履带马达具有自锁功能，防止履带在 坡地溜滑。 2 3 5 机身调整回路 钻机在隧道进行施工，打高位孔时经常上下坡，稳固调角回路主要用于稳固钻机， 通过机身调整油缸可随时调整钻机的仰俯角，以方便钻机行进通过，同时也可扩大钻机 钻孔的范围。 车身稳固调角回路的的执行机构主要为手动操作手柄控制伸缩油缸，操作人员操纵 控制手柄，前推时，油缸伸长，车身俯角增大，方便钻机下坡及降低打孔高度；后拉手 柄时，油缸缩短，车身仰角增大，方便上坡行进及提高打孔高度，实现车身仰俯角的调 整，要求回路具有自锁功能。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 3 6 辅助系统 为了简化和减少操作失误，缩短起下钻作业时间，在液压系统上设计了机构间的联 动功能： 1 ) 回转器正、反转时，回转油路中的部分高压油通过单向阀进入液压卡盘，使卡 盘自动夹紧钻杆。 2 ) 反转时，部分高压油进入夹持器的副油缸，以增加夹持器的夹紧能力。 3 ) 操作回转联动阀，可实现正转时卡盘卡紧、夹持器自动松开，停止回转后，夹 持器自动卡紧，防止因误操作引起滑杆事故。 2 4 管棚钻机掘进与行驶液压驱动系统方案研究 钻机的液压系统按照液压油的循环方式不同，有开式和闭式系统两种形式。钻机液 压系统中液动机数量较多，并且大多数液动机都不适用于闭式循环系统。同时钻机的一 个工作循环时间较长，液压系统的发热量较大，为减少液压泵的数量，简化系统的结构， 减少液压元件的维修量，降低系统的温度，主要选用的开式循环方式。闭式回路循环方 式一般仅用于采用液压马达，且使用功率较大，要求调速范围宽和调速方便的液压系统， 主要就是回转系统。这种情况下，钻机的液压系统常常是开式和闭式循环两种形式并存。 在钻机整个工作过程中，8 0 以上的时间是在进行动力头的回转和推拉动作，所以 钻机动力头液压驱动系统是整个钻机液压系统中最重要的一个子系统，它与钻机行走液 压驱动系统的方案有以下三种【27 1 。 2 4 1 方案一 如图2 4 液压原理图所示，管棚钻机动力头回转系统和给进系统均采用单变量泵 双定量马达闭式液压回路驱动，两个定量马达通过串并联换向阀切换，可以实现高速小 扭矩与低速大扭矩两种不同的驱动方式，以满足不同钻机动力头作业工况的需要。回转 系统和给进系统通过2 个换向阀实现行走系统的切换，两个变量泵同时也充当行走系统 的驱动泵，分别驱动钻机左、右两边履带行走马达，实现车辆的行走工况。 第二章管棚钻机液骶驱动系统方案研究 动力头回转马达行走马达行走马达钻进回拖马达 图2 4 方案一液压原理图 此种传动方案，由于所选用的马达均为定量马达，成本低，马达始终工作在全排量 状态下，不会存在由于马达排量变化带来的液压效率变化。但是，定量马达对外负载变 化的适应性差，调速范围小；另一方面，双马达并联工作时，由于分流的影响，作业效 率较低，而串联方式也会提高液压系统的工作压力，马达长期工作在高压状态下，会缩 短马达寿命，增加制造成本。 2 4 2 方案二 如图2 5 液压原理图所示。动力头回转系统和给进系统均采用一个变量泵双变量马 达闭式回路驱动，通过变量马达排量的改变，可以实现钻机动力头高转速小扭矩与低转 速大扭矩的作业方式，以满足不同工况的需要。通过2 个换向阀实现回转系统，给进系 统与行走系统的切换，回转系统和给进系统的变量泵分别驱动左、右两边行走马达，实 现车辆的行走动作。 此种方式虽然比较理想，回转系统和推拉系统均采用变量泵变量马达闭式回路， 通过负载一变量马达一变量泵之间合理的参数匹配，可以实现发动机功率利用率，液压系 统传动效率和作业效率的较好结合。行驶状态和作业状态之间通过换向阀互锁。左、右 两边行走马达由两个变量泵驱动，有利于行驶控制，但是在成本上却比较大，而且在控 制方式上也比较困难。 1 6 长安大学硕士学位论文 回转马达行走马达行走马达钻进回拖马达 图2 5 方案二液压原理图 2 4 3 方案三 此方案原理图如图2 6 所示。钻机动力头回转系统采用一个变量泵两个变量马达闭 式回路驱动，给进系统采用一个变量泵两个定量马达开式回路驱动，马达通过档位切换， 可以实现钻机动力头高转速小扭矩与低速大扭矩两种不同驱动方式，以满足不同工况的 需要。回转系统的液压泵同时驱动左、右两边行走马达，通过一个换向阀实现回转系统 与行走系统的切换，实现车辆的行走。 钻进回拖马达行走马达行走马达回转马达 图2 6 方案三液压原理图 1 7 第二章管棚钻机液压驱动系统方案研究 这种回转系统采用变量泵变量马达组成的容积调速回路系统，具有调速范围大。 扭矩范围广，无级调速范围广，功率利用率高，对外负载变化的适应性强等优点，可以 选用排量较小的变量泵，通过改变马达的排量进行调整，既降低了成本，也不影响钻机 的作业效率。 在以上三种方案中，方案一对外负载的调节适应能力较差；方案二，虽然通过变量 泵变量马达排量的调节，可以实现发动机液压系统的性能达到较好的状态，而且作业 效率也高，但是相对成本也较高；同时方案一和方案二均采用较为对称的布局方式，回 转系统和给进系统在不工作时候通过油路切换给两边的行走系统，因此为了实现行走时 两边履带的同步性，必然要求回转和给进两边的液压泵型号相同，对于管棚钻机而言， 给进系统所需要的功率相对于回转系统较小，对于液压泵排量的要求也较小，在选用与 回转系统相同排量的泵时，泵排量比较小，元件效率低。方案三虽然在行走系统的布局 有些不合理，但是作业效率高，成本也相对较低，综合考虑整机工作性能及成本的性价 比，选用方案三较为合理。 2 5 本章小结 本章首先对管棚钻机钻孔方法进行了分析，确定管棚支护钻孔采用以回转钻进为 主，冲击钻进为辅的回转冲击钻进方式。然后结合钻探工艺对液压控制系统的要求， 分析了管棚钻机液压系统的几个重要回路的执行机构、工况特点和负载特性。在此基础 上通过对三种钻机掘进与行驶液压系统方案的性能对比，确定“回转系统与给进系统独 立，同时行走系统与回转系统共用泵源”的方案，该方案具有较高的性价比。 长安大学硕十学位论文 第三章管棚钻机掘进与行驶液压驱动系统设计与分析 在确定了钻机掘进与行驶的液压驱动系统方案后，本章在课题研究管棚钻机主要性 能参数的基础上，对钻机液压驱动系统主要元件进行选型，和进一步的运动学与动力学 分析。 3 1 管棚钻机液压掘进与行驶液压驱动系统设计 管棚钻机的工况比较复杂，它的液压系统设计吸取国内外相似功能钻机的优点，主 要关键的液压元件优选用国际先进产品，可以解决液压系统中经常出现的泄漏和使用可 靠性不高等问题，使钻机寿命延长，降低维修维护费用。 本课题中研究的管棚钻机的主要性能参数如下： 钻孔直径：1 5 0 m m 钻杆直径：8 9 m m 钻机最大扭矩： 12 0 0 0n m转速0 - - 6 0 转分 钻机最小扭矩：8 0 0 0n m转速们o 转，分 钻孔深度水平：4 0 m 水平钻进高度： 3 8 3 0 m m 钻机行走速度：0 - - , 4 k m h 地盘离地面距离： 3 5 0 m m 外型尺寸：9 8 0 0 2 3 0 0 2 8 0 0 m m ( 长宽高) 3 1 1 发动机选型和计算 对于动力头回转系统，将动力头当做马达来计算，可以得到回转系统所需的输入功 率。动力头的最大回转扭矩是k = 1 2 0 0 0n m ，此时对应的回转速度是= 6 0 r m