（机械电子工程专业论文）z6500水平定向钻机动力头及其液压驱动系统动力学研究.pdf

摘要 水平定向钻机是应用水平定向钻进技术的专用非开挖设备，在施工过程中环境污染 小、交通影响范围小、地下管线施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著。随着国 家基础建设力度的不断加大，该设备的研究受到人们更为密切的关注。因此，其静力学 特性和动态特性的研究对于设备整机作业性能的提高具有重要意义。 在水平定向钻机的关键总成中，动力头总成是为主机提供推进和回拖动作的机械传 动和执行机构，其性能可直接影响到设备的整机作业性能。本文通过对比目前国内外典 型钻机动力头总成的机械结构和传动系统方案，结合各方案的优点设计了z 6 5 0 0 型水平 定向钻机的动力头机械结构。在此基础上对该总成的关键零部件一齿轮箱传动箱体和动 力头驱动轴系利用a n s y s 有限元分析软件进行了静强度和静刚度计算与分析，对设计 过程中富裕度过大的结构以及强度和刚度方面不足的结构提出了改进建议，为优化设计 奠定了基础。 同时，本文对水平定向钻机动力头液压驱动系统进行了设计计算，确定了系统主要 液压元件的技术参数，分析了液压系统的工作效率，运用a m e s i m 仿真软件建立了动力 头液压驱动系统模型，并进行了动态仿真，得出动力头作业速度、系统压力、泵和马达 排量、发动机转速等参数在两种负载变化情况下的仿真结果。最后将仿真结果与理论计 算结果进行了对比分析，验证了模型的合理性。 关键词：水平定向钻机，动力头总成，有限元分析，液压系统，a m e s i m 仿真 a b s t r a c t h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n gi st h es p e c i a lt r e n c h l e s se q u i p m e n tt h a tu s e dh o r i z o n t a l d i r e c t i o n a lt e c h n o l o g y w h e ni tu e s e d ，t h em a c h i n eo n l yb r i n g sas m a l le n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n dt r a f f i ci m p a c t ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ，t h el o wc o s to fc o m p r e h e n s i v e c o n s t r u c t i o na n ds i g n i f i c a n ts o c i a lb e n e f i t s w i t ht h e i n c r e a s i n g e f f o r t so ft h eb a s i c c o n s t r u c t i n g ，t h er e s e a r c ho nt h i sm c h i n eh a sb e e nc o n c e r n e db ym o r ep e o p l e t h e r e f o r e ，i t h a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nr e s e a r c ho nt h ep a r a m e t e r s ，s u c ha s ，s t a t i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ，a f f e c tt h ew o r k c a p a b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t i nt h ek e ya s s e m b l yo ft h eh d d ，d r i l lp o w e rp a c ki st h em e c h a n i c a ld r i v ea n dt h e e x e c u t i v ep a r to fh o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n gt h a tp r o v i d et h eo n w a r dd r i v ea n dd r a g g i n g b a c kd r i v e b yc o n t r a s tt h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h ef a m o u sh d da r o u n dt h e w o r l d ，w ed e s i g n e dt h ed r i l lp o w e rp a c ko fz 6 5 0 0 a n dt h e n ，w ea n a l y s e dt h es t a t i ci n t e n s i t y a n ds t i f f n e s so fi t s p i v o t a la s s e m b l yb ya n s y ss o f t w a r e b yc o n t r a s tr e s u l t sw i t h t h e o r e t i c s , w eg o ts o m ea d v i c ef o ri m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fh d d a tt h es a m et i m e ，w ed e s i g n e dt h eh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e ma n dc o n f i r m e dt h e p a r a m e t e r so fm a i nh y d r a u l i ce l e m e n t s b a s e do nt h ea n a l y s e o ft h e c o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lp o w e rp a c ka n dh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，t h ea r t i c l em a d ear e l e v a n t m a t h e m a t i c a lm o d e la n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s e t h e n ，b yu s i n ga m e s i ms o f t w a r e ， w eg o tt h er e s u l t so fz 6 5 0 0t h a ti n c l u d et h ew o r k i n gv e l o c i t yo fd r i l lp o w e rp a c k ，t h e p r e s s u r eo fs y s t e m ，t h ef l u xo ft h eh y d r a u l i cp u m pa n dh y d r a u l i cm o t o r , e t c f i n a l l y , w e a n a l y s e dt h er e s u l t sa n dg o tc o n c l u s i o nt h a tt h eh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mc a nm a d eag o o dj o b f o rt h es p r c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n to fz 6 5 0 0h d d k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ld i r e c t i o nd r i l lm a c h i n e r y ，d r i l lp o w e rp a c k ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，h y d r a u l i cs y s t e m ，a m e s i r ns 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。除论文中已经注明引用的内容外，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。 论文作者签名：以降穹耻) 旱a 哆年朋妇 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： 柙影串 影。 冼髫年y 月y 日 年月 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 非开挖施工技术虽然距今已有近百年的历史，但其重大发展始于本世纪5 0 年代， 尤其是近十几年。近年来，非开挖管线工程施工量已占全部地下管线工程的1 0 ，个别 地区如德国柏林市已达到4 0 左右。我国非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密 切相关，加速基础设施和基础工业的建设是最基本的前提，因此对石油管道、煤气管道、 电力电缆管道、自来水以及污水管线等各种地下管线的需求可望在短期内内有较大幅度 的增长，这为我国非开挖技术的发展提供了有利的条件，市场潜力巨大。 目前，为了避开现有的密集管网系统，大城市管线埋深有加大的趋势，例如上海， 北京等，有些管线的埋深已达l o m 左右。开挖施工的成本随埋深的加大而提高，非开挖 施工的优越性更为显著。研究表明，当埋管深度超过4 m 时，开挖施工的成本开始高于 非开挖施工的成本，此外，随着设备利用率的提高，施工经验的丰富，非开挖的施工的 成本也会逐渐降低【l 】。 此外，随着现代文明意识和环保意识的逐渐加强，开挖路面进行地下管线施工导致 的社会问题、交通问题和污染问题已越来越受到人们的关注。城市限制开挖施工的法规 也已经陆续出台，其适用面将逐渐扩展，这对非开挖技术的推广应用无疑会产生极大的 推动作用。例如，为了保护城市道路，减少地下管线施工导致的交通堵塞，国务院于1 9 9 6 年1 0 月1 日公布的城市道路管理条例规定，新建道路5 年内不准开挖；修复道路3 年内不准开挖【2 1 。 综合社会效益、行业发展趋势、施工规范要求以及不断提高的水平定向钻进施工技 术水平几个方面，可见对水平定向钻机的研究有着重要的实际应用意义。 1 1 水平定向钻机及其关键技术 1 1 1 水平定向钻机 水平定向钻机( h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ) 是在不开挖地表面的条件下，铺设 多种地下公用设施( 管道、电缆等) 的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、 天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，适用于沙土、粘土、卵石等多种地况，我国大 部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度范围广泛，可达1 5 - - - + 4 5 。水平定向钻机 一般适用于管径3 0 0 - 01 2 0 0 m m 的钢管、p e 管，最大铺管长度可达1 5 0 0 m ，适应于软 土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔【3 1 。 第一帝绪论 水平定向钻机作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术，具有导向准确、有利环 保、效率高等特点。它能在一定曲率半径范围内绕开障碍物，能避免破坏管线经过地区 的生态环境，施工速度快，效率高，穿越长度长，深度深【4 】。 水平定向钻机的主要功能是为钻杆提供足够大的扭矩和推拉力，以实现导向钻进和 回拉扩孔铺管。与之相匹配的辅助功能为钻机的钻进架与水平面之间的夹角可调，以满 足不同入射角的要求。钻机入射角的大小，也是衡量钻机性能的主要指标。它与钻机的 总体布置与结构设计有关，将直接影响到成孔轨迹设计【5 l 。 按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可将定向钻机分为大、中、小型 三大类。各类钻机的主要性能参数和应用范围见表1 - 1 ，截止到2 0 0 7 年，我国各种机型 的市场所占份额见图1 1 【6 ，7 】。 表1 - 1 钻机的分类与应用 图1 1 大、中、小型钻机所占比例 2 鲥。 长安大学碗l 学位论女 ( 1 ) 水平定向钻机基本工作原理 水平定向钻机的底孔钻进类似于其他类型的钻孔。都是由一定的动力系统提供钻孔 过程推进或回拖的动力，然后通过相应的传动机构把动力传到钻头上。由钻头将不同岩 层破碎并在相应的岩层里钻出底孔，最后根据施工方钻孔设计要求用扩孔钻头将孔扩到 所需要的尺寸。在达到设计尺寸后进行管线回拖，将所需要铺设的管线拖进孔中，完成 管道铺设口l 。导向钻进施工示意图见图1 2 。 参t 懒 图1 2 导向钻进施工示意图 水平定向钻机钻孔效果见图13 所示： _ 毋、忿缎赢殪专 二。觇凇缎擞黝撼潮釜a 圈1 3 水平定向钻帆钻孔效果图 水平定向钻机的回转钻进方法就是回转钻头在轴向推进力的作用下切削岩层，钻机 可在水平方向上施钻，通过不断加长的钻臂将钻头送向远方。在作业坑内，钻头沿管线 敷设方向开展钻凿作业，钻头返回时，不断地减短钻臂，又把管线拖入隧道内，完成管 线的敷管工序”i 。 ( 2 ) 水平定向钻机钻孔施工过程 按照水平定向钻机的施工工艺，可分为三个阶段： i 首先采用小钻头钻先导孔； i i = 用扩孔器扩大先导孔到设计要求的直径扩孔的孔径一般为管道直径的 1 2 1 5 倍； i i i ：进行管道的回拖，回拖时管道通过旋转接头与扩孔器连接，并随着钻杆回 3 第一章绪论 拖，将管道沿扩大的孔道拖到出口，回拖时钻机的拉力一部分作用于旋转 接头和扩孔器，另一部分为所铺设管道的回拖拉力【1 0 】。 1 1 2 水平定向钻机基本组成 水平定向钻机整机主要由底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆存取装置、钻杆 自动润滑装置、虎钳、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等总成组成【3 1 。 1 底盘系统 水平定向钻机的底盘是指机体与行走机构相连接的部件，它把机体的重量传给行走 机构，并缓和地面传给机体的冲击，保证水平定向钻机行驶的平顺性和工作的稳定性， 底盘是水平定向钻机的骨架，用来安装所有的总成和部件，使整机成为一个整体。水平 定向钻机底盘目前的结构一般为液压驱动、刚性连接式车架，底盘主要包括车架及行走 装置，车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置 等的安装支架；底盘的行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、拖链轮、履带总成、 履带张紧装置及行走减速机、纵梁等总成。行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后，与 中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。底盘的车架后端的两个支 腿，可有效降低支腿部分重量及简化结构。水平定向钻机工作时支腿支起，增强整车的 稳定性。底盘的行走减速机目前一般用进口的内藏式行星减速机( 包括马达) 或两点式变 量马达减速机，行走时能够实现行走快慢双速，输出扭矩大、结构紧凑。 2 发动机系统水平定向钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器、空滤器、 消音器、燃油箱等。 3 动力头系统水平定向钻的动力头的结构一般由一个高速马达驱动减速机，由 减速机驱动动力头，然后通过减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空。动力头有以下 功能：驱动钻杆钻头回转；承受钻进、回拖过程中产生的反力；泥浆进入钻杆的通道。 4 钻杆装卸系统目前水平定向钻机钻杆装卸机构一般由钻杆、钻杆箱、钻杆起 落、能伸出缩回的梭臂、钻杆列数自动选择装置等组成。国内外各厂家的结构不尽相同， 主要在钻杆的存取、输送上有差别，有的采用人工存取钻杆，人工装卸钻杆方式作业不 仅效率低而且增加了操作人员的劳动强度；有的采用四连杆机构存取钻杆，但它们普遍 利用弹簧的回缩力作为夹紧力，经常出现钻杆脱落等事故，工作不可靠，不但影响作业 效率，而且可能引起已钻孔的坍塌、埋钻等重大事故；有的采用旋转结构输送钻杆，该 机构可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。该机构采用柔性进 给装置，协调性较高，需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测 4 长安大学硕士学位论文 等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，控制系统采用先进的p l c 控制。总 之，上述的动作过程及逻辑控制基本相似，以d i t c hw i t c h 公司的最为先进，沟神公 司设计的液压抓手、梭臂液压止动、丝扣油自动涂抹、列数自动选择装置等功能，已被 作为钻杆存取的速度、可靠性、效率方面的行业标准。 5 夹钳系统水平定向钻的夹钳位于钻机的前部，由前、后夹钳组成。前、后夹 钳都可由液压油缸径向推动卡瓦来夹持钻杆，且后夹钳可在液压油缸的作用下与前夹钳 产生相对旋转，前后配合以便钻杆拆卸。 6 锚固装置系统水平定向钻的锚固装置的作用是在作业时对整机起稳定、锚固 作用，提高整机作业稳定性，该部件位于整机的前端。目前各厂家普遍采用的是螺旋钻 进机构；用低速大扭矩马达驱动螺旋杆，用液压油缸施加推、拉力进行钻进或回拖，各 厂家在具体结构上略有差别。另外，水平定向钻机锚固装置配合整机外形的设计上，一 般采用了两种方案：一种是地锚锚固装置，结构布置方便，布管容易；另外一种是地锚 另行放置，如放在发动机罩内等，改变了主机的造型和外观。 7 导向系统目前的导向系统有手持式跟踪系统和有缆式导向系统。前者经济， 使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的 限制，多在中小型钻机上使用；后者可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，使用麻 烦，效率低，价格高。目前国内市场上主要有d c i 公司的d i g i t r a k 导向装置、雷迪公司 的r d 3 8 6 型导向仪等，以d c i 的应用最为广泛，精度和数据处理速度更快，技术较为 先进，用户反应较好。 8 泥浆系统水平定向钻的泥浆系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成；泥浆 搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆；随车泥浆系统将泥浆加压， 通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力、冷却钻头、 清除钻进产生的土屑等。 1 1 3 水平定向钻机关键技术 1 中空动力头 中空动力头是水平定向钻的关键作业部件，其可靠性及质量的好坏将直接影响整机 的正常使用，该部件应实现钻进和输送泥浆的功能，同时要考虑钻头的润滑，泥浆输送 系统的密封等。动力头一般由低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动减速箱机构， 然后通过减速箱输出轴驱动钻杆转动。输出轴一端接有旋转接头，通过旋转接头注入泥 浆。目前在国内市场上1 2 到1 5 吨级的水平定向钻机，进口的主要有美国凯斯公司的 5 第一章绪论 6 0 3 0 、威猛公司的d 2 4 x 4 0 a 、沟神公司的j t 2 7 2 0 ，国内厂家有北京土行孙的d d w - 1 5 0 、 连云港黄海的f d p 1 5 、深圳钻通的z t - 1 5 、徐工集团的z d l 2 4 5 等。其国内外动力头性 能参数对比见表1 2 ： 表1 2 国内外动力头性能参数对比表 从表中动力头的性能参数对比来看，国内动力头在推拉力、旋转扭矩、转速及泥浆 通流量等参数基本相同，国外各厂家为了适应不同的用户市场，主要参数各有所差别， 有的侧重于大的旋转扭矩，有的侧重于大的推拉力。一般而言，最大输出扭矩的多少决 定了钻机扩孔能力的大小，最大拉力的大小决定了拖拉管道的长度。事实上如果扩孔质 量好，钻机不需要很大的拉力就能将管线拉动。 2 导向定位 导向定位检测与控制系统是钻机的主要辅助作业部件，该部件一般采用无线或有线 探头发射装置及地面接收显示装置，探测深度一般为1 0 15 m ，且可连续显示测量顶角 及钻头面向角。 3 自动装卸装置 钻杆柔性自动装卸装置可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效 率。该装置一般采用柔性进给装置，协调性要求较高。需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、 动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，提高 整机的机械自动化程度。 4 钻进导向仪 定向钻进导向仪是一套完整的信息系统，它包括智能型的无线抗干扰双频探头或有 线探头发射装置、手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为1 0 1 6 m ，可 连续显示钻头的深度、面向角、温度，电池状况等信号。以保证施工的顺利完成。 6 长安大学硕士学位论文 5 管线探测仪 地下管线探测仪是一种重要的辅助探测设备，它由一台发射机和一台接收机构成。 用于探测工作区内的地下管线分布情况，为用户设计钻进轨迹提供重要的参考依据。目 前，国内外普遍采用的探测方式有：激光、g p s 、超声波、c t ( x 光断层扫描) 、c c t v 同轴电缆可视化检测、陀螺仪等。进口探测仪采用了双水平线圈和垂直线圈电磁技术、 以超声波的形式对地下管线进行断层扫描，根据多点探测结果可立体地绘制出地下管线 分布图。 6 电气系统与液压系统 液压系统的先进性与可靠性至关重要，关键元件选用国外先进、可靠的液压元件， 以确保液压系统的可靠性。水平定向钻的电气系统主要分为：发动机部分、油门控制、 泥浆泵控制、自动润滑控制、地面行走控制、虎钳控制、钻杆的自动装卸控制、自动钻 进控制、动力头双速控制、钻机的故障诊断功能、防高压电保护、钻进监控等几个部分。 电器件一般由控制台、继电器箱、辅助控制台、设置控制台、行走控制盒、备用控制盒 组成【3 , 1 1 , 1 2 。 1 2 水平定向钻机的现状及发展趋势 水平定向钻机始于2 0 世纪7 0 年代，经历了初期徘徊和艰难起步后，随着技术与 装备的不断改进和完善，最终在8 0 年代中期才被发达国家认可和接受。其标志是1 9 8 6 年在英国伦敦成立了国际非开挖技术协会( i s t t ) 。据了解，截止2 0 0 7 年，国外大约有 3 0 多家h d d 制造商，典型生产厂家有d i t c hw i t c h 公司、威猛公司、凯斯公司等。 8 0 年代中期至9 0 年代中期，是我国水平定向钻机的技术引进期。从这个时期开始，国 内h d d 产业在有了一定的技术和生产基础之上，建立了自己的设计、研制基地，并开发 出一定数量和规格的水平定向钻机【1 3 1 。 1 2 1 水平定向钻机的现状 1 国外水平定向钻机的现状【1 4 】 目前，国外的水平定向钻机在完善产品类型、满足更多不同使用要求的客户的基础 上，研究方向主要为以下几个方面： 1 ) 提高产品的自动化程度，采用c a n 总线控制、电液比例控制技术和p l c 编程 控制等控制技术。可实现自动钻进、自动回拖、自动锚固，以及行走时的无级 变速控制和转向控制几个方面的自动控制功能。 7 第一章绪论 2 ) 液压系统采用电液比例控制技术或负载敏感控制技术，并结合国际先进液压元 件作为硬件基础，为顾客提供了高可靠性、高稳定性的液压系统。 3 ) 增强产品机动性能，从小型设备到大型产品多配备橡胶履带底盘行走系统，具 有自行走功能，并可减小设备对施工现场( 人行道和草坪) 环境的损坏。 4 ) 改进产品结构，以最小巧的机构上能实现更大的回拖力和推进力为目的。努力 提高设备推拉力，适合不同口径和长度，以及各类地质条件下的施工； 5 ) 改进钻具性能以增强其地质适应性能，并开发多种硬岩施工方法，如：顶部冲 击、双管钻进等，能进行软、硬岩层的施工。 研增加更为人性化的功能装置，使得其产品的功能更为齐全，设计体现以人为本 的设计理念。如：钻杆自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动 强度，提高工作效率；在大型钻机上配有随车吊，便于吊装钻杆；在作业安全 和舒适性方面，更加考虑驾驶室、无线( 或有线) 导向控制系统、地下电缆与 管道探测技术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全保护措施， 以便更能确保机器和人员的安全。 2 国内水平定向钻机的现状【1 4 】 我国水平定向钻机行业，主要经历了三个发展阶段。 8 0 年代中期至9 0 年代中期为技术引进期，在此阶段，我国的水平定向钻机产业有 了一定的基础和发展。9 0 年代中期至2 0 世纪末为研发期，此阶段内，国内一些相关单 位，在小型水平定向钻机的自主研发方面取得了一些突破。此后为发展期与进口期，据 统计，2 0 0 2 年度国产钻机的市场占有率已提高到6 7 ，达到近2 0 0 台。此后，由于国 外公司的钻机大量涌入我国市场( 主要有美国的c a s e 公司、d i t c hw i t c h 公司和v e r m e e r 公司等) ，2 0 0 3 年国产水平定向钻机市场占有率有下降趋势，但是随着国内重点生产厂 家，如：中联重科、徐工集团、深圳钻通、廊坊诺地、北京土行孙、南京地龙和连云港 黄海等生产厂家在技术改进和生产质量控制方面的努力，以及清华大学、重庆大学、同 济大学、长春科技大学、煤炭科学研究院上海分院、中国地质大学、上海市政工程研究 院和浙江大学等部分高校研究所在技术领域的不懈研究，国内国产水平定向钻机的市场 占有率呈现上升趋势。 8 图1 2 水平定向钻进市场分布 但是，由于我国在该技术领域起步较晚，与国外先进的水平定向钻机相比，国产设 备还是存在一定的差距： ( 1 ) 产品技术水平偏低。国外产品多具有全自动的钻杆装卸存取装置、钻杆自动润滑、 快速锚固定位装置、防触电系统、先进的电子导向发射和接收系统。国内生产的水平定 向钻机普遍存在系统配置低，技术含量不高，自动化程度较低，质量和可靠性较差等缺 点。 ( 2 ) 产品系列化程度低。国内目前多为中小型定向钻机，大型施工机械还依赖进口。 国外大部分厂家的产品都具有钻岩功能，有各种不同方式和类型的钻岩钻具及附件而 国内大多数生产水平定向钻机的厂家生产的水平定向钻机还只能在软土中工作。 ( 3 ) 施工工艺的重视程度偏低。诸如许多与施工工艺有关的产品，如导向装置、泥浆、 钻进规划软件等，国内都没有与之相关的研究。这些不仅对工程施工的成功影响很大， 而且对定向钻机的设计也有很大影响 l s , 1 6 。 综上所述，国内水平定向钻机与国外的机型还存在着一定的差距。主要反映在技术 水平较低，产品系列化程度不高、针对不同工作环境的适应能力较差，相关配套设施的 研究落后等方面。 12 2 水平定向钻机的发展趋势 目前，水平定向钻机的发展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚 固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统等自动化作业功能、超 深度导向监控、应用范围广等特征发展。具体体现在以下几个方面1 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 i ： ( i ) 自动控制、智能控制的进一步提高 主要表现在自动锚固、自动更换钻杆、自动润滑、自动钻进、自动回拖等功能的实 现。还包括现在的钻进规划设计软件：如v e r m e e r 公司的a t l a sb o r ep l a n n e r 软 第一章绪论 件和美国十方公司的d r i l l s m a r t 软件等，专为h d d 施工而开发，可根据施工要求和 资料，模拟生成设计施工路线和报告。 ( 2 ) 系列化进一步提高 在非开挖项目的施工过程中，随着各种不同类型工程的需要，大型甚至超大型钻机 和微型水平定向钻机的应用也不断涌现。 ( 3 ) 适应性进一步提高 目前，各水平定向钻机制造厂家都积极采用更为先进的技术来保证设备在不同施工 环境下的施工质量。如针对不同岩层的新型施工工艺，各生产厂家针对所开发的不同岩 层施工用钻头等。 1 3 课题的背景、任务和意义 1 3 1 课题提出的背景 由于城市化进程不断加快，市政工程非开挖施工大长度、大深度的要求不断提高， 非开挖施工时使用的水平定向钻机的性能参数要求与施工要求之间的矛盾日益凸显。解 决这一矛盾除了通过加强规划，使城市化进程与经济发展速度相适应，实现城市化进程 中的综合平衡以外，还有一个重要的方面就是要适时开发出能满足用户要求( 在最大回 转扭矩和最大推进回拖力两项关键指标都有所突破) 的大型水平定向钻机，充分提高产 品的技术指标和使用性能，这就为大型水平定向钻机的性能研究与产品设计开发提出了 更高的要求。而本文就是在这一大的行业背景下对所承接设计的大型水平定向钻机的动 力头部分进行了深入的研究。 1 3 2 课题研究的任务 本课题是在国内某专业水平定向钻机与长安大学工程机械学院合作完成的( ( z 6 5 0 0 水平定向钻机项目的基础上所做的进一步研究。以6 5 t 水平定向钻机的动力头总成为 研究对象，具体研究内容有：水平定向钻机机械传动方案确定、动力头关键部件a n a s y s 有限元静力学分析、动力头液压驱动系统s a u e r 配置方案设计、液压系统效率分析、 基于a m e s i m 的动力头液压驱动系统建模与动态仿真。 研究任务有以下几个方面： 1 完成水平定向钻机动力头总成的方案对比分析和机械结构设计研究； 2 完成水平定向钻机动力头总成的结构设计和关键件的有限元分析等力学特性研 究： 1 0 长安大学硕十学位论文 3 完成水平定向钻机动力头总成液压驱动系统的设计以及s a u e r 液压元件的型号 确定。 4 完成水平定向钻机动力头总成液压驱动系统的a m e s i m 建模和动态仿真，得到负 载变化对液压系统的影响。 1 3 3 课题研究的意义 本课题主要进行了z 6 5 0 0 型水平定向钻机动力头结构及其液压驱动系统的研究，并 以项目前期的配置方案为基础，对动力头液压驱动系统进行了性能分析和动态仿真。通 过静力学方面和液压系统动态响应方面的研究，得出的相关的结论，此结论可对大型水 平定向钻机的关键部件动力头系统的进一步研究和相同类型产品的设计起到一定的借 鉴和指导作用。 第二章z 6 5 0 0 水平定向钻机动力头结构设计 第二章z 6 5 0 0 水平定向钻机动力头结构设计 对于水平定向钻机，动力头总成是整个设备的核心部分，是实现非开挖定向钻施工 工艺的关键。该总成承担着钻杆推进和回拖驱动、钻杆回转驱动等重要作用。其性能能 否满足水平定向钻机施工工艺的要求，是评价整个钻机技术水平的关键指标，并直接影 响到施工效率和定向钻进施工工艺的实现。本章中，我们主要对动力头的回转传动系统 和推进回拖传动系统的机械结构进行研究，确定传动方案，完成结构设计。 2 1 水平定向钻机动力头系统结构研究 水平定向钻机动力头总成按结构可分为回转系统和推进回拖系统，其系统具体结构 框架如图2 1 。 动力头系统 i i 回转系统 推进回拖l 系统 上 上上 回 回 推 推 转转 进 进 传液 回 回 动 压 拖 拖 系驱 传 液 统 动 动 压 系 系 驱 统 统 动 系 统 图2 1 动力头系统结构框架图 2 1 1 水平定向钻机动力头回转系统结构研究 目前，国内外水平定向钻机的动力头回转系统驱动方式主要有三种【3 ，2 1 】： 1 选用通孔式低速大扭矩马达直接驱动，泥浆直接从中间通孔输入，输出轴直接连 接钻具。此种方式中间无液力转换机构，具有系统结构简洁，传动效率高等特点，但由 于受液压马达选型限制，仅局限于小型钻机中应用，故z 6 5 0 0 中未采用此种结构。 2 选用低速大扭矩液压马达经齿轮箱驱动。根据回转扭矩的需要可以由一个液压马 达驱动，也可以由两个、甚至是三个液压马达驱动。 液压马达的布置形式可分为4 种： 1 ) 在齿轮箱前端或后端放置单液压马达，液压马达通过减速机驱动减速齿轮箱主 1 2 长安大学硕士学位论文 动齿轮。此种形式一般在设备所需回转扭矩较小的情况下采用，如图2 2 所示。 磊零跫熊鼍：。， 扁 嚣蘧塞萎警 图2 2 齿轮箱前端或后端单液压马达放置形式 2 ) 液压马达在齿轮箱的前后对称布置。此时前后液压马达通过各自所连接的减速 机与齿轮箱同一主动齿轮同轴线驱动。此方式优点是两个液压马达同轴驱动主动齿轮， 同步性高、传动扭矩大，而且动力头总成的齿轮箱在设备宽度方向可以保持一个较小的 结构尺寸，易满足设计过程中对动力头宽度结构尺寸的要求。难点是齿轮减速箱的机械 加工精度要求高，加工成本高；而且在结构上还有一个缺点就是动力头前后尺寸偏大， 要充分考虑后端回转液压马达与推进回拖液压马达的位置干涉性，这样就使得动力头总 成的底座部分尺寸比较大，对加工要求也比较高。典型机型有美国c a s e 、美国威猛的 钻机，如图2 3 所示。 图2 3 齿轮箱的前后对称双液压马达布置形式 3 ) 液压马达在齿轮箱同一侧( 前端或后端) 并排放置。一般考虑回转液压马达和 推进回拖液压马达之间位置的关系，同侧布置时回转液压马达一般都放置在齿轮减速箱 的前端，这样有利于回转液压马达的拆装，也可以使推进回拖液压马达传动系统尽量靠 近齿轮减速箱以缩短动力头总成整体尺寸。具体传动方式是两个回转液压马达通过各自 的减速机驱动各自的主动齿轮，然后由2 个主动齿轮同时驱动被动齿轮，带动输出轴回 转。此布置方式的优点是动力头整体结构紧凑，且两个液压马达驱动各自的主动齿轮， 1 3 第二章z 6 5 0 0 水甲定向钻机动力头结构设计 对主动齿轮的强度要求也有所降低。难点是两个主动齿轮驱动输出轴，要求安装位置精 度高，缺点是齿轮箱左右尺寸偏大，在进行总体设计的时候要充分考虑这个因素保证设 备总宽度不超出设计要求，如图2 4 所示。 一2 一三二 i”o 图2 4 齿轮箱同侧双液压马达布置形式 4 ) 液压马达环绕输出轴成环形或扇形布置。由于此种布置形式结构复杂，加工成 本高，所以只在对回转扭矩要求大的特大型设备上才有可能性。 3 液压马达通过减速机再经齿轮减速箱驱动输出轴。液压马达为高速马达，可以是 一个或两个减速机选用行星齿轮减速机。齿轮箱一般需两级齿轮减速。由于高速马达、 行星减速机比较成熟，二者结合使动力头的转速范围更宽，且其价格和低速太扭矩方案 差不多，径向尺寸相对较小。由于此布置要求齿轮减速箱为二级减速，势必增加齿轮箱 箱体尺寸为设各整体结构尺寸的控制带来新的难度，故7 6 5 0 0 没有采用这种结构。 212 水平定向钻机动力头推进回拖系统结构研究 国内外水平定向钻机的动力头推进回拖传动系统驱动方式目前各厂家根据本企业 的设计都有所区别，主要为以下五种形式1 3 , 2 2 , 2 3 1 ： 1 液压马达驱动链轮带动链条进行转动。此驱动形式为：驱动链条固定在的动力头 总成移动轨道上，推进回拖马达驱动系统安装在动力头底座上，由推进回拖马达通过减 速机带动输出轴上的主动链轮，通过链轮沿链条转动将动力头总成向前或向后驱动。链 传动最大的优点是价格便宜，适用性广，且在引擎制动时，由于链条有许多间隙，故能 吸收震动。缺点是在传动过程中，链轮链条受力较大，链条和链轮之间的摩擦容易使链 条松弛，链轮磨损，严重时会引起打滑；而且由于链条节距的原因( 非连续传动) ，传 动噪声高。典型设备有d i t c h w i t c h 公司采用链轮链条机构的水平定向钻机； 由于z 6 5 0 0 的定位是大回拖力、大回转扭矩钻机，这种推进回拖机械结构在重载荷 状态下传动的不稳定性对设备的影响比较大所以在z 6 5 0 0 的设计过程没有采用这种结 霪 客霭一 比安大学倒十学位论立 构。 2 滞有链轮链条倍力机构的链轮链条传动机构。此形式是在第一种驱动形式的基础 上，增加倍力机构一一原理上类似于动滑轮机构。这样转头上承受的载荷t 通过这个机 构传递到链条上的时候，链条上所承受的载荷降低为i 2 t ，但是链条的移动位移s 增加 为原链轮链条机构的2 倍。故可知该机构的优点是链条受力是推拉力的一半，缺点是工 作速度慢，结构尺寸大，成本高代表产品是美国c a s e 公司所生产的一款产品。 由于存在同样的问题并且工作速度缓慢的原因，此方案也没有采用： 3 双油缸推进回拖机构。这种驱动形式的主要结构是：在动力头移动轨道卜安装两 支大载荷多级液压油缸，油缸缸体安装端固定在轨道的最末端，活塞杆端头安装在动力 头支座后端。多级油缸伸出时，动力头总成执行推进动作，向前移动；油缸缩回时，动 力头执行回拖动作，向后移动。由于液压油缸存在在带载情况下伸出时的稳定性较差问 题所以该结构形式虽然能提供比较大的回拖力，但是不能提供较大推进力。故总结该 机构形式的特点：优点是回拖力大于推进力，成本较低；缺点是结构尺寸太大，工作的 平稳性差，使用寿命低，不能用于自动化要求高和自行走的机型上等。国内廊坊产的水 平定向钻机中就生产有采用这种推进回拖机构形式的钻机。 这种形式因为不能提供足够大的推进力，所以7 6 5 0 0 设备在方案确定的时候也将这 种结构排除在外。 4 中置式双列齿轮齿条推进回拖传动机构。这种驱动形式的主要结构是：在动力头 移动轨道中问沿轨道前后方向上安装有背靠背形式的齿条2 条，2 条齿条的间距根据动 力头总体宽度来确定。推进回拖液压马达通过减速机同步驱动主动齿轮与左右齿条啮 合，来推动动力头总成向前或向后运动。结构形式见图2 5 。 图2 5d d w - 8 0 0 型水平定向钻机推进回拖结构 第二章z 6 5 0 0 水平定向钻机动力头结构设计 这种传动形式具有以下几个方面优点： 1 ) 传动比确定，传动稳定，在设备运动过程中不会发生冲击现象； 2 ) 传动扭矩大，适合于大载荷、大扭矩工况下作业； 同时，其最大的缺点就是加工精度要求高，制造成本高。所以其使用范围受到一定 程度的限制，只有在大型设备上才采用这种形式的传动形式。 5 左右边置式双列齿轮齿条推进回拖传动机构。这种驱动形式的主要结构是：在动 力头移动轨道左右两侧边上安装有齿形面对面形式的齿条2 条，2 条齿条的间距根据动 力头总体宽度来确定。推进回拖液压马达通过减速机同步驱动主动齿轮与左右齿条啮 合，来推动动力头总成向前或向后运动。 这种形式的特点和第四种形式的特点相同。由于两列齿条分布在动力头底座的左右 两侧，所以从稳定的稳定性来说，此结构比第四种形式更好一点。但是由于两列齿条要 分别安装在轨道的左右两侧，这样轨道整体的强度就要求比较高，而且轨道的宽度尺寸 相对上一种形式也较大一些。 2 2 钻机动力头机械结构设计分析 前一节对比分析了国内外几种典型水平定向钻机动力头所采用的结构形式和传动 方式，本节将在结合前面几种形式的优点的基础上对z 6 5 0 0 钻机动力头的具体结构形式 及传动方式进行设计【2 4 1 。 2 2 1 钻机动力头设计要求 首先，水平定向钻机动力头的设计必须在整个水平定向钻机整机使用性能的要求下 进行。结合前面的具体分析，水平定向钻机必须能满足以下的具体条件和要求： 1 ) 总体工作要求要能适合于地下钻孔工程施工中的开孔钻进和回拖； 2 ) 要能适用于各种地层地质条件。尤其是在非粘性土层和砾石土层等恶劣地质条 件下能进行地下开孔作业； 3 ) 钻进方法和工艺采用套管跟进，低速回转钻进加高速回拖的钻孔工艺方式。 4 ) 能够提供足够的推进力和回转扭矩，整体结构有足够的强度能承受施工过程中 的反作用力。 根据本次所开发项目的实际要求，并对比同类型水平定向钻机的功能参数，确定本 论文研究的z 6 5 0 0 型水平定向钻机的主要技术参数如下： ( 1 ) 最大铺管长度理论最大值为1 0 0 0 m 1 6 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 钻进深度最大深度2 0 m ( 3 ) 孔径范围最大孔径1 0 0 0 m m ( 4 ) 钻机动力头入射角 1 0 。1 8 。 ( 5 ) 钻杆长度最大钻杆长度l o m ( 6 ) 整机重量约2 8 0 0 0 k g 以上这些参数是水平定向钻机的总体设计和部件设计的重要依据。 如前所述，作为整个水平定向钻机核心部件的动力头总成，其性能的好坏，是决定 整机设计成败的关键因素。因此，动力头的结构和性能必须满足水平定向钻机钻进工艺 的要求： ( 1 ) 动力头的转矩和转速应该满足钻进工艺的要求，由于钻进过程中，钻头所需的转 速和转矩是根据所钻岩层的性质、钻头直径、钻进方法和工艺规程而变化的，所以，要 求动力头的转速和转矩是可调的，而且调节范围应与水平定向钻所采用的钻进工艺相适 应； ( 2 ) 动力头的转速应无级可调，以满足不同地质条件下的钻孔和特殊工作的要求； ( 3 ) 动力头应在推进器和变幅机构的配合作用下能改变输出轴的轴线方向，并具有良 好的定向和导向性能，以适应在不同方向上的钻孔和保证钻孔的设计倾角； ( 4 ) 动力头应回转平稳，振动小，噪音小。 2 2 2 动力头机构设计应注意的问题 由于水平定向钻机的工况复杂，工作时随机负载变化范围大，对主要工作总成一动 力头的要求较高，所以在进行动力头结构设计的过程中要注意以下几个方面： ( 1 ) 推进速度的控制。由于大型水平定向钻机的钻孔直径较大，钻头所受载荷经钻 杆传递到动力头也比较大，所以，在设备根据不同工况要求进行高速或者低速钻进和回 拖的时候，通过控制合理的进给速度来保证设备的稳定正常工作是个很重要的工作。 ( 2 ) 大型水平定向钻机在进给工作过程中，设备所承受的外载荷基本都被动力头的 传动箱体所承受。所以设计合理的箱体结构，将外载荷的冲击对设备主机的影响降低到 最低也是一个很重要的值得考虑的方面。 ( 3 ) 钻具在设计的轨迹上正确钻进也是很重要的一个方面。大型水平定向钻机由于 钻距更长，钻深尺寸更大，所以在控制钻进过程的正确方向也更困难。故在工作期间， 通过设计可靠的引导机构来引导设备按照设计好的线路前进。 ( 4 ) 大载荷工作要求液压系统具有可靠的性能。在回转进给过程中，在机械结构的 1 7 第二章z 6 5 0 0 水平定向钻机动力头结构设计 可靠性得到保证的前提下，需要可靠的液压系统提供强大的输出扭矩和推进力以及回拖 力。 2 3z 6 5 0 0 水平定向钻机动力头的结构设计 通过对以上几种动力头回转系统和推进回拖系统传动形式