（机械设计及理论专业论文）水平定向钻机液压系统的优化设计与建模仿真.pdfVIP

水平定向钻机液压系统的优化设计与建模仿真 研究生：朱宏培 指导教师：钱瑞明 东南大学机械工程学院 水平定向钻机铺管技术是目前应用最广泛的非开挖铺管技术之一，可用于穿越道路、河流、建 筑物等障碍物铺设管线，具有快速、高效、不破坏环境及影响交通等突出优点。在当今中国基础设 施建设如火如荼的大环境下，拥有广泛的市场前景。目前，对比与国外先进的水平定向钻机研发水 平，我国的钻机研发还处于一个比较落后的水平，因此加快水平定向钻机的研发工作具有明显的社 会意义和经济意义。 钻机的液压系统直接负责整机的控制和传动系统，直接影响到系统的各项性能指标，是钻机的 关键技术。随着能源特别是石油资源的日趋紧张，人们对环保事业的日趋关注以及科技以人为本的 理念深入人心，以提高液压系统节g 跬e 和操纵性为目标的液压系统设计是摆在每一个液压设计者面 前的重要课题 本文主要叙述了基于节能和操纵性的水平定向钻机液压系统设计的全过程。首先，比较详尽地 描述了水平定向钴机的工作原理、各项性能指标、设计参数、结构组成，同时分析了各机构的工况 和负载情况，为下一步液压系统的设计提供设计依据。根据前面分析的结果，并结合实际情况，将 液压系统分成：钻杆旋转闭式回路子系统和负责钻机其他机构动作的开式回路子系统。在开式系统 设计的过程中，有针对性地引入负载传感压力补偿系统和电液比例技术，并结合工程机械中常用的 多路换向阀，能够有效地改善系统的节能性和操纵性能。在完成设计以后，对发动机与液压泵之间 的匹配问题提出了有效的控制方案，较好地解决了其中的能源浪费问题 随着对液压系统要求的不断提高，现代液压系统设计不仅需要达到完成执行机构预定循环和满 足系统静态特性的要求，还需要提高系统的响应特性、可靠性等指标。因此在前面基本完成系统的 设计以后，对系统的关键子环节钻秆旋转闭式回路进行建模仿真。首先利用功率键合图法完成系统 建模，然后在仿真软件m a t l a b s i m u l i n l k 中完成系统的仿真分析，得出其动态特性和参数影响关系， 并以降低高压油路压力为目标，对系统部分参数进行优化，进一步提高系统性能 关键词：水平定向钻机；液压系统设计；节能性；操纵性能；液压系统仿真 d e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m o fh o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l z l - l l j1 t o n g p e is u p e r v i s e db yo i a nr u i m i n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y 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 ( h d d ) m e t h o di so n eo ft h em o s tp o p u l a rt r c n e l a l c r , sp i p el a y i n g t e c h n o l o g y , w h i c hc a nb eu s e dt oc r o s sr o a d , r i v e r , b u i l d i n ge t c ，a n dh a st h ea d v a n t a g e so fh i g he t t e c t i v e ， i n f l u e n c eo i lt h ec n v i r o n m c i l ta n dt r a f f i c i th a sb r i 曲tm a r k e tf u t u r eb i t l t s el o t so fm u n i e i l r a l i n f t a s t r u c t t t r ew i l lb eb u mi nc h i n a o w i n gt oal o n gd i s t a n c ei nt h er e s e a r e l aa n dd e v e l o p m e n tb e t w e e n c l l i n aa n dw o r l d - c l a s sl o r d , t h er c , a t c ha n dd e v e l o p m e n to fi - i d di sv e r ym e a n i n g 越l os o c i e t ya n d e c o n o m y t kh y d r a u l i cs y s t e mi sr e s o o m i b l et o tt l a cw h o l ee o n t m la n db a m m i s s i o no li - i d d ，a n dh i bd i r e c t i n f l , e n e eo nt h e 非= l l 两m o ft h ed r i l l n o w a d a y s , t h ea 岫喀y ，e s p e c i a l l yf o rt h eo i ll - c s o u l - c e ，g o e st h e d r yu p , a n dm e a t t e n t i o nw a s 肿j dt ot h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n m o r e o v e r , t h ei d e ao f “t e c h n o l o g y m a i p e o p l ei n o r l ：c o m f o r t a b l e ”r o o t si np e o p l e sm i n d s ot h er e d e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e mw i l ht h eg o a l o f e n e r g ys a v i n g a n d m a n e u v e r a b i l i t y i s a m a i n t a s k o f t l a c e a c hh y d r a u l i ce n g i n e e r 1 1 * w h o l e u i o fb y r a d i os y s t e mo fi t d di sd e s c r i b e di nt h ep a p e r i r l r s to fa l l ，t h ew o r k i , t - i n c i p l c ，p c 向m a mc h a r a c t e 取d e s i g np a r a m e t e r sa n ds l l u e t u 勰d e t a i l e d ，a n da tt h es a 蛳t i m e ，岫 l o a da n dw o r k i n gc o n d i t i o nm a n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ew o r k i n gr e q u i r e m e n ta n dc o n d i t i o n , t h c b y i r a 1 i es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m s ：t h ec 1 0 s e do i lc i r c u i ts u b s y s t e mf o rd r i v i n gt h ed r i l lp i i , e r o 纽t i o na n dt h eo p e no i lc i r c u i ts u b s y s t e mf o rd r i v i n go t h e rc o m p o n e n t s l o a ds e n s i n gp r e m c o m p c l l s a t i o na n de l c e t r o - p r o p o l l i o n a lt e e l a n o l o g ya u l i l i z e di nt h eo p e ns u b s y s t e m , w h i c hm i m p r o v e t l a cm a u v e r a b i l i t ya n de 1 1 1 9 l g ys a v i n gf o f 如) dw i t ht 1 1 ec o o p e r a t i o nw i t ht h em u l t i - w a yv i t l v e s a f t e rt h e d e s i g n ，恤c o n t r o lm o d e li sg i v e t o tm a t c h i n gb e t w c e at h ec n g i a n dh y d r a u l i cp u m p ，w h i e l ac a l m i l l f l l p l o v l ：t h ee n e r g ys a v i n gf i l l t h 廿：o w i t ht h ed e v e 枷to ft h e1 c q i r c m to fl a y d r a u l i es y s l c i 口i i , i ti sn o to n l yr e s p o n s i b l ef o rt h e a e s i g n c am o t i o na n ds t a b l ec i n t r a e t e r , b u ta l s on ds u i t a b l er e s p o n s e c l a a r l l c t e ra n dh i g hr e l i a b i l i t y s o t h e d o s e do i lc 如e u i ts u b s y s t e mi sm o d e l e da n ds i m u l a t e df o ri t sd y n a m i cc h a r a c t e r f i r s to la l l , t h em o d e li s b u i l tb yt h ei 】o w e rb o n dg r a p h i c s ；t h e nt h em o d e lo ft h ek e ys y s t e mi sb u i l t b ys i m u l a t i n ga n da n a l y z i n g b a s e do ns i m u l i n ks o f t w a r e , t h ed y n a m i ec h a r a c t e ra n dp a r a m e t e rr e l a t i o m l a i p so ft h es y s t e ma o b t a i n e d ， i no r d 盯t ot e d 瑚t h ep r e s so fo i lp a t h w a y , s o i i 鸶p 嗣吼毗培a 托o p t l m l z 叫t h ca n a l y t i c a la n da c s i g r e s u l t sa i eu s e f u ll o t 矗n h 玎a c s i g a n da p p l i c a t i o no lt h ei t d dh y d r a u l i cs y s t e m k e yw o r l d , ：h o r i z o n t a li y a e e t i o m ld r i l l ；h y d r a u l i cs y s t e md e s i g n ；h 旧防s 曩v 吨 m a n e u v e r a b i l i t y ；h y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o n h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：聋丝 日期： 研究生签名：t 竺兰 日期： j 垆孵j | 、选。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允诲论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名4 塑蛰师签名：也堕至编：皿矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水平定向钻进铺管技术简介 1 1 1 非开挖技术简介 非开挖铺管技术是一种新型铺管技术，与传统的开挖作业相比，具有快速、高效、不破坏环境 及绿化和不干扰交通等优点，其应用日益广泛，将成为未来城市铺管作业的主流技术【1 4 】。非开挖技 术比较常用的定义主要有以下两种：1 ) 非开挖施工技术是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修 复、更换和铺设各种地下公用设施( 管道和电缆) 的任何一种技术和方法唧；2 ) 指利用岩土钻掘、 定向澳9 控等技术手段，在不破坏地面情况下进行不同用途、不同材质管线的铺设、修复和更换所使 用的施工技术1 4 1 。 非开挖铺管技术是国外在二十世纪八十年代后期发展起来的。为了推动这项技术的普及和发展， 1 9 8 6 年在伦敦成立的国际非开挖技术协会( i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf o rt r e n c h l e s st e c h n o l o g y ，简称 i s r r ) ，我国非开挖协会在1 9 9 8 年7 月正式签约加盟i s t r ，目前加入i s t i 的国家和地区已达3 0 多个1 翻r r 协会的宗旨是发展和提高世界各国用于管线安装、替换和修复，向协会各成员国提供刊 物，年报和有关非开挖技术规范等 非开挖铺管技术应用领域很宽，广泛用于市政、电信、电力，煤气、油气、自来水、有线电视、 热力等管线工程部门，也可用于水平降水工程、管棚支护工程以及污染物防渗治理工程等。目前。 非开挖铺管技术主要包括水平定向钻进铺管技术，微型隧道铺管技术、冲击矛铺管技术、夯管法铺 管技术等栩 1 1 工水平定向钻进铺管技术简介 水平定向钻进铺管技术是目前应用最为广泛的非开挖技术之一，它将石油工业的定向钻进技术 与传统的管线施工方法相结合，为地下管线旃工带来了一次技术革命l e - q 。特别是在需要穿越地表以 上障碍物或大中型河流时，定向钻进方法是最好的管线铺设方法之一删。它采用方向可控和以水射 流破土为主的钻进技术，使用地表放置的钻机，按设计轨迹预钻一个导孔，然后在扩孔和回拉的同 时铺入管线，管线直径范围一般在5 0 - 4 5 0 m m t 4 j 。 水平定向钻进铺管技术可用于穿越道路、河流、建筑物等障碍物铺设管线，工作原理是采用定 向钻进技术，按设计的钻孔轨迹施工一个定向孔，然后在钻杆柱端部换接大直径的扩孔钻头和直径 小于扩孔钻头的待铺设管线，在拉回钻杆的同时将钻孔扩大，同时拉入需铺设的管道唧，在钻掘定 向孔的过程中，利用膨润土、水，气混合物来润滑、冷却和运载切削的土至地面，钻具上安装了定 向测控仪，可改变钻头的倾斜角度，钻进的长度就是钻杆总长度，适用于各种土层，砂卵石层和岩 层。 水平定向钻进技术于二十世纪七十年代初由美国首先开发应用。二十世纪九十年代以前，全世 界使用该技术共完成管道穿越超过2 4 0 0 动：，铺管总长超过9 5 0 k m 该技术厂泛用于铺设电力、通信、 煤气和自来水管线，铺管的直径、长度和材料范围较宽，钻孔方向容易控制，铺管精度高，施工场 地需求简单。由于这一系列的优点，该技术在非开挖工程中具有广阔的市场前景国内外对水平定 东南大学颈土学位论文 向钻进设备、钻具、仪器、技术等进行了广泛的研究。定向钻进铺管设备的能力在逐渐加大，以适 应直径和长度更大的管线铺设要求水平定向钻机翻造商不断开发创新性设备，以满足水平定向钻 进市场的需求。特别是在我国，政府正在大力推进基础设施建设，水平定向钻机能够妥善地解决所 谓的“城市拉链”问题，尽量避免对周围环境的影响。因此，完全可以预见水平定向钻机在我国将 拥有广泛的市场前景，进行水平定向钻机的研发具有显著的社会意义和经济效益。 1 2 国内外水平定向钻机研发现状和发展 1 2 1 国外水平定向钻机的研发现状 水平定向钻机( h d d ，h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l ) 起源于上世纪七十年代末期，随着技术和装 备的不断完善和改进，八十年代中期在发达国家才被广泛接受和认可，得于迅速发展，井以其独特 的技术优势和广发的市场前景的道路世界各国的重视l ，j 。据了解，目前国外有三十余家皿d 制造商， 饲如，典型厂家有美国的d i t c h w i t c h 公司、威猛公司、凯斯公司、英格索兰公司等。 d i t c hw i t c h 公司生产的非开挖定向钻机具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性能良 好，目前生产的系列产品有兀j 2 0 ，t r 9 2 0 ，j t l 7 2 0 、j t 2 7 2 0 、j t 4 0 2 0 、j t 0 2 0 。其中j t l 7 2 0 j t l 7 2 0 m ， j t 4 0 2 0 j t 4 0 2 0 m 型定向钻机是我国销售的主导产品。威猛公司的产品系列有：d t x l l a ，d 1 0 x 1 5 a 、 d 1 6 x 2 0 a 、d 2 4 x 2 6 a 、d 2 4 x 4 0 a 、d 3 3 x 4 4 a ，d 5 0 x 1 0 0 ，d 7 5 x 1 0 0 ，d 8 0 x 1 2 0 ，d 1 0 0 x 1 2 0 ，d 2 0 0 x 3 0 0 美国凯斯( c a z e ) 公司生产的6 0 系列5 种型号分别为6 0 1 0 、6 0 3 0 、6 0 6 0 、6 0 8 0 、6 0 1 0 0 ，其中凯 斯6 0 3 0 型定向钻机是在我国销售的主导产品。美国凯斯公司是发展水平定向钻机较晚的公司，但是 生产的产品性能先进，尤其是p l c 控制、自动换杆技术等方面有其独特的先进性和优越性。另外还 有美国的奥格公司( a u g e r s ) 、德国的f l o w t e x 、h u t t e 公司英国的p o w e r m o l e 、s t e v e v i c k 公司、瑞士能j t e r r a 公司、加拿大的u t i l x 公司和意大利的t e c n i w e l l 公司 总之，国外) d 产品规格齐全，自动化程度高，结构紧凑，地层适应性强，性能覆盖范围大， 功率匹配合理、可靠，技术水平含量高，尤其是在p i c 控制、自动更换钻杆等方面尤其独特的先进 性和优越性目前国外h d d 的发展朝着大型化、微型化、硬岩作业、机械自动化、超深度导向监控 等趋势发展四。 1 2 2 国内h d d 现状 国内的瑚) d 研发相对于国外来说，起步较晚，与国际先进水平存在很大的差距，特别是在导向 监控方面，很大程度上依赖国外的技术。 9 0 年代中期以来，原地矿部、建设部、冶金部等相关单位，在一些小型h d d 的自主研发上取 得了一些突破和可惜的成绩。主要产品有中国地质科学院勘探研究所生产的g b s 系列定向钻机、连 云港黄海机械厂等单位研发的f d p 系列水平定向钻机等。 “十五”期间，国内h d d 产品研发取得较大发展。如中联中科、深圳钻通、徐工、北京土行 孙、南京地龙等企业都相应开发出自己的产品。性能大幅提高，不少产品技术水平很高，到达国际 先进水平。如徐r 集团的z d 系列钻机，在参考国外同类机型的基础上，采用机电液集成的p i j c 控 制、电液比例控制等技术，具有较高的技术水准和市场竞争力”。 但是，总的说来，我国的h d d 与国外相比还是存在相当的差距，还有待于我们一起努力，使 我国的钻机行业早日赶上并超越国际先进水平图1 - 1 分别是国外和国内研发的两种型号的水平定 一2 一 第一章绪论 向钻机的基本外形。 a ) 国外某型号水平定向钻机 ”国内某厂商研制的水平定向钻机 图1 1 水平定向钻机的基本外形 1 3 水平定向钻机液压系统 1 3 1 水平定向钻机液压系统简介 液压技术是一门既古老又新兴的技术，有着独特的技术优势：在安装空问狭窄、对重量有 严格限制条件下，实现大功率、多执行器的集中灵活控制( 机位、远控、遥控) 。在只能以发动机作 为原动力情况下，达到功率的综合利用与限制。在相对更恶劣的外场工作环境和受油箱容积限制 而出现较高油温情况下，保证运作的可靠性、安全性、舒适性环境友好。因此，作为主要施工 设备的工程机械，目前9 5 以上都采用了液压传动与控制技术。液压传动及控制技术对工程机械整 体性能的影响越来越大，成为促进工程机械主流方向不断发展的基础条件。如何有效地发挥液压控 制技术在提高工程机械整机的控制性能、可靠性等方面的作用，是液压行业和工程机械行业必需面 对的课愿i ”i 。 由于液压技术的技术优势，在水平定向钻机上特别是在中大功率钻机上被广泛采用。钻机上应 用液压技术是在七十年代开始的，最初主要是用于给进机构。随着液压技术的蓬勃发展，液压技术 在钻机上的应用也越来越普遍与传统的机械钻机相比，全液压钻机具有功率重量比大，控制性能 好等优点，因此很快得到了推广和应用。 由于我国水平定向钻机研发起步较晚，水平较低，目前，大部分水平定向钻机的液压系统大部 分是以手动控制阀、泵为基础组成的普通液压控制系统。受手动液压元件功能所限，不仅系统组成 3 一 东南大学硬士学位论文 较复杂，而且操作繁琐，控制的自动化程度不高，更不能适应遥控及各种控制策略控制的要求。另 一方面，以往钻机液压系统的设计，首先着蹶于如何满足控制和调节的性能指标，并没有把效率和 能耗控制明确地作为设计目标之一。随着钻机功率的增大，系统的能耗和发热问题越来越突出t 成 为制约和影响钻机性能发挥的重要因素。因此，在全液压钻机设计中，迫切需要应用液压技术和液 压元件发展的最新成果，对传统的液压系统进行技术改造，达到完善功能、提高效率的目的 一个比较完善的液压系统不仅应有良好的静态性能，而且还应具有良好的动态性能。这是因为 系统中执行元件的速度、动作和方向以及外界载荷经常在不断变化，如果系统的动态特性不灵敏， 则反馈信号就无法被系统很快执行，造成系统灵敏死区、动作死区等。 目前，水平定向钻机液压系统的设计一般仅考虑系统的稳态特性，而很少关注其动态性能。但 在机器工作过程中，却往往是动态特性决定系统性能质量，特别是一些具有很强破坏力的动态性能， 例如系统回路中的瞬态高压，一旦发生紧急情况，将会对整机产生致命的损伤。因此，在现代液压 系统设计过程中，通过仿真模拟出系统的动态特性，以作为液压系统优化设计的基础，因此在现代 液压系统设计中，动态建模和仿真是液压系统设计不可或缺的一项重要环节i u j 1 3 2 钻机液压系统的发展现状和趋势 2 0 世纪是科学技术、飞速发展的一个世纪，各项科学技术在各个领域取得了全所未有的突破性 进展液压技术也不断取得新的突破，使整个机械装备性能发生突破性前进。特别是2 0 世纪下半叶 以来，流体传动与控制技术和电子技术、信息技术相结合，发展了机械电子液压一体化的器件和系 统。电液阀和电涟控制系统在各类枫械设备上获得了广泛应用，机械装备迅速向机电液一体化方向 发展 节能液压技术设计也是液压系统设计的一个新的亮点。随着石油能源的日趋枯竭，以及人们对 环境保护事业的日益关注，而目前情况下，大部分的钻机的功率较大，效率角度较低，造成极大的 浪费，并同时油温上升影响液压系统的工作机能，造成较大的环境污染。因此液压系统的节能设计 被提到一个相当的高度。节能技术己成为液压工程中的重要研究课题，茹取得了丰富的成果目前 液压节能技术的研究通常集中在几个方面：一是研究使用高水基传动介质的相关技术；二是提高现 有液压元件的效率和开发新型节能元件，如逐步提高泵、马达的容积效率和机械效率，减低控制阀 的压力降，发展各类电液比饲控制泵和执行元件，这些都为液压系统的节能提供了技术基础；三是 合理设计液压回路，提高液压系统效率，例如设计研制压力补偿控制、负载感应控制等各种形式的 功率匹配系统。电液比例控制技术的发展，为设计多种适应控制的节能回路提供了技术基础。液压 节能技术在挖掘机、装载机等能耗大的工程机械上得到了广泛应用，并取得了明显的节能效果目 前节能技术在钻机的设计中也得到了应有的重视和应用“” 在提倡科技以人为本的今天，提高机器操纵性能的稳定性，即提高操纵的便捷、使工人驾驭机 器更简单更可靠更舒适，也是液压系统设计的一个重要环节。 负载传感与压力补偿是2 0 世纪9 0 9 代在国外液压挖掘机上发展起来的一门新型技术。负荷传感 能够实现挖掘机的流量按需供给、无多余流量；压力补偿能够实现挖掘机复合动作时的流量按需分 配，它可使一台泵提供的液压油同时而有效地操作多个执行机构，而不受外负荷变化的影响。将负 荷传感与压力补偿技术与电子控制技术结合起来，则使钻机在减少能量损失、改善操纵性等方面具 有更优的效果“”。同样的道理，可以利用这一原理把上述的液压系统新技术应用到水平定向钻机中， 实现了钻机最佳的流量匹配和良好的复合操作性，使液压系统的性能得到了优化，减少了能量损失， 促进了水平定向钻机的技术进步 电液比例控制技术是- - f 起步较晚、但发展极为迅速、应用相当广泛的机电液一体化综合技术 一4 一 第一章绪论 随着电液比例技术的日趋成熟，应用领域日渐扩大，国外一些钻机公司开始进行钻机电液比例控制 系统的应用研究，并取得了进展。9 0 年代，国外将电液比倒控制技术与计算机控制技术、传感器技 术相结合，应用于自动化钻机的研究开发中，取得了成功。例如，a t l a sc o p c o 公司在1 9 9 6 年开发的 d i a n c 2 6 4 a p c 全自动钻机和2 0 世纪9 眸代末开发的d i a m e c 2 8 4 a p c 全自动钻机就采用了电液比例控 制技术。d i a m e c 2 6 4 a p c 和d i a m e c 2 8 4 a p c 型全自动钻机均为机电液一体化操作系统。加拿大j k s a o y l e s 公司开发成功的b 系列( b - 1 0 , b - 1 5 和b - 2 0 型等) 坑道自动化钻机也是采取机电液一体化和计算 机控制钻进方式。目前电液比例控制技术作为自动化钻机的一项关键技术在欧美地区已达到成热应 用的水平。 而我国在这方面的研究则起步较晚，与国外相比，不管从应用程度和应用范围都差距很大。目 前我国尚无白行研发的计算机控制、机电液一体化操作、具有优越性能和高生产率的自动化钻机 近年来，国内有些钻机厂家在这方面做了一些有意义的尝试，在某些局部系统采用了电液比例技术， 如由中地装备集团技术中心和连云港黄海机械厂联合研制的f d p 一3 0 型非开挖钻机的行走机构就采用 了电液比例控制系统。中国地质大学( 武汉) 为研究钻进过程的优化问题，建立了多参数钻进实验台， 其中实现钻压自动调节的装置就采用了由电液比例溢流阀、比例减压阀和比例调速阀组成的比例控 钼系统。桧州工程机械集团于2 0 0 2 年推出的z d l 2 4 5 , r z d t 5 ：5 0 z d 2 0 7 0 型水平定向钻机，也采用了电灌 比例、负载反馈控制技术，该机由p l c 编程控制，电液比例操作，自动化程度很高，说明我国的水 平定向钻机事业完全有能力追赶上国际先进水平i l ” 1 4 课题背景及论文主要工作内容 l a l 课题背景及来源 在现代社会中，随着能源的日趋紧张以及环境污染的日趋严重，人们对节能技术投入越来越多 的注意力。资料显示工程机械上普遍的能源利用率仅有2 0 左右1 1 埘，因此水平定向钻机节能设计具 有重要的社会意义。不仅如此，采用节能技术更重要的意义还在于能够取得一系列降低成本的效果 采用节能技术后，可以提高发动机功率的利用率，减少液压系统功率损失，使动力系统和负载所需 功率更好地匹配，降低了发动机和液压元件的工作强度，提高了设备在使用中的可靠性。当液压系 统节能效果较差时，主要表现为系统严重发热，有的甚至高达度以后，严重影响系统的可靠性 总之，用户对工程机械的要求是可靠性高、使用成本高、环保性能好，所用这些都可以归结为更好 的节能性 在4 科技以人为本”的今天，我们不仅需要低成本、高产出，而且也需要机器更佳的人性化， 是操纵者能够在更舒适的环境下，更加轻松自如的对整机进行操控，而液压系统的设计直接影响到 系统地操纵性能，因此如何引进液压系统的新技术对原系统进行设计改造，使之能够更加人性化也 是每一个液压系统设计者的责任! 南京某非开挖技术工程公司是一家多年从事水平定向钻机的研制及生产制造的公司，拥有自己 技术自主研发队伍，并有自己的旋工队伍，在长期的实践过程中积累了大量宝贵的经验，在业界有 一定的影响力和知名度。其设计制造的d l l 5 0 、d l 2 舳等型号的水乎定向钻机已经成功投产并应用到 生产实践中。但是，由于技术力量相对薄弱，生产出来的钻机有许多地方值得进一步改进和优化 为此，从2 0 0 5 年起该公司委托东南大学机械设计与理论组对现有的d l 2 8 0 进行改进与优化生产新一 代的d l 3 6 0 该型号的机械部分有较大的改进，同时对其液压系统作了重薪设计 一5 一 东南大学颈士学位论文 1 4 2 论文主要内容及各章安捧 本文主要是为配合d l 3 6 0 v k 平定向钻机的结构改进，在对钻机的结构特点以及工况特点做了比 较详细的分析，以提高水平定向钻机的节能性、以及进一步提高系统的操作性能为目标，在原液压 系统的基础上对钻机的液压系统进行全面地设计。根据系统地特点，针对性性地引进负载传感系统 技术、电液比例技术等液压系统技术。对系统的节能性以及操纵性能有了较大的改善。在充分考虑 液压系统静态特性的同时，利用液压系统建模对其进行仿真模拟，并对其液压系统进行重新设计或 是优化设计，使整机的各项性能指标趋于完善 在接下来的章节中，第二章主要是对水平定向钻机的本体结构分析、工况负载分析，第三章主 要是根据上述分析的结果，并且以整机节能、操纵性能为目标，对液压系统进行设计把液压系统的 新技术如负载传感系统、电液比例技术应用到系统中。并仔细研究发动机与液压泵之间的匹配关系， 进一步系统地节能性。在初步完成系统的静态设计以后。第四章主要对已经完成的液压系统的关键 环节进行动态分析。首先利用功率键合图建立系统的数学模型，然后通过m a t l a b s i m u l i n k 软件进 行仿真分析，并且通过m a t l a b 优化工具箱对仿真结果进行分析优化，优化系统设置参数最后，在 第五章中。总结对前几章的工作，并且对水平定向钻机的发展方向作出展望。 6 一 第二章钻机结构及液压系统工况分折 第二章钻机结构及液压系统工况分析 液压系统的设计与主机的设计是紧密相连的“”。只有完全理解主机的工作原理、机构特点、负 载特性才能合理地设计出一套比较完善的液压系统。因此，本章即在进行水平定钻机液压系统设计 以前，对钻机的- 作原理、设计参数、结构部件、【作环境、负载情况进行深入的分析。 2 1 水平定向钻机的工作原理 2 1 1 水平定向钻进铺管过程 非开挖水平定向钻进铺管过程主要分为导向孔钻进、回拉扩孔、回拉铺设管道三个阶段“” 1 、导向孔钻进 在不开挖或少开挖地表的情况下，利用导向钻凿技术，将一无线发射器( 探头) 置入斜面钻头后的 探头盒内。导向孔钻进过程中，地面接收仪随时显示斜面钻头的深度，倾角及斜面的面向角，操作 者据此进行造斜钻进或直线钻进。在地面导航仪的引导下，从a 点向b 点钻一个与设计轨迹吻合的导 向孔，一般平面误差为l o e m ，深度误差为5 图2 - 1 是导向孔钻进过程的示意图 t 钿t 图2 - l 导向孔的钻进 2 、回拉扩孔 导向孔钻出目标点后，卸下导向斜面钻头，换上大径扩孔钻头，并在其后连接钻杆，自b 向a 逐 级回拉扩孔，直至能够容放预埋管道为止。捧出孔内多余残土，等待铺管。根据铺设管道的直径、 材质、地层等因素确定扩孔方式、扩孔级序，一般最大扩孔直径比预埋管径大中1 0 0 m 。预埋管径内 采用排土法扩孔，以外采用挤压法扩孔，将余土挤向孔壁四周，待铺管后，应力释放自然回填，既 避免了过量捧土造成地面塌陷，也解决了挤压过度形成的地面开裂难题。图2 - 2 是扩孔器回拖扩孔的 示意图 3 、回拖铺管 在条件许可的情况下，可将b 点工作坑做到足够长，将全部管线一次性连接，采用a 处钻机拉、b 处顶管顶的方法，将预埋管道穿入孔内。若b 处受限制时，可做一个短的下管坑，边接一根回拉一根， 直至将全部管线回拉到孔内，完成铺管工作。图2 - 3 是回拖铺管过程的示意图 一1 一 东南大学硕士学位论史 2 a 2 钻孔钻进原理 圈2 - 2 扩孔器回拖扩孔 酗2 - 3 回拖铺管 由液压系统提供的静压力通过钻杆作用在钻头上，当推进力大于土壤作用在钻头和钻杆表面的 阻力时，便可以挤压土壤在地下成孔为减小定向钻机所受到的阻力，将钻头做成特定的偏契式斜 面，同时从钻头和钻杆上的喷嘴中喷出润滑液来疏松和固定土壤，所以定向钻可以完成1 0 0 米以上的 地下穿孔作业。由于定向钻钻头有一个非对称的斜面，它使得钻头所受的合力是与钻杆垂直的。因 此当钻头斜面向下而钻杆只推进不旋转时，钻头将带动钻杆向上偏移：而当钻杆带动钻头高速旋转 时，由于垂直方向的力相互抵消，所以钻机将直线前进( 如图2 - 4 月i 示) 静推力 静推力并旋转 匿1 2 - 4 东平定向钻机轨迹改变的原理 一8 一 子 第h 二章钻机结构及液压系统工况分析 这就是定向钻能够进行曲线施( 的基本条件。同时，在定向钻的钻头中装有斜面位置传感器和 信号发射器，操作人员通过接收器便能够随时知道斜面的倾角和钻头的实蕲深度等信息，便于进行 曲线运行控制。由此可知，钻机工作过程中，钻杆旋转以及动力头行走机构是系统的关键机构。 2 2 水平定向钻机的结构特点 2 2 1 钻机的主要设计参数 由上可知，最大回拖力以及扭矩是水平定向钻机最重要的参数，但设计钻机时，不应该把最大 回拖力作为主要参数而忽略其他参数。设计的主要原则是：根据施工需求设计选择一定拉力范围的 钻机，然后将钻机的输出转矩和转抒的参数作为关键参数进行对比，同时考虑发动机持续功率的大 小 ( 1 ) 推力( 回拖力) 钻机拉力决定拖拉管道的长度。在穿越地质和施工工艺相同时钻机的整体能力主要体现在所 能施工管道的具体尺寸上，即管道直径和相应长度。因此，推力( 回拖力) 是钻机最重要的 参数。 ( 2 )钻杆扭矩 定向钻机的钻孔和扩孔过程主要靠钻机的转矩和泥浆的冲洗作用，而不只是推力( 回拖力) 钻机的拉力用来克服管道阻力，而输出转矩决定了钻机的最大扩孔能力，也就了该钻机能够 施工的最大管道直径 ( 3 )钻杆 钻杆是地面钻机于孔内钻具的唯一动力传递环节，实现传递给进力、回转转矩、反向扩孔和 铺管时的回拖力等作用。另外，作为冲洗介质的通道，向孔底钻具输送钻进泥浆、压缩空气 等。钻杆主要参数是：材料、直径、长度、杆体钢管壁厚和丝扣牙型等 ( 4 )发动机的持续功率 这一参数标志着钻机所具有的用于产生和回拖力的实际能力由于钻机时高负荷连续工作， 因此要考虑发动机的连续输出功率。表m 为管径和钻孔长度的钻机功率配备选择对照表 表2 - 2 是钻机的主要参数 表2 - 1 钻机功率配备选择对照 表2 - 2 钻机主要参数 一9 一 东南大学硕t 学位论文 2 上2 钻机结构的主要组成部分 水平定向钻机属于中大型工程机械设备，完成施工任务需要多个执行机构。主机主要包括以下 几个部分：钻杆旋转机构、动力头行走机构、整机行走机构、支腿机构、大粱翻转机构、夹持器夹 紧机构、夹持器翻转( 卸扣) 等。当然，为了实现上科的自动化，有些钻机还包括吊机的起重、变 幅、伸缩、回转回路及自动上料机构等。从结构上讲，水平定向钻机主要包括以下几个部分。 ( 1 ) 底盘 底盘为液压驱动，橡胶履带，刚性连接式车架。底盘主要包括车架及行走装置行走装置主要 包括两纵梁、履带张紧装置、履带总成、驱动轮、导向轮、支重轮及行走减速机。车架为整体式焊 接：两纵梁与车架用高强度螺栓连接成一体，后端带有两垂直支腿、两纵粱前部设置了导向轮及张 紧装置) 后部设置了驱动轮及其传动装置，行走减速机选用进口的马达、减速机一体的内藏式减速 机，该减速机有快慢速两挡，结构紧凑 ( 2 ) 动力头总成 主要包括动力头减速器和推拉机构，直接负责钻杆旋转和动力头的进退，使钻机的执行部件。 推拉装置是动力头回拉或迸给运动的执行机构，由一对低速大转矩马达驱动一对减速机，由减速机 驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头由一个低速大扭矩马达 驱动减速机，由减速机驱动减速箱，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空，便于向钻头注入 泥浆水。 ( 3 ) 钻杆和钻头 钻杆为高强度钢管制造，每节长度3 5 m ，直径9 0 m ，利用锥管螺纹联结相互联结，最小 曲率半径为5 0 节钻杆，可根据用户需要增加数量。钻头包括钻进钻头和回扩钻头，回扩钻头直径可 根据实际铺管的直径选用，主要可分为流道式回扩头、螺旋条式回扩头、圈式回扩头等 ( 4 ) 钻杆自动装卸装置 钻杆自动装卸装置包括钻杆存放提取和夹持拧卸机构。其中钻杆存放提取机构包括钻杆箱上 下抬升和索臂伸缩机构；当装钻杆时钻杆箱上下抬升机构落到索臂上，索臂由控制系统控制抓取不 同列数的钻杆，然后钻杆箱抬起，索臂伸出将钻杆送到安装位置实现安装；卸时索臂将拆下钻杆送 到钻杆箱相应列数下，钻杆箱落下将钻杆挤入箱内实现拆卸。 夹持拧卸机构均配有双夹持器，与回转机构和动力头进退相配合，起组成钻机的钻杆夹卸系 统。双夹持器一般布置在底盘的前端，前夹持器( 靠近孔口) 承受反转矩，后夹持器只在卸开第一 扣时施加主动力矩图2 - 5 为钻杆夹持拧卸机构的实物图。 图2 - 5 钻杆夹持，拧卸机构 一1 0 第二章钻机结构及液压系统工况分析 ( 5 ) 发动机系统 主要有于机型相匹配的柴油机和液压泵组成，由于钻机的机构比较复杂，液压油路比较负载， 一般采用多联泵，可以同时提供多个捧量的高压油 ( 6 ) 导向系统 导向系统由探头、地表手持式接收机和钻机旁同步显示器组成。 ( 7 ) 泥浆系统 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 低回转转矩和拉管阻力，还可冷却钻头、发射探头、清除钻进产生的土屑等 2 3 钻机液压系统工况分析 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。 水平定向钻机的液压系统根据所实现的功能不同，可分为以下几个个基本回路：钻杆旋转回路、 动力头进退回路、履带行走回路，钻具夹紧及拧卸回路、泥浆泵回路、大粱支捧回路支腿回路 2 3 1 钻杆旋转工况分析 a 、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。回转系 统负载主要由孔底的切削负载和回转钻杆的负载组成。回转负载的大小除受到所钻地层岩性、钻孔 宣径大小、钻进方法、钻孔深度、回转速度等因素影响外，还与孔底钻头压力的大小有关。孔底压 力越大，钻头切入深度越深，破碎岩石所需转矩越大；孔底压力太大，转矩达到系统安全阀设定的最 大值时，会出现卡钻现象，不能正常钻进。实际工作中就是通过控制孔底压力的大小使实际转矩稳 定工作在最大转矩之下 b 、工况特点分析：钻探工艺要求回转器的转速有较大的调节范围，以适应不同的钻进方法及钻 进规程，并能双向回转及微动回转；同时要求转矩能在较大范围内适应负载的变化回转液压系统具 有压力适应、速度可调、调速范围大但不频繁的特点 2 3 2 动力头进退工况分析 i 、负载特性分析：动力头进退主要是回拖力的计算。动力头进退的负载主要由钻具的重力负载、 摩擦负载和项紧岩石的轴向负载( 孔底压力) 组成。重力负载性质取决于钻孔倾角，钻孔上扬时为阻 性负载，钻孔下斜时为超越负载；重力负载的大小与钻孔深度、钻孔倾角大小及单位长度钻杆的重量 有关。孔底压力由钻进规程确定，通常是针对不同的岩层性质和钻头种类为获得最优钻进指标而由 试验得到的数值。 总回拖力，钻进的计算公式 f一毛+仙(2-1) 式中：，为总回拖力( - ) ；五为管道的端面阻力( 1 斟) ；，为单位长度管子的综合摩擦阻力 因子邸】q n ) ；l ( m ) 为管道长度。 一1 1 东南大学硕士学位论文 ，：- 曩d 吁+ 开，) + 疵 只1 只+ b 4 - p 矗- 啤面2 4 ( 2 - 2 ) ( 粥) ( 2 - 4 ) 式中：d 为管道外径( m ) ；口为管道周边均布载荷( ，a ) ；w 为管道单位长度自重谭n 加) p 为管