液压钻机的液压系统设计 毕业设计

摘要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。本文叙述了水平定向钻机液压系统设计过程。首先，比较详尽地描述了水平定向钻机的工作原理、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。然后根据前面分析的结果，对液压系统进行设计，并合理选择各子系统的液压元件，最后，进行液压系统的性能验算。本文设计的液压系统可以使发动机液压系统的性能达到较好的状态，发动机功率利用率、液压系统传动效率以及钻机的作业效率也比较高。关键词水平定向钻机；液压系统设计；液压元件选择；性能验算ABSTRACTHORIZONTALDIRECTIONALDRILLPIPELAYINGTECHNOLOGYISCURRENTLYTHEMOSTWIDELYUSEDTECHNIQUEFORTRENCHLESSPIPELAYINGCANBEUSEDACROSSTHEROADS,RIVERS,BUILDINGS,OBSTACLESSUCHASLAYINGPIPELINES,WITHAFAST,EFFICIENT,WITHOUTDAMAGINGTHEENVIRONMENTANDHIGHLIGHTTHEADVANTAGESOFTRAFFICINFRASTRUCTURECONSTRUCTIONINCHINATODAYINFULLSWINGENVIRONMENT,HAVEBROADMARKETPROSPECTSATPRESENT,THECOMPARISONWITHFOREIGNADVANCEDLEVELOFRESEARCHANDDEVELOPMENTOFHORIZONTALDIRECTIONALDRILLING,DRILLINGRIGINCHINAISSTILLINABACKWARDRHYDRAULICSYSTEMDESIGNHYDRAULICCOMPONENTSELECTIONPERFORMANCECALCULATION目录摘要IABSTRACTII1绪论111水平定向钻进铺管技术简介1111非开挖技术简介1112水平定向钻进铺管技术简介112国内外水平定向钻机研发现状和发展2121国外水平定向钻机的研发现状2122国内HDD现状213水平定向钻机液压系统3131水平定向钻机液压系统简介3132钻机液压系统的发展现状和趋势414课题背景及论文主要工作内容4141课题背景及来源4142论文主要内容及各章安排52钻机结构及液压系统工况分析621水平定向钻机的工作原理6211水平定向钻进铺管过程6212钻孔钻进原理722水平定向钻机的结构特点8221钻机的主要设计参数8222钻机结构的主要组成部分1023钻机液压系统工况分析11231钻杆旋转工况分析11232动力头进退工况分析12233钻具夹紧及拧卸回路工况分析13234履带行走系统工况分析13235支腿支撑回路工况分析1424本章小结143钻机液压系统设计1631液压系统的构成和工作原理1632发动机选型和计算1733各液压子系统设计及液压元件选择19331动力头回转系统设计及液压元件选择19332动力头推拉系统设计及液压元件选择21333泥浆系统设计及液压元件选择22334其他液压元件的选择224液压系统的性能验算2541液压系统压力损失2542液压系统的发热温升计算26421计算液压系统的发热功率26422计算液压系统的散热功率27423计算油箱散热量2843计算液压系统冲击力295总结与展望3151研究总结3152研究展望31参考文献34致谢36附录37附录一、液压系统常见故障分析与排除371液压系统故障诊断和排除372液压元件故障诊断和排除41附录二、译文471绪论11水平定向钻进铺管技术简介111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。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；2指利用岩土钻掘、定向测控等技术手段，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。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。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。112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，为地下管线施工带来了一次技术革命。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。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50450MM。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，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。12国内外水平定向钻机研发现状和发展121国外水平定向钻机的研发现状水平定向钻机HDD，HORIZONTALDIRECTIONALDRILL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。据了解，目前国外有三十余家HDD制造商，例如，典型厂家有美国的DITCHWITCH公司、威猛公司、凯斯公司、英格索兰公司等。国外HDD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PLC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HDD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。122国内HDD现状国内的HDD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。90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HDD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GBS系列定向钻机、连云港黄海机械厂等单位研发的FDP系列水平定向钻机等。“十五”期间，国内HDD产品研发取得较大发展。如中联重科、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。如徐工集团的ZD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PLC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HDD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11分别是国外和国内研发的两种型号的水平定向钻机的基本外形。A国外某型号水平定向钻机B）国内某厂商研制的水平定向钻机图11水平定向钻机的基本外形13水平定向钻机液压系统131水平定向钻机液压系统简介液压技术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。随着钻机功率的增大，系统的能耗和发热问题越来越突出，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132钻机液压系统的发展现状和趋势20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20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。电液阀和电液控制系统在各类机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。14课题背景及论文主要工作内容141课题背景及来源随着我国国民经济的高速发展和政府对环境的日益重视，自20世纪90年代以来，我国非开挖的工程施工量和投入的设备数量均以每年40的高速度增长。非开挖技术在我国已形成了一个新兴产业，引起了各级政府和环境部门的高度重视。我国极具潜力的非开挖技术市场也吸引了大批国际非开挖设备制造商。在中国管道建设大发展的21世纪，非开挖技术将具有十分广阔的应用前景，经济效益和社会效益也非常巨大。现代工程的施工量较大，工期要求比较严格，因此在施工过程中，提高作业效率、减轻操作人员的劳动强度，就显得尤为重要。从市场需求来看，用户对施工质量的要求越来越高，一些传统的产品已无法满足施工要求，只有自动化程度高、适应范围广、采用先进施工工艺的新型机器才能一显身手，这也是今后水平定向钻机的发展方向。为了满足日益增长的非开挖施工建设的需要，应尽快提高我国水平定向钻进技术水平，这需要从结构设计、液压系统、智能控制以及施工工艺等几个方面入手。结构设计是指对底盘、发动机系统、动力头、动力头给进/回拖机构、钻杆装卸机构、夹持器、锚固装置和泥浆系统等的机械设计和合理布局。液压系统包括动力头液压驱动系统包含回转系统和推拉系统、行走液压系统、钻杆自动存取液压系统、虎钳液压系统、锚固液压系统和辅助液压系统。液压系统的结构设计、液压元件的选择和参数匹配对整机的性能有较大的影响；而且选择合适的液压元件控制方式，也有利于自动控制的实现。智能控制主要包括钻进导向控制技术、定向钻机专用控制技术、地下电缆与管道探测防触碰安全保护技术、钻进规划软件了开发技术以及智能故障诊断技术。水平定向钻机智能化控制系统的主要任务是改进钻机作业的经济性和动力性，提高钻机的作业效率，同时简化操作人员的操作，通过友好的人机界面，在操作灵活简便的同时保证作业的精度，在这方面要予以高度重视并进行深入研究。施工工艺包括现场勘察工艺、钻进轨迹设计工艺、钻进先导孔工艺和扩孔铺管工艺。这方面的提高和完善，既需要理论上的研究和分析，还需要实践经验的总结。142论文主要内容及各章安排本文主要是对45T水平定向钻机的结构特点以及工况特点做了比较详细的分析，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。对系统的节能性以及操纵性能有了较大的改善。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，对液压系统进行设计，并对各子系统进行分析及液压元件的合理。第四章是对液压系统进行性能验算。最后，在第五章中，总结前几章的工作，并且对水平定向钻机的发展方向作出展望。2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，对钻机的工作原理、设计参数、结构部件、工作环境、负载情况进行深入的分析。21水平定向钻机的工作原理211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10CM，深度误差为5。图21是导向孔钻进过程的示意图。图2L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。排出孔内多余残土，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100MM。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，既避免了过量排土造成地面塌陷，也解决了挤压过度形成的地面开裂难题。图22是扩孔器回拖扩孔的示意图图22扩孔器回拖扩孔（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23是回拖铺管过程的示意图。图23回拖铺管212钻孔钻进原理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100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24所示。图24水平定向钻机轨迹改变的原理这就是定向钻能够进行曲线施工的基本条件。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际深度等信息，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。22水平定向钻机的结构特点221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杆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（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21为管径和钻孔长度的钻机功率配备选择对照表。表22是钻机的主要参数。表21钻机功率配备选择对照性能要求012345678910配备功率/KW3060100130160220300360400以上推力/KN100150250320640750100015401800以上转矩/KNM3612183350607080以上表22钻机主要参数钻机主要参数小型钻机大型钻机钻机主要参数小型钻机大型钻机钻孔直径/MM10011012001800转速/（R/MIN）0200080钻孔长度/M205015002300转矩（KNM）025050120184推/拉力/KN101540006000功率/KW131645602560222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、泥浆系统等。当然，为了实现上料的自动化，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35M，直径6090MM，利用锥管螺纹联结相互联结，最小曲率半径为50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。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，可以同时提供多个排量的高压油。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。23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、大粱支排回路支腿回路。231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、钻孔直径大小、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。232动力头进退工况分析A、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LFEF（21）式中F为总回拖力KN；E为管道的端面阻力KN；EF为单位长度管子的综合摩擦阻力因子KN/M；LM为管道长度。CBWDUQFE）（22PBAC234/20FC24式中D为管道外径M；Q为管道周边均布载荷KPA；W为管道单位长度自重KN/M。U为管与土之间的摩擦系数VTANB/2C为管与土之间的粘着力KPA；CP为土仓内的压力KPA。AP为掘进所处土层的主动土压力KPA；BP为掘进所处土层的主动土应力KPA；为给土仓的额加压力KPA。A为考虑到土质不同设置的修正系数。表23修正系数表土质软土沙性土砾石土152030综合上述各式得WULCBQULF025上式代表的意思是，钻机的总回拖力是由以下四部分组成1管道前端的迎面阻力；2由于上理荷载作用管外壁上产生的摩阻力；3由于管外壁与土之问的粘聚力产生的摩阻力；4由于管段重量产生的摩阻力。B、工况特点分析动力头进退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。当进退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在一定的钻进规程下调节进退速度。进退机构的特性就是保持给定的初始给进力条件下，当岩石可钻性改变时适应进退速度的变化规律。综上所述，进退系统工况较复杂，可分为加压钻进工况，减压钻进工况，兼有高压小流量慢速给进和低压大流量快速给进的情形。因此进退系统要求压力可调、速度适应。233钻具夹紧及拧卸回路工况分析A、负载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，从理论上之需要克服液压缸本身的摩擦力即可，但在实际馈况下要增加一定量的压力；而拧卸环节的负载主要的克服钻杆之闻锥螺纹的拧紧里和卸扣力。在实际的设计过程中，可以在实际中测定钻杆之问的拧紧力和卸扣力，而液压系统的设计参数还应该留有一定的余地。保证一定的安全系统。B、工况分析如前所述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、给迸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。234履带行走系统工况分析负载分析履带行走回路主要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。MGSINCOFF）（26）式中FF行走系统负载；履带与地面接触摩擦系数；接触面倾斜角度，水平接触面取0。工况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，但是在钻机完成工作以后，钻机需要自身在事先搭好的斜坡平板上行驶，并且平板的宽度有限，工作人员本能停留在钻机上控制，因此此时应该确保钻机履带行走系统的绝对同步。235支腿支撑回路工况分析负载分析支腿支撑的负载主要分两部分1钻机本身的重量；2钻机在工作过程中对地面的支撑作用。约等于钻机的拉力或推力。工况分析支撑回路有几个液压缸组成，几个液压缸共同分担系统的负载，但是也要主要由于有力位置发生改变而造成的偏载现象，要求液压缸的需要压力有一定的余地。24本章小结本章是在进行水平定向钻机液压设计以前做的基本的准备工作，主要是对钻机的工作原理、结构特点以及工况进行介绍和分析。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，在钻进过程中，通过控制钻头的倾斜角来控制钻杆钻进的角度；可以通过控制钻杆旋转控制钻杆的路径，沿直线钻进还是沿曲线钻进，因此可以看出，在水平定向钻机工作过程中，钻杆旋转机构以及动力头行走机构是系统完成工作的关键机构。除了钻进/回拖力以及钻杆旋转扭矩两项最基本的结构参数以外，钻机还有一些参数在钻机工作过程中也是不可或缺的。诸如钻杆的参数以及发动机的参数都对钻机起至关重要的影响，各个参数之间有一定的匹配关系。在本文中给出了一些参数匹配的表格。在现有的钻机机型中，其主要部件可以分成七个部件底盘、动力头总成、钻杆和钻头、钻杆自动装卸装置、发动机系统、导向系统、泥浆系统。工况分析是液压系统设计的前提和基础，本章在最后的部分对主要部件的液压工况进行比较详尽的分析。主要分析机构运行的负载特性分析和工况特点分析，对整台机械的工作特点有了比较详尽的了解。特别在动力头进退工况分析中，并给出最大钻进力的具体计算公式，对机构设计以及液压设计都有一定的指导意义。3钻机液压系统设计31液压系统的构成和工作原理本液压系统构成主要包括钻机动力头回转系统、进给回拖系统、钻杆卸扣系统、泥浆泵控制和整机行走系统等几大部分。1、2、3变量泵4吸油过滤器5散热器6、11溢流阀7单向阀8、16电磁比例换向阀9、15、17、18电磁换向阀10泥浆马达12、13、14手动换向阀19单向顺序阀20、21液压锁22、23回转马达24、25履带行走马达26调整角缸27、28卸扣器浮动缸29、30进给回拉马达31卸扣器前夹紧缸32后夹紧缸33卸扣器扭转缸34、35、36液压表图31水平定向钻机液压系统原理图该系统的工作原理当钻机进场条件具备，操作手操作钻机的履带行走手柄即换向阀12、13至左位驱动履带行走马达使钻机进场，待进场就位以后，扳动手动换向阀14至右位，升起钻臂调整角液压缸至需要的人土角度通常为，调整完成后，168把手动换向阀14扳向中位，液压锁锁紧该支路，然后定位并打下地锚桩。之后司钻扳动电磁比例换向阀16至左位，调节进给回拖方向阀使动力头和卸扣器之间留出上钻杆空间，用吊车把钻杆放在动力头主轴和后夹紧缸32之间，完成后，操作后夹紧钳换向阀18至右位，夹紧钻杆，另一只手操作电磁比例换向阀8至左位，正向高速旋转动力头使钻杆拧紧，完成后，操作手动换向阀18至左位，松开后夹紧钳，然后按下电磁换向阀9至左位，启动泥浆泵马达给钻杆内通泥浆，通泥浆的同时操作比例电磁换向阀16至左位，使动力头沿钻臂前进，待钻头快到入土位置，一边继续前进一边扳动比例电磁换向阀8至左位使动力头同转，一边前进一边回转，使整个动力头采取螺旋式钻进。一根钻杆钻进完成后扳动比例电磁换向阀16至右位退回动力头到原先位置，上第2根钻杆，如此周而复始，完成整个打导向孔的过程。在打导向孔完成后回拉扩孔卸钻杆时，先操作方向阀17使夹紧缸3L夹紧第一根钻杆帽，然后操作换向阀18使后夹紧缸32夹紧第2根钻杆帽，待压力升高到一定值后打开顺序阀19使扭转缸33动作，使其卸松钻杆螺纹扣，只需卸松一丝扣，然后反转动力头即可。依次周而复始的完成整个钻杆的拆卸。如果钻杆帽长度不一样，前后夹紧钳不能够准确夹紧两根钻杆的钻帽，操作手动换向阀15，调整浮动缸27、28的长度从而使前后夹紧缸正好能够夹紧两根钻杆帽，有利于钻杆的拆卸。至此完成了水平定向钻机打导向孔和回拉扩孔的全过程，也完成了整个钻机液压系统的功能。由于45T水平定向钻机的工况复杂，对液压元件的性能要求较高，所以选用了国际上先进成熟的力士乐产品。以下是根据各液压回路对液压元件进行选择。表3145T水平定向钻机动力头技术参数动力头最大推力450KN动力头最大回转扭20KNM最大推拉力时运动速度75M/MIN动力头最高回转速度130R/MIN32发动机选型和计算根据马达输出功率的计算公式954NTP（31）式中，T马达输出扭矩；N马达转速。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MAXT20KNM，此时的回转速度N40R/MIN，回转系统总效率063。变量泵辅助泵12528340452850356795332动力头推拉系统设计及液压元件选择动力头推拉系统采用单泵双马达减速机链传动装置的驱动形式。1液压泵与动力头回转液压系统类似，动力头推拉液压系统也是由变量泵和变量马达构成的闭式系统。动力头推拉系统和动力头回转系统可以切换油路分别驱动左、右履带行走，为保持同步，推拉液压泵与回转液压泵应保持一致，选择力士乐A4VGL25斜盘式轴向柱塞泵。2液压马达对于动力头推拉液压系统来说液压马达排量大，工作压力高，输出扭矩大，通过减速机、链传动装置提供给动力头的推拉力越大；反之则小。选用SUMERNR350三级减速机，减速比，额定输出扭矩88KNM，驱动5106IP半径为R0092M。动力头最大推拉力F450KN，最大推拉力时的运动速度为V75M/MIN。动力头推进力的计算公式CIPMGCIPMR/2VPTF（33）式中，MT单马达输出扭矩；I减速机的效率，取094；C链传动的机械效率，取092马达的工作压力，机械效率M095。A28PMMP由式33，马达的排量LFV1M532904528106143PIRCIMG由系统工作压力和计算排量，选择力士乐公司生产的A6VM55斜轴式柱塞马达,技术参数如表34所示。表34力士乐A6VM55液压马达技术参数排量ML额定压力MPA最大压力MPA最大流量L/MIN最高转速R/MIN最大扭矩NM重量KG5484045244700034926333泥浆系统设计及液压元件选择任何一种型号的水平定向钻机所配置的泥浆泵流量是一定的。在钻进时，泥浆用量相对较少，泥浆泵调整为小流量在回扩或拖管时，由于钻孔直径较大，泥浆用量相对较多，泥浆泵要调整为大流量。操作者应掌握合适的钻进或回扩速度，以保证有足够的泥浆供给，形成良好的钻孔。国外有关泥浆公司对此进行了量化，总结出一套泥浆用量的经验公式，用户可根据该公式进行初步计算，得到每分钟泥浆用量、回拖时泥浆用量、工程所用泥浆总量等相关参数。泥浆用量的经验公式42103/KDQ34式中，Q泥浆用量，单位L/M；D回扩头直径，单位M；K漏失系数，通常在25之间，根据地质条件的不同而选择，如在粘性土壤中取23，而在砂石或泥浆漏失严重的地质取45。以上计算值为初步估算值，实际泥浆用量比估算值稍大。选择雷克工程机械有限公司的YWB450/320型泥浆泵。驱动马达排量为314ML/R，最高转速为640RPM，为使马达获得最高转速，液压泵的排量要达到957ML/R。可以选择萨奥的957ML的齿轮泵。考虑到其余工作装置的需要，供油压力选择20MPA，考虑到齿轮泵的机械效率，消耗发动机功率69KW，扭矩314NM。334其他液压元件的选择1）溢流阀由上述331计算可知，系统最大工作压力为40MPA，流量不小于242L/MIN，主油路上溢流阀6的压力值即为40MPA；另外，回转系统的最大工作压力为32MPA。因此溢流阀6和11均可选择锥阀式DBD直动型溢流阀（工作压力可达40MPA，最大流量330L/MIN）。2）液压缸液压缸基本参数有公称压力P、缸筒内径（活塞直径）D和外径D1、活塞杆直径D、活塞行程、往复运动速度比等，它们都有标准系列。据缸筒内径计算公式P4F35式中液压缸负载力F450KN，工作压力P28MPA，可得D452MM，据GB234893取D45MM。活塞杆直径计算公式为1DD36表35速度比的选择压力MPA101252020速度比13313622取2，可算得D318。据GB234893,选取D32MM；液压缸壁厚计算公式为13042PD37可算得43MM。外径取。6M5321D541D3）油箱容量单位为L的计算公式为VVAQV38由于是高压系统，A10。所以油箱的容量V196561019656L按JB/T79381999规定容积取标准值V2000L。油箱长、宽、高之比为1（12）（13），可初步算得油箱尺寸为长940MM，高1400MM，宽1880MM。4）滤油器系统压力可大于32MPA，因此过滤精度要求小于10。选用LXZ系列箱外自封M式吸油过滤器中的LXZ250FCY型号的吸油过滤器。5）油管及接头油管内径D和油管壁厚及外径D分别按下面公式算出39/4VQD3102P311DD可算得内径D104MM，壁厚22MM，外径D取14MM。管接头采用焊接管接头。4液压系统的性能验算液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式、液压元件及联接管路等完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。对一般液压传动系统来说，主要是进一步确切地计算液压回路各段压力损失、容积损失及系统效率，压力冲击和发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不合理的设计要进行重新调整，或采取其他必要的措施。41液压系统压力损失压力损失包括管路的沿程损失P1，管路的局部压力损失P2和阀类元件的局部损失P3，总的压力损失为PP1P2P3（41），2V23NQ式中L管道的长度M；D管道内径M；V液流平均速度V/S；油密度KG/M3；沿程阻力系数；局部阻力系数。、的具体值可参考液压流体力学有关内容。QN阀的额定流量M3S；Q通过阀的实际流量M3S；PN阀的额定压力损失PA，可从产品样本中查到。对于泵到执行元件间的压力损失，如果计算出的P比选泵时估计的管路损失大得多时，应该重新调整泵及其他有关元件的规格尺寸等参数。系统的调整压力PTPLP式中PT液压泵的工作压力或支路的调整压力。42液压系统的发热温升计算421计机构爬行1液压缸和管道中有空气2系统压力过低或不稳3滑动部件阻力太大4液压缸与滑动部件安装不良，如机架刚度不够、紧固螺栓松动等1排除系统中空气2调整、修理压力阀3修理、加润滑油4调整、加固2液压元件故障诊断和排除液压泵常见的故障分析和排除表8故障现象故障分析排除方法不出油、输油量不足、压力上不去1电动机转向不对2吸油管或过滤器堵塞3轴向间隙或径向间隙过大4连接处泄漏，混入空气5