液压钻机的液压系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

液压钻机的液压系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 1. 4. 2 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。 毕业设计 6 6 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。 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 10cm，深度误差为 5％。 图 是导向孔钻进过程的示意图。 图 （ 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，一般最大扩孔直径毕业设计 7 7 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 是扩孔器回拖扩孔的示意图 图 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 是回拖铺管过程的示意图。 图 回拖铺管 2. 1. 2 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毕业设计 8 8 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 所 示 )。 图 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。 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：根据施工需求设毕业设计 9 9 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 为管径和钻孔长度的钻机功率配备选择对照表。 表 是钻机的主要参数。 表 钻机功率配备选择对照 性能要求 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 配备功率 /kw 30 60 100 130 160 220 300 360 400 以上 推力 /KN 100 150 250 320 640 750 1000 1540 1800 以上 转矩 /(KN m) 3 6 12 18 33 50 60 70 80 以上 表 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 /mm 100110 12001800 转速 /（ r/min） 0200 080 钻孔长度 /m 2050 15002300 转矩（ kN m） 120184 推 /拉力 /kN 1015 40006000 功率 /kW 5602560 毕业设计 10 10 2. 2. 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 )、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 3～ 5m，直径 60～ 90mm，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，毕业设计 11 11 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。 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 排 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 直 径大小、钻进 方法、钻孔深度、回转速度等因素影响外，毕业设计 12 12 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 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 ： LFF ee f （ ） 式中： F 为总回拖力 (KN)； eF 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)； L(m)为管道长度。 cBWD   u39。 qf e ）（ () PPPP BAc  () 4/20 DPF C   () 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 )。 u39。 为管与土之间的摩擦系数 (v39。 =。