【文章內(nèi)容簡介】 ，就顯得尤為重要。從市場需求來看，用戶對施工質(zhì)量的要求越來越高，一些傳統(tǒng)的產(chǎn)品已無法滿足施工要求，只有自動化程度高、適應范圍廣、采用先進施工工藝的新型機器才能一顯身手，這也是今后 水平定向鉆機的發(fā)展方向。 為了滿足日益增長的非開挖施工建設的需要，應盡快提高我國水平定向鉆進技術(shù)水平，這需要從結(jié)構(gòu)設計、液壓系統(tǒng)、智能控制以及施工工藝等幾個方面入手。 結(jié)構(gòu)設計是指對底盤、發(fā)動機系統(tǒng)、動力頭、動力頭給進 /回拖機構(gòu)、鉆桿裝卸機構(gòu)、夾持器、錨固裝置和泥漿系統(tǒng)等的機械設計和合理布局。 液壓系統(tǒng)包括動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng) (包含回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng) )、行走液壓系統(tǒng)、鉆畢業(yè)設計 5 5 桿自動存取液壓系統(tǒng)、虎鉗液壓系統(tǒng)、錨固液壓系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、液壓元件的選擇和參數(shù)匹配對整機的性能有較大的影響；而且選擇合 適的液壓元件控制方式，也有利于自動控制的實現(xiàn)。 智能控制主要包括鉆進導向控制技術(shù)、定向鉆機專用控制技術(shù)、地下電纜與管道探 測防觸碰安全保護技術(shù)、鉆進規(guī)劃軟件了 開 發(fā)技術(shù)以及智能故障診斷技術(shù)。水平定向鉆機智能化控制系統(tǒng)的主要任務是改進鉆機作業(yè)的經(jīng)濟性和動力性，提高鉆機的作業(yè)效率，同時簡化操作人員的操作，通過友好的人機界面，在操作靈活簡便的同時保證作業(yè)的精度，在這方面要予以高度重視并進行深入研究。 施工工藝包括現(xiàn)場勘察工藝、鉆進軌跡設計工藝、鉆進先導孔工藝和擴孔鋪管工藝。這方面的提高和完善，既需要理論上的研究和分 析，還需要實踐經(jīng)驗的總結(jié)。 1. 4. 2 論文主要內(nèi)容及各章安 排 本文主要是對 45t 水平定向 鉆機的結(jié)構(gòu)特點以及工況特點做了比較詳細的分析，在原液壓系統(tǒng)的基礎上對鉆機的液壓系統(tǒng)進行全面地設計 。 對系統(tǒng)的節(jié)能性以及操縱性能有了較大的改善 。 在接下來的章節(jié)中，第二章主要是對水平定向鉆機的本體結(jié)構(gòu)分析、工況負載分析，第三章主要是根據(jù)上述分析的結(jié)果，對液壓系統(tǒng)進行設計 ，并對各子系統(tǒng)進行分析及液壓元件的合理。第四章是對液壓系統(tǒng)進行性能驗算。 最后，在 第五章 中 ，總結(jié)前幾章的工作，并且對水平定向鉆機的發(fā)展方向作出展望 。 畢業(yè)設計 6 6 2. 鉆機結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)工況分析 液壓系統(tǒng)的設計與主機的設計是緊密相連的 。 只有完全理解主機的工作原理、機構(gòu)特點、負載特性才能合理地設計出一套比較完善的液壓系統(tǒng) 。 因此，本章即在進行水平定鉆機液壓系統(tǒng)設計以前，對鉆機的 工 作原理、設計參數(shù)、結(jié)構(gòu)部件 、工 作環(huán)境、負載情況進行深入的分析 。 2. 1 水平定向鉆機的工作原理 2. 1. 1 水平定向鉆進鋪管過程 非開挖水平定向鉆進鋪管過程主要分為導向孔鉆進、回拉擴孔、回拉鋪設管道三個階段 。 （ 1） 導向孔鉆進 在不開挖或少開 挖地表的情況下，利用導向鉆鑿技術(shù)，將一無線發(fā)射器 (探頭 )置入斜面鉆頭后的探頭盒內(nèi) 。 導向孔鉆進過程中，地面接收儀隨時顯示斜面鉆頭的深度，傾角及斜面的面向角，操作者據(jù)此進行造斜鉆進或直線鉆進 。 在地面導航儀的引導下，從 A 點向 B 點鉆一個與設計軌跡吻合的導向孔，一般平面誤差為 10cm，深度誤差為 5％ 。 圖 是導向孔鉆進過程的示意圖 。 圖 （ 2） 回拉擴孔 導向孔鉆出目標點后，卸下導向斜面鉆頭，換上大徑擴孔鉆頭，并在其后連接鉆桿，自 B 向 A 逐級回拉擴孔，直至能夠容放預 埋管道為止 。排 出孔內(nèi)多余殘土，等待鋪管 。根據(jù)鋪設管道的直徑、材質(zhì)、地層等因素確定擴孔方式、擴孔級序，一般最大擴孔直徑畢業(yè)設計 7 7 比預埋管徑大中 100mm。 預埋管徑內(nèi)采用排土法擴孔，以外采用擠壓法擴孔，將余土擠向孔壁四周，待鋪管后，應力釋放自然回填，既避免了過量 排 土造成地面塌陷，也解決了擠壓過度形成的地面開裂難題 。 圖 是擴孔器回拖擴孔的示意圖 圖 擴孔器回拖擴孔 （ 3） 回拖鋪管 在條件許可的情況下，可將 B 點工作坑做到足夠長，將全部管線一次性連接，采用A 處鉆機拉、 B 處頂管頂?shù)姆椒?，將預埋管 道穿入孔內(nèi) 。 若 B 處受限制時，可做一個短的下管坑，邊接一根回拉一根，直至將全部管線回拉到孔內(nèi)，完成鋪管工作 。 圖 是回拖鋪管過程的示意圖 。 圖 回拖鋪管 2. 1. 2 鉆孔鉆進原理 由液壓系統(tǒng)提供的靜壓力通過鉆桿作用在鉆頭上，當推進力大于土壤作用在鉆頭和鉆桿表面的阻力時，便可以擠壓土壤在地下成孔 。 為減小定向鉆機所受到的阻力，將鉆頭做成特定的偏契式斜面，同時從鉆頭和鉆桿上的噴嘴中噴出潤滑液來疏松和固定土畢業(yè)設計 8 8 壤，所以定向鉆可以完成 100 米以上的地下穿孔作業(yè) 。 由于定向鉆鉆頭有一個非對稱的斜面，它使 得鉆頭所受的合力是與鉆桿垂直的 。 因此 。 當鉆頭斜面向下而鉆桿只推進不旋轉(zhuǎn)時，鉆頭將帶動鉆桿向上偏移 ； 而當鉆桿帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時，由于垂直方向的力相互抵消，所以鉆機將直線前進 (如圖 所 示 )。 圖 水 平定向鉆機軌跡改變的原理 這就是定向鉆能夠進行曲線施 工 的基本條件 。 同時，在定向鉆的鉆頭中裝有斜面位置傳感器和信號發(fā)射器，操作人員通過接收器便能夠隨時知道斜面的傾角和鉆頭的實 際深度等信息，便于進行曲線運行控制 。 由此可知，鉆機工作過程中，鉆桿旋轉(zhuǎn)以及動力頭行走機構(gòu)是系統(tǒng)的關鍵機構(gòu) 。 2. 2 水平定向鉆機的結(jié)構(gòu)特點 2. 2. 1 鉆機的主要設計參數(shù) 由上可知，最大回拖力以及扭矩是水平定向鉆機最重要的參數(shù)，但設計鉆機時，不應該把最大回拖力作為主要參數(shù)而忽略其他參數(shù) 。 設計的主要原則是：根據(jù)施工需求設畢業(yè)設計 9 9 計選擇一定拉力范圍的鉆機，然后將鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn) 桿 的參數(shù)作為關鍵參數(shù)進行對比，同時考慮發(fā)動機持續(xù)功率的大小 。 (1) 推力 (回拖力 ) 鉆機拉力決定拖拉管道的長度 。 在穿越地質(zhì)和施工工藝相同時鉆機的整體能力主要體現(xiàn)在所能施工管道的具體尺寸上，即管道直徑和相應長度 。 因此，推力 (回拖力 )是鉆機最重要 的參數(shù) 。 (2) 鉆桿扭矩 定向鉆機的鉆孔和擴孔過程主要靠鉆機的轉(zhuǎn)矩和泥漿的沖洗作用，而不只是推力(回拖力 )。 鉆機的拉力用來克服管道阻力，而輸出轉(zhuǎn)矩決定了鉆機的最大擴孔能力，也就了該鉆機能夠施工的最大管道直徑 。 (3) 鉆桿 鉆桿是地面鉆機于孔內(nèi)鉆具的唯一動力傳遞環(huán)節(jié)，實現(xiàn)傳遞給進力、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、反向擴孔和鋪管時的回拖力等作用 。 另外，作為沖洗介質(zhì)的通道，向孔底鉆具輸送鉆進泥漿、壓縮空氣等 。 鉆桿主要參數(shù)是：材料、直徑、長度、桿體鋼管壁厚和絲扣牙型等 (4) （ 4） 發(fā)動機的持續(xù)功率 這一參數(shù)標志著 鉆機所具有的用于產(chǎn)生和回拖力的實際能力 。 由于鉆機時高負荷連續(xù)工作，因此要考慮發(fā)動機的連續(xù)輸出功率 。 表 為管徑和鉆孔長度的鉆機功率配備選擇對照表 。 表 是鉆機的主要參數(shù) 。 表 鉆機功率配備選擇對照 性能要求 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 配備功率 /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 轉(zhuǎn)矩 /(KN? m) 3 6 12 18 33 50 60 70 80 以上 表 鉆機主要參數(shù) 鉆機主要參數(shù) 小型鉆機 大型鉆機 鉆機主要參數(shù) 小型鉆機 大型鉆機 鉆孔直徑 /mm 100110 12001800 轉(zhuǎn)速 /（ r/min） 0200 080 鉆孔長度 /m 2050 15002300 轉(zhuǎn)矩（ kN? m） 120184 推 /拉力 /kN 1015 40006000 功率 /kW 5602560 畢業(yè)設計 10 10 2. 2. 2 鉆機結(jié)構(gòu)的主要組成部分 水平定向鉆機屬于中大型工程機械設備，完成施工任務需要多個 執(zhí)行機構(gòu) 。 主機主要包括以下幾個部分：鉆桿旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力頭行走機構(gòu)、整機行走機構(gòu)、支腿機構(gòu)、大粱翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾持器夾緊機構(gòu)、夾持器翻轉(zhuǎn) (卸扣 )、泥漿系統(tǒng) 等 。 當然，為了實現(xiàn)上 料的自動化，有些鉆機還包括吊機的起重、變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)回路及自動上料機構(gòu)等 。 從結(jié)構(gòu)上講，水平定向鉆機主要包括以下幾個部分 。 (1)底盤 底盤為液壓驅(qū)動，橡膠履帶，剛性連接式車架 。 底盤主要包括車架及行走裝置 。 行走裝置主要包括兩縱梁、履帶張緊裝置、履帶總成、驅(qū)動輪、導向輪、支重輪及行走減速機 。 車架為整體式焊接：兩縱梁與車架用高強度螺栓 連接成一體，后端帶有兩垂直支腿、兩縱粱前部設置了導向輪及張緊裝置 )后部設置了驅(qū)動輪及其傳動裝置，行走減速機選用進口的馬達、減速機一體的內(nèi)藏式減速機，該減速機有快慢速兩擋，結(jié)構(gòu)緊湊 。 (2)動力頭總成 主要包括動力頭減速器和推拉機構(gòu)，直接負責鉆桿旋轉(zhuǎn)和動力頭的進退，使鉆機的執(zhí)行部件 。 推拉裝置是動力頭回拉或迸給運動的執(zhí)行機構(gòu)，由一對低速大轉(zhuǎn)矩馬達驅(qū)動一對減速機，由減速機驅(qū)動鏈輪鏈條機構(gòu)，由鏈輪鏈條機構(gòu)向動力頭提供進給力或回拉力 。 動力頭由一個低速大扭矩馬達驅(qū)動減速機，由減速機驅(qū)動減速箱，由減速箱輸出軸驅(qū)動鉆桿轉(zhuǎn)動，輸出軸中空，便于向鉆頭注入泥漿水 。 (3)鉆桿和鉆頭 鉆桿為高強度鋼管制造，每節(jié)長度 3～ 5m，直徑 60～ 90mm，利用錐管螺紋聯(lián)結(jié)相互聯(lián)結(jié)，最小曲率半徑為 50 節(jié)鉆桿，可根據(jù)用戶需要增加數(shù)量 。 鉆頭包括鉆進鉆頭和回擴鉆頭，回擴鉆頭直徑可根據(jù)實際鋪管的直徑選用，主要可分為流道式回擴頭、螺旋條式回擴頭、圈式回擴頭等 。 (4)鉆桿自動裝卸裝置 鉆桿自動裝卸裝置包括鉆桿存放／提取和夾持／擰卸機構(gòu) 。 其中鉆桿存放／提取機構(gòu)包括鉆桿箱上下抬升和索臂伸縮機構(gòu)；當裝鉆桿時鉆桿箱上下抬升機構(gòu) 落到索臂上，畢業(yè)設計 11 11 索臂由控制系統(tǒng)控制抓取不同列數(shù)的鉆桿，然后鉆桿箱抬起，索臂伸出將鉆桿送到安裝位置實現(xiàn)安裝；卸時索臂將拆下鉆桿送到鉆桿箱相應列數(shù)下，鉆桿箱落下將鉆桿擠入箱內(nèi)實現(xiàn)拆卸 。 夾持／擰卸機構(gòu)均配有雙夾持器，與回轉(zhuǎn)機構(gòu)和動力頭進退相配合， — 起組成鉆機的鉆桿夾卸系統(tǒng) 。 雙夾持器一般布置在底盤的前端，前夾持器 (靠近孔口 )承受反轉(zhuǎn)矩，后夾持器只在卸開第一扣時施加主動力矩 。 (5)發(fā)動機系統(tǒng) 主要有于機型相匹配的柴油機和液壓泵組成，由于鉆機的機構(gòu)比較復雜，液壓油路比較負載，一般采用多聯(lián)泵，可以同 時提供多個 排 量的高壓油 。 (6)導向系統(tǒng) 導向系統(tǒng)由探頭、地表手持式接收機和鉆機旁同步顯示器組成 。 (7)泥漿系統(tǒng) 泥漿系統(tǒng)由隨車泥漿系統(tǒng)與泥漿攪拌系統(tǒng)組成 。 泥漿攪拌系統(tǒng)用于泥漿混配、攪拌、向隨車泥漿系統(tǒng)提供泥漿，隨車泥漿系統(tǒng)將泥漿加壓，通過動力頭、鉆桿、鉆頭打入孔內(nèi)，以穩(wěn)定孔壁、降低回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和拉管阻力，還可冷卻鉆頭、發(fā)射探頭、清除鉆進產(chǎn)生的土屑等 。 2. 3 鉆機液壓系統(tǒng)工況分析 準確分析液壓系統(tǒng)工況是進行液壓系統(tǒng)功能設計的前提 。 通過對液壓系統(tǒng)工況的分析，可以明確負載情況、控制對 象、控制內(nèi)容及控制要求，為液壓系統(tǒng)功能的合理設計提供依據(jù) 。 水平定向鉆機的液壓系統(tǒng)根據(jù)所實現(xiàn)的功能不同，可分為以下幾個個基本回路：鉆桿旋轉(zhuǎn)回路、動力頭進退回路、履帶行走回路 、 鉆具夾緊及擰卸回路、泥漿泵回路、大粱支 排 回路支腿回路 。 2. 3. 1 鉆桿旋轉(zhuǎn)工況分析 a、負載特性分析：負載是指液壓控制系統(tǒng)中液壓執(zhí)行元件運動時所需克服的各種阻力 。 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)負載主要由孔底的切削負載和回轉(zhuǎn)鉆桿的負載組成 。 回轉(zhuǎn)負載的大小除受到所鉆地層巖性、鉆孔 直 徑大小、鉆進 方法、鉆孔深度、回轉(zhuǎn)速度等因素影響外，畢業(yè)設計 12 12 還與孔底鉆頭壓力的大 小有關 。 孔底壓力越大，鉆頭切入深度越深，破碎巖石所需轉(zhuǎn)矩越大；孔底壓力太大，轉(zhuǎn)矩達到系統(tǒng)安全閥設定的最大值時，會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，不能正常鉆進 。 實際工作中就是通過控制孔底壓力的大小使實際轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定工作在最大轉(zhuǎn)矩之下 。 b、工況特點分析：鉆探工藝要求回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)速有較大的調(diào)節(jié)范圍，以適應不同的鉆進方法及鉆進規(guī)程，并能雙向回轉(zhuǎn)及微動回轉(zhuǎn)；同時要求轉(zhuǎn)