【正文】 ............................................................................................................ 32 5. 1 研究總結(jié) ................................................................................................................... 32 5. 2 研究展望 ................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 35 致謝 .......................................................................................................................................... 37 附錄 .......................................................................................................................................... 38 附錄一、液壓系統(tǒng)常見故障分析與排除 ...................................................................... 38 1 液壓系統(tǒng)故障診斷和排除 .................................................................................. 38 2 液壓元件故障診斷和排除 .................................................................................. 43 附錄二、譯文 .................................................................................................................. 50 畢業(yè)設(shè)計 1 1 1. 緒論 1. 1 水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 1. 1. 1 非開挖技術(shù)簡介 非開挖鋪管技術(shù)是一種新型鋪管技術(shù)，與傳統(tǒng)的開挖作業(yè)相比，具有快速、高效、不破壞環(huán)境及綠化和不干擾 。 非開挖技術(shù)比較常用的定義主要有以下兩種： 1)非開挖施工技術(shù)是指在不開挖地表的條件下探測、檢查、修復(fù)、更換和鋪設(shè)各種地下公用設(shè)施 (管道和電纜 )的任何一種技術(shù)和方法； 2)指利用巖土鉆掘、定向 測 控等技術(shù) 手段，在不破壞地面情況下進(jìn)行不同用途、不同材質(zhì)管線的鋪設(shè)、修復(fù)和更換所使用的施工技術(shù) 。 目前 。 1. 1. 2 水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)簡介 水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的非開挖技術(shù)之一，它將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的管線施工方法相結(jié)合，為地下管線 施 工帶來了一次技術(shù)革 命 。 它采用方向可控和以水射流破土為主的鉆進(jìn)技術(shù)，使用地表放置的鉆機(jī)，按設(shè)計軌跡預(yù)鉆一個導(dǎo)孔，然后在擴(kuò)孔和回拉的同時鋪入管線，管線直徑范圍一般在 50450mm。 畢業(yè)設(shè)計 2 2 1. 2 國內(nèi)外水平定向鉆機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展 1. 2. 1 國外水平定向鉆機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀 水平定向鉆機(jī) (HDD， Horizontal Directional Drill)起源于上世紀(jì)七十年代末期，隨著技術(shù)和裝備的不斷完善和改進(jìn)，八十年代中期在發(fā)達(dá)國家才被廣泛接受和認(rèn)可，得于迅速發(fā)展，井以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和廣發(fā)的市場前景的道路世界各國的重視 。 國外 HDD 產(chǎn)品規(guī)格齊全，自動化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，地層適應(yīng)性強(qiáng)，性能覆蓋范圍大，功率匹配合理、可靠，技術(shù)水平含量高，尤其是在 PLC 控制、自動更換鉆桿等方面尤其獨特的先進(jìn)性和優(yōu)越性 。 1. 2. 2 國內(nèi) HDD 現(xiàn)狀 國內(nèi)的 HDD 研發(fā)相對于國外來說，起步較晚，與國際先進(jìn)水平存在很大的差距，特別是在導(dǎo)向監(jiān)控方面 ，很大程度上依賴國外的技術(shù) 。 主要產(chǎn)品有中國地質(zhì)科學(xué)院勘探研究所生產(chǎn)的GBS 系列定向鉆機(jī)、連云港黃海機(jī)械廠等單位研發(fā)的 FDP 系列水平定向鉆機(jī)等 。 如中聯(lián) 重 科、深圳鉆通、徐工、北京土行孫、南京地龍等企業(yè)都相應(yīng)開發(fā)出自己的產(chǎn)品 。 如徐 工 集團(tuán)的 ZD 系列鉆機(jī)，在參考國外同類機(jī)型的基礎(chǔ)上，采用機(jī)電液集成的 PLC 控 制、電液比例控制等技術(shù)，具有較高的技術(shù)水準(zhǔn)和市場競爭力 。 圖 分別是國外和國內(nèi)研發(fā)的兩種型號的水平定向鉆機(jī)的基本外形 。 鉆機(jī)上應(yīng)用液壓技術(shù)是在七十年 代開始的，最初主要是用于給進(jìn)機(jī)構(gòu) 。 與傳統(tǒng)的機(jī)械鉆機(jī)相比，全液壓鉆機(jī)具有功率重量畢業(yè)設(shè)計 4 4 比大，控制性能好等優(yōu)點，因此很快得到了推廣和應(yīng)用 。 因此，在全液壓鉆機(jī)設(shè)計中，迫切需要應(yīng)用液壓技術(shù)和液壓元件發(fā)展的最新成果，對傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，達(dá)到完善功能、提高效率的目的 液壓技術(shù)也不斷取得新的突破，使整個機(jī)械裝備性能發(fā)生突破性前進(jìn) 。 電液閥和電 液 控制系統(tǒng)在各類 機(jī) 械設(shè)備上獲得了廣泛應(yīng)用，機(jī)械裝備迅速向機(jī)電液一體化方向發(fā)展 。非 開挖技術(shù) 在我國已形成了一個新興產(chǎn)業(yè)，引起了各級政府和環(huán)境部門的高度重視。在中國管道建設(shè)大發(fā)展的 21 世紀(jì)，非開挖技術(shù)將具有十分廣闊的應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益也非常巨大。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(yīng)范圍廣、采用先進(jìn)施工工藝的新型機(jī)器才能一顯身手，這也是今后 水平定向鉆機(jī)的發(fā)展方向。 結(jié)構(gòu)設(shè)計是指對底盤、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、動力頭、動力頭給進(jìn) /回拖機(jī)構(gòu)、鉆桿裝卸機(jī)構(gòu)、夾持器、錨固裝置和泥漿系統(tǒng)等的機(jī)械設(shè)計和合理布局。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、液壓元件的選擇和參數(shù)匹配對整機(jī)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)。水平定向鉆機(jī)智能化控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是改進(jìn)鉆機(jī)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和動力性，提高鉆機(jī)的作業(yè)效率，同時簡化操作人員的操作，通過友好的人機(jī)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(jìn)行深入研究。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)。 對系統(tǒng)的節(jié)能性以及操縱性能有了較大的改善 。第四章是對液壓系統(tǒng)進(jìn)行性能驗算。 畢業(yè)設(shè)計 6 6 2. 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)工況分析 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與主機(jī)的設(shè)計是緊密相連的 。 因此，本章即在進(jìn)行水平定鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計以前，對鉆機(jī)的 工 作原理、設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)部件 、工 作環(huán)境、負(fù)載情況進(jìn)行深入的分析 。 （ 1） 導(dǎo)向孔鉆進(jìn) 在不開挖或少開 挖地表的情況下，利用導(dǎo)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) 。 在地面導(dǎo)航儀的引導(dǎo)下，從 A 點向 B 點鉆一個與設(shè)計軌跡吻合的導(dǎo)向孔，一般平面誤差為 10cm，深度誤差為 5％ 。 圖 （ 2） 回拉擴(kuò)孔 導(dǎo)向孔鉆出目標(biāo)點后，卸下導(dǎo)向斜面鉆頭，換上大徑擴(kuò)孔鉆頭，并在其后連接鉆桿，自 B 向 A 逐級回拉擴(kuò)孔，直至能夠容放預(yù) 埋管道為止 。根據(jù)鋪設(shè)管道的直徑、材質(zhì)、地層等因素確定擴(kuò)孔方式、擴(kuò)孔級序，一般最大擴(kuò)孔直徑畢業(yè)設(shè)計 7 7 比預(yù)埋管徑大中 100mm。 圖 是擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔的示意圖 圖 擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)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(jī)拉、 B 處頂管頂?shù)姆椒?，將預(yù)埋管 道穿入孔內(nèi) 。 圖 是回拖鋪管過程的示意圖 。 為減小定向鉆機(jī)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(shè)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) 。 因此 。 圖 水 平定向鉆機(jī)軌跡改變的原理 這就是定向鉆能夠進(jìn)行曲線施 工 的基本條件 。 由此可知，鉆機(jī)工作過程中，鉆桿旋轉(zhuǎn)以及動力頭行走機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu) 。 設(shè)計的主要原則是：根據(jù)施工需求設(shè)畢業(yè)設(shè)計 9 9 計選擇一定拉力范圍的鉆機(jī)，然后將鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn) 桿 的參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比，同時考慮發(fā)動機(jī)持續(xù)功率的大小 。 在穿越地質(zhì)和施工工藝相同時鉆機(jī)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(yīng)長度 。 (2) 鉆桿扭矩 定向鉆機(jī)的鉆孔和擴(kuò)孔過程主要靠鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩和泥漿的沖洗作用，而不只是推力(回拖力 )。 (3) 鉆桿 鉆桿是地面鉆機(jī)于孔內(nèi)鉆具的唯一動力傳遞環(huán)節(jié)，實現(xiàn)傳遞給進(jìn)力、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、反向擴(kuò)孔和鋪管時的回拖力等作用 。 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(jī)的持續(xù)功率 這一參數(shù)標(biāo)志著 鉆機(jī)所具有的用于產(chǎn)生和回拖力的實際能力 。 表 為管徑和鉆孔長度的鉆機(jī)功率配備選擇對照表 。 表 鉆機(jī)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(jī)主要參數(shù) 鉆機(jī)主要參數(shù) 小型鉆機(jī) 大型鉆機(jī) 鉆機(jī)主要參數(shù) 小型鉆機(jī) 大型鉆機(jī) 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(shè)計 10 10 2. 2. 2 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的主要組成部分 水平定向鉆機(jī)屬于中大型工程機(jī)械設(shè)備，完成施工任務(wù)需要多個 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。 當(dāng)然，為了實現(xiàn)上 料的自動化，有些鉆機(jī)還包括吊機(jī)的起重、變幅、伸縮、回轉(zhuǎn)回路及自動上料機(jī)構(gòu)等 。 (1)底盤 底盤為液壓驅(qū)動，橡膠履帶，剛性連接式車架 。 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(dǎo)向輪、支重輪及行走減速機(jī) 。 (2)動力頭總成 主要包括動力頭減速器和推拉機(jī)構(gòu)，直接負(fù)責(zé)鉆桿旋轉(zhuǎn)和動力頭的進(jìn)退，使鉆機(jī)的執(zhí)行部件 。 動力頭由一個低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動減速機(jī)，由減速機(jī)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 。 鉆頭包括鉆進(jìn)鉆頭和回擴(kuò)鉆頭，回擴(kuò)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(kuò)頭、螺旋條式回擴(kuò)頭、圈式回擴(kuò)頭等 。 其中鉆桿存放／提取機(jī)構(gòu)包括鉆桿箱上下抬升和索臂伸縮機(jī)構(gòu)；當(dāng)裝鉆桿時鉆桿箱上下抬升機(jī)構(gòu) 落到索臂上，畢業(yè)設(shè)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(yīng)列數(shù)下，鉆桿箱落下將鉆桿擠入箱內(nèi)實現(xiàn)拆卸 。 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 。 (6)導(dǎo)向系統(tǒng) 導(dǎo)向系統(tǒng)由探頭、地表手持式接收機(jī)和鉆機(jī)旁同步顯示器組成 。 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(jìn)產(chǎn)生的土屑等 。 通過對液壓系統(tǒng)工況的分析，可以明確負(fù)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(shè)計提供依據(jù) 。 2. 3. 1 鉆桿旋轉(zhuǎn)工況分析 a、負(fù)載特性分析：負(fù)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)負(fù)載的大小除受到所鉆地層巖性、鉆孔 直 徑大小、鉆進(jìn) 方法、鉆孔深度、回轉(zhuǎn)速度等因素影響外，畢業(yè)設(shè)計 12 12 還與孔底鉆頭壓力的大 小有關(guān) 。 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 。 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)具有壓力適應(yīng)、速度可調(diào)、調(diào)速范圍大但不頻繁的特點 。 動力頭進(jìn)退的負(fù)載主要由鉆具的重力負(fù)載、摩擦負(fù)載和項緊巖石的軸向負(fù)載 (孔底壓力 )組成 。 孔底壓力由鉆進(jìn)規(guī)程確定，通常是針對不同的巖層性質(zhì)和鉆頭種類為獲得最優(yōu)鉆進(jìn)指標(biāo)而由試驗得到的