【正文】 降低。修復道路 3 年內不準開挖。 課題研究的背景及其意義 據(jù)調查，在 2020 年特大暴雨襲擊了我國多個城市，暴雨過后，積水成澇，出現(xiàn)了“水漫金山”、“城市看?！?、“地鐵觀水簾洞”等現(xiàn)象，然而造成這種現(xiàn)象的主要原因是城市排水管網(wǎng)建設滯后， 排水管道老化。 然而傳統(tǒng)的管線鋪設方法是采用“挖槽埋管法”。并且“挖槽施工”給道路帶來了潛在的安全隱患，給城市居民的生活帶來了巨大的困擾。 非開挖技術（ Trenchless Technology）是指利用各種巖土鉆掘設備和技術手段，在地表最小開挖量的條件下進行地下管線鋪設、更換或修復作業(yè)的一種高科技新技術，國外叫做 TT 技術。實踐證明，在大多數(shù)情況下，尤其是在繁華市區(qū)或管線的深度埋深時，非開挖施工是明挖施工很好的替代方法；在特殊情況下，例如穿越公路、鐵路、河流、 建筑物等時，該項施工方法更是一種經(jīng)濟可行的施工方法。 因而自其進入工程施工市場以來，便日益受到人們的青睞，取得了非常好的經(jīng)濟、社會效益。 非開挖水平定向鉆機（ Horizontal Directional Driller,簡稱 HDD） 作為非開挖技術 中的典型機械施工設備 ，具有節(jié)能環(huán)保、作業(yè)安全、施工準確度高、施工效率高、周期短，管線鋪設長、埋 深大等特點。它被廣泛應用于穿越文物保護區(qū)、鐵路、城市道路、江河、機場、森林保護區(qū)以及鬧市區(qū)等進行 供水、煤氣、電力、電訊、天然氣、石油等管線的修復和鋪設中 ，適用于沙土、粘土、卵石等地質情況，在我國大部分地區(qū)的施工中都在運用，工作環(huán)境溫度是 15℃ — 45℃。 2020 年 4月 16— 17 日在武漢召開的第十五屆中國國際非開挖技術研討會，多個國家的專家都紛紛出席了這次研討會，提出了他們對于這項技術的看法和發(fā)展，充分體現(xiàn)了國家對該項技術的支持。據(jù)調查，目前國外大約有 30 多家非開挖水平鉆機的制造商，主要集中在美國、日本、德國等幾發(fā)達國家，生產廠家主要有 威 猛 公 司 、溝神公司、奧格公司、 凱 斯 公 司等。具體表現(xiàn)在：中小型水平定向鉆機采用橡膠履帶底盤，減少對草坪和路面的損壞，鉆桿自動裝卸裝置、減少操作者的勞動強度；對于大型設備則帶有隨車吊，便于鉆桿的吊裝，提高了工作效率 [5]。國外的非開挖水平鉆機目前正朝著微型化、大型化和超深度導向監(jiān)控、機械自動化和硬巖作業(yè)等方向發(fā)展 [6]。近年來，國內非開挖水平鉆機的產業(yè)也得到迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了大批優(yōu)秀的生產廠家，如北京土行孫、南京地龍、徐工集團、連云港、湖南立威等。雖然在 2020 年發(fā)達 國家受到主權債務危機的影響，導致各國的經(jīng)濟增速均在普遍下滑，但是我國在非開挖行業(yè)確取得了不錯的成績。 圖 歷年來非開挖水平鉆機的新增數(shù)量 非開挖水平鉆機的結構及工作原理 非開挖水平鉆機 其整機主要由動力頭、底盤、鉆架、發(fā)電機系統(tǒng)、鉆桿自動存取裝置、鉆桿自動潤滑裝置、虎鉗、瞄固裝置、鉆具、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及泥漿系統(tǒng)等部件組成。動力頭 能夠產生驅動鉆桿鉆頭回轉，承受鉆進、擴孔、回拖過程的反力。 課題的研究 本課題來源于湖南省自科省市聯(lián)合基金會項目“非開挖水平定向鉆機變型產湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 品關鍵部件的快速設計及疲勞壽命分析”。具體做法如下： （ 1） 通過介紹非 開挖水平鉆機研究背景、意義及現(xiàn)階段國內外的發(fā)展水平，來明確做該課題的意義。 （ 3） 采用傳統(tǒng)的計算方法，對動力頭內部結構的設計及強度校核，分析該結構的合理性。 （ 5） 對該次設計做出總結，提出改進的方法。按其工作類型可分為：鉆孔動力頭、擴孔動力頭、絞孔動力頭、攻絲動力頭、鏜孔動力頭、锪平面動力頭。通過 《 2020 年中國動力頭市場調查研究報告》 分析得出，動力頭在機械設備中的應用遍布全國各地，并且在全國的供應量上每年都處在增長趨勢。 圖 近幾年來動力頭的增長情況 水平定向鉆機中動力頭也是其空中部分的關鍵部件，是整機作業(yè)是提供回轉及給進動作的機械傳 動和執(zhí)行機構，其性能對整機作業(yè)有著直接影響 [8]。 動力頭在結構設計方面的研究有：（ 1）徐成宇通過有限元方法在非開挖鉆機動力頭主軸設計中的應用得出主軸的受力分析情況，分析出了其危險截面，和其改進的措施，對其作用在不同的工作環(huán)境做出了合理性的分析，為后面主軸的設計奠定了基礎 [9]；（ 2）花蓉對動力頭結構進行了詳細的研究，并通過比較國內外不同型號的水平定向鉆機，總結了動力頭的驅動方式以及進給機構的給進方式，并分析了它們的優(yōu)缺點，為后人對動 力頭設計做了一定的理論參考 [10]。 動力頭液壓系統(tǒng)方面的研究：（ 1）韓宇通過比較動力頭各種液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點，確定了變量泵和變量馬達容積調速的設計方案，在負載、液壓泵、液壓馬達湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 和發(fā)動機間的參數(shù)匹配問題中做出了詳細的研究，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)與發(fā)動機之間良好匹配，提高了發(fā)動機功率利用率和液壓系統(tǒng)的傳動效率 [12]。（ 3）李根營通過給出動力頭最大回轉扭矩的算法和液壓系統(tǒng)的參數(shù)確定，為我們以后適用不同地質的水平鉆機動力頭的計算提供了有效的理論指導 [14]。根據(jù)它的最大回拖力和最大扭矩，我們可以將非開挖水平鉆機分成大型、中型、小型和三中類型。 表 2— 1 鉆機的分類與應用 分類 小型 中型 大型 最大推拉力（ KN） ＜ 100 100— 450 ＞ 450 最大扭矩（ ） ＜ 3 3— 30 ＞ 30 功率（ kW） ＜ 100 100— 180 ＞ 180 鉆桿長度（ m） — — — 鋪管直徑（ mm） 50— 350 350— 600 600— 1200 鋪管長度（ m） ＜ 300 300— 600 600— 1500 鋪管深度（ m） ＜ 6 6— 15 ＞ 15 %%%大型中型小型 圖 2020 年各種型號水平定向鉆機的增長比例 動力頭方案對比與選擇 水平定向鉆機動力頭結構分成動力回轉系統(tǒng)和動力推拉系統(tǒng)，其系統(tǒng)具體結構框架如圖 所示。其傳動方式主要有鏈傳動和齒輪傳動。然而相對于鏈 傳動，齒輪傳動的優(yōu)點是輸出扭矩大、壽面長、平衡性好等，因此在動力頭回轉系統(tǒng)中，絕大多數(shù)商家都采用了齒輪傳動 [17]。此種驅動方式結構簡單、傳動效率高，但中間無液力轉換機構，受液壓馬達型號的限制，僅局限在用于小型鉆機中。 （ 2）液壓馬達經(jīng)齒輪減速箱減速驅動 這種方式通常選用低速大扭 矩液壓馬達經(jīng)齒輪減速箱將動力傳遞到主軸。所選液壓馬達的布置很靈活，可以布置在齒輪箱的同側分布、異側對稱分布、也可以繞輸出軸成扇形或環(huán)形的布置。此種驅動方式應用非常普遍，市場占有率很大，如國產的 XZ280，驅動連接方式如圖 所示。此種驅動方式能夠提供較寬的轉速范圍，但是整體結構較大，能力傳遞環(huán)節(jié)多，效率不高。 經(jīng)過動力頭回轉系統(tǒng)的三種驅動方式的優(yōu)缺點對比，并且結合現(xiàn)在市場的需求能力，我選用動力頭回轉系統(tǒng)為齒輪傳動里面的液壓馬達經(jīng)齒輪減速箱減速驅動的方式。單液壓馬達放置在齒輪減速箱前端或后端，如圖 所示，這種形式一般適用在所需回轉扭矩較小的情況下；雙液壓馬達對稱布置在齒輪減速箱兩側，如圖 所示 ，這種方式兩個液壓馬達同軸驅動主動齒輪，傳動扭矩大，同步性高，且由于齒輪箱在動力頭設備的寬度方向可以保持一個較小的結構尺寸，對于動力頭寬度結構尺寸的設計要求更容易滿足，但對主動齒輪的強度要求高；液壓馬達在減速箱上同側并排放置，如圖 所示，使用這種方式動力頭的結構緊湊，且兩個液壓馬達各自有主動齒輪，對主動齒輪的強度要求有所減低，但是兩個對于安裝精度要求高，在進行總體設計時要考慮到總寬度不要超出設計要求；四液壓馬達對稱布置在減速箱的兩側，這種分布方式結合了雙液壓馬達同側和異側布置馬達的優(yōu)點，且給動力頭提供 了充足的動力，因此選用四液壓馬達對稱分布在減速箱兩側的齒輪傳動的動力頭驅動系統(tǒng)，如圖 所示。目前國內外動力頭推拉系統(tǒng)的形式有三中，分別為 :（ 1）液壓油缸推拉式，此種方法機構簡單，無其它中間傳動元件，成本低，但是油缸活塞 桿伸出較長時容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；（ 2）液壓馬達 — 鏈輪鏈條推拉方式，該方式屬于鏈傳動，結構緊湊成本較低，能夠吸收震動，適用范圍廣泛，但其鏈條易磨損、易松弛和易生銹；（ 3）液壓馬達 — 齒輪齒條推拉方式，此種方式承載能力強，傳動平穩(wěn)、但加工精度高，成本大，故適用于較大噸位的水平定向鉆機的運用。因而實際工程中大多情況采用經(jīng)驗估算 法來計算回拖力，估算的結果由于受到到一些實際因素、使用的方法和施工經(jīng)驗的不同影響而存在較大的差異 [18]。本文主要根據(jù)凈浮力計算方法來進行最大回拖力的計算。 凈浮力算法的基本思路是：穿越管段在孔道內僅受到重力和泥漿浮力的作用?；竟綖椋? m ax o f mP P f LT ?? 對于鋼質油氣管道，忽略不計外防腐層的厚度和重量，則： 20 0 04( )4f s mP P D r D r? ??? ? ? ? 故 2m a x 0 04( )4 s m mT D r D r f L? ??? ? ? 式中： fP — 單位長度穿越管段在孔內所受到的浮力 (KNm ）； mf — 綜合摩擦系數(shù)（無量綱，一般取 — ） ，取 ； ? — 穿越管段的壁厚，取值 300mm，即 ； sr — 鋼材重量（ m） mr — 孔內泥漿土混合液容量（ — 3KNm）， 取 m； 0D — 鋪管直徑，取值為 600mm，即 ； L— 鋪設管線的長度，取值為 500m。 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 （ 1）鉆桿摩擦阻力矩計算： 鉆桿在孔穴內所受到的阻力矩可以看成是單位長度上的摩擦力矩沿鉆桿軸線方向上的一次積分。 根 據(jù)文獻 [45t]鉆桿摩擦阻力矩具體計算公式： 21 2T r Lf?? 式中 ： 1T — 鉆桿最大摩擦阻力矩； r — 的回轉半徑，取值為 73/2mm，即 L — 長度，取值為 400m f — 阻力，取值為 1kN/m2 代入數(shù)據(jù)可以求出鉆桿在土壤中回轉時的最大摩擦阻力矩 1 ? 。 根據(jù)公式，代入數(shù)據(jù)，可以求得水平定向鉆機在硬 堅硬粘土中回拖作業(yè)時受到的刀盤阻力矩 2 ? 表 31 各種地質中土壤的抗剪強度 地質類型 f? （ kN/m2） 地質類型 f? （ kN/m2） 致密砂層 4047 粉砂層、淤積層 235 中等致密砂層 2403 軟 硬粘土 368 砂礫石層 5275 硬 堅硬粘土 1782 軟巖、 固結土 10069 松散砂層 1063 （ 3）最大回轉扭矩 動力頭的回轉扭矩為在一定安全系數(shù)的前提下鉆桿摩擦阻力矩與刀盤阻力矩之和，具體公式如下： ? ?12T K T T?? 式中： T— 動力頭的最大回轉扭矩 1T — 鉆桿摩擦阻力矩， 2T — 刀盤阻力矩， 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 K— 系數(shù) ， 可取 — 代入數(shù)據(jù)，可以求得動力頭的最大回轉扭矩為 。因此，本次設計的水平定向鉆機動力頭參 數(shù)如表 32。根據(jù)最大回轉扭矩等數(shù)據(jù)可以求得單個液壓馬達的輸出扭矩，計算公式如下： 0 4rrTT i?? 式中： 0T — 液壓馬達的輸出扭矩 T — 最大回轉扭矩， T = ri — 的傳動比， ? r? — 為 ? ? 代入數(shù)據(jù)求得單個馬達的輸出扭矩 0 ? 根據(jù)液壓馬達的輸出軸扭矩，可以計算馬達的排量，具體計算公式如下： 02gmmTV p??? 式中： gV — 的排量 0T — 液壓馬達的輸出扭矩， 0 ? mp — 的工作壓力， 17MPamp ? m? — 效率， ? ? 湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 代入數(shù)據(jù)求得馬達的排量 ? 由于動力頭的最高轉速度為 r150min ,，折算到液壓馬達輸出軸上的轉速為1 5 0 2 .4 3 3 6 4 .5 / m innr? ? ? ，即液壓馬達的最高轉速不應低于 r370 min 。液壓馬達的常用類型有：齒輪馬 達、柱塞馬達、擺線馬達、多作用內曲線馬達、五星馬達等。故選用 BM4W— 320 型擺線液壓馬達，技術參數(shù)表 3— 3所示： 表 3— 3 BM4W— 320 型擺線液壓馬達技術參數(shù) 型號 排量 ml/r 最大壓降 Mpa 最大扭矩 轉速 r/min 流量 L/min 功率 KW 重量 Kg 連續(xù) 尖峰 連續(xù) 尖峰 BW4W320 20 28 902 1322 7 —380 125 發(fā)動機選型與計算 根據(jù)馬達輸出功率的計算公式： 9549TnP? 式中： T— 馬達輸出扭矩； n— 馬達轉速； 對于動力頭回轉系統(tǒng)，馬達的計算用動力頭老替代，可以得到回轉系統(tǒng)所需要的出 入功率，即 m ax N .mTT?? ， r150 minn? ,回轉系統(tǒng)總效率 ? = 則 1 9549TnP ??=174KW。 由于水平定向鉆機在工作時是由泥漿泵和動力頭液壓驅動系統(tǒng)聯(lián)合工作，故考慮湘潭大 學本科畢業(yè)設計說明書 到泥漿泵的需要，發(fā)動機選用重慶康明斯 NTA855— GA，該發(fā)動機的計算參數(shù)如表