液压钻机的液压系统设计设计

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 Abstract Horizontal Directional Drill pipe laying technology is currently the most widely used technique for trenchless pipe-laying can be used across the roads, rivers, buildings, obstacles such as laying pipelines, with a fast, efficient, without damaging the environment and highlight the advantages of traffic. Infrastructure construction in China today in full swing environment, have broad market prospects. At present, the comparison with foreign advanced level of research and development of horizontal directional drilling, drilling rig in China is still in a backward R & D levels, accelerate research and development of horizontal directional drilling has obvious social significance and economic significance. Drilling machine hydraulic system is directly responsible for the control and transmission system, directly affect the system performance is the key technology of drilling rig. This paper describes the design of the hydraulic system of horizontal directional drilling process. First, more detailed description of the horizontal directional cobalt machine works, the performance indicators, design parameters, structure, and analyzes the various agencies working conditions and load conditions, for the next design of the hydraulic system design basis. Then the previous results of the analysis of the hydraulic system design, and a reasonable choice of hydraulic components of each subsystem, and finally, checking the performance of the hydraulic system. This design allows the hydraulic system of the engine - hydraulic system's performance to good condition, engine power utilization, rig hydraulic system transmission efficiency and higher operating efficiency. Key words: horizontal directional drilling; hydraulic system design; hydraulic component selection; performance calculation 目录 I摘 要 IIAbstract 11. 绪论 11. 1水平定向钻进铺管技术简介 11. 1. 1非开挖技术简介 11. 1. 2水平定向钻进铺管技术简介 21. 2国内外水平定向钻机研发现状和发展 21. 2. 1国外水平定向钻机的研发现状 21. 2. 2国内HDD现状 31. 3水平定向钻机液压系统 31. 3. 1水平定向钻机液压系统简介 41. 3. 2钻机液压系统的发展现状和趋势 41. 4课题背景及论文主要工作内容 41. 4. 1课题背景及来源 51. 4. 2论文主要内容及各章安排 62. 钻机结构及液压系统工况分析 62. 1水平定向钻机的工作原理 62. 1. 1水平定向钻进铺管过程 72. 1. 2钻孔钻进原理 82. 2水平定向钻机的结构特点 82. 2. 1钻机的主要设计参数 102. 2. 2钻机结构的主要组成部分 112. 3钻机液压系统工况分析 112. 3. 1钻杆旋转工况分析 122. 3. 2动力头进退工况分析 132. 3. 3钻具夹紧及拧卸回路工况分析 132. 3. 4履带行走系统工况分析 142. 3. 5支腿支撑回路工况分析 142. 4本章小结 163. 钻机液压系统设计 163.1液压系统的构成和工作原理 173. 2发动机选型和计算 193. 3各液压子系统设计及液压元件选择 193. 3. 1动力头回转系统设计及液压元件选择 213. 3. 2动力头推拉系统设计及液压元件选择 223. 3. 3 泥浆系统设计及液压元件选择 223. 3. 4其他液压元件的选择 254. 液压系统的性能验算 254. 1液压系统压力损失 264. 2液压系统的发热温升计算 264. 2. 1计算液压系统的发热功率 274. 2. 2 计算液压系统的散热功率 284. 2. 3计算油箱散热量 294. 3 计算液压系统冲击力 315. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与展望 315. 1研究总结 315. 2研究展望 34参考文献 36致谢 37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 412 液压元件故障诊断和排除 47附录二、译文 1. 绪论 1. 1水平定向钻进铺管技术简介 1. 1. 1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。 1. 1. 2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50-450mm。 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。 1. 2国内外水平定向钻机研发现状和发展 1. 2. 1国外水平定向钻机的研发现状 水平定向钻机(HDD，Horizontal Directional Drill)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DITCH WITCH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。 1. 2. 2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1.1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1.1水平定向钻机的基本外形 1. 3水平定向钻机液压系统 1. 3. 1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· 1. 3. 2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。 1. 4课题背景及论文主要工作内容 1. 4. 1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。 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。 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2.1是导向孔钻进过程的示意图。 图2.l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2.2是扩孔器回拖扩孔的示意图 图2.2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2.3是回拖铺管过程的示意图。 图2.3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2.4所示)。 图2.4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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、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2.1为管径和钻孔长度的钻机功率配备选择对照表。表2.2是钻机的主要参数。 表2.1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/(KNm) 3 6 12 18 33 50 60 70 80以上 表2.2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 100-110 1200-1800 转速/（r/min） 0-200 0-80 钻孔长度/m 20-50 1500-2300 转矩（kNm） 0.25-0.50 120-184 推/拉力/kN 10-15 4000-6000 功率/kW 13-16.4 560-2×560 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，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，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： （2.1） 式中：F为总回拖力(KN)；为管道的端面阻力(KN)；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。 (2.2) (2.3) (2.4) 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(v'=tan((b/2);为管与土之间的粘着力(KPa)；为土仓内的压力(KPa)。为掘进所处土层的主动土压力(KPa)；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2.3修正系数表 土质 软土 沙性土 砾石土 1.5 2.0 3.0 综合上述各式得： (2.5) 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。 2. 3. 3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。 2. 3. 4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。 （2.6） 式中：—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。 2. 3. 5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。 2. 4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。 此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩 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 3.1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3.1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，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3.1 45t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 7.5m/min 动力头最高回转速度 130r/min 3. 2发动机选型和计算 根据马达输出功率的计算公式： （3.1） 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=20kNm，此时的回转速度n=40r/min，回转系统 总效率=0.63。 由式3.1， 回转系统最大输入功率: 根据运动学上功率的定义，可以计算出动力头推拉系统所需的输入功率： P=Fv (3.2) 动力头最大推拉力 ，此时的推进速度v=7.5m/min，推拉系统总效率 =0.57。 由式3.2，推拉系统最大输入功率: 综上所述，动力头液压驱动系统所需的输入功率 水平定向钻机作业时，泥浆泵与动力头液压驱动系统联合工作。考虑到泥浆泵的 需要，发动机选用重庆康明斯NTA-855-C型发动机。 图3.2重庆康明斯NTA-855-C型发动机的外特性曲线 康明斯NTA-855-C型发动机的额定转速为2100r/min，此时的输出扭矩为1356Nm，输出功率为298kW。 3. 3各液压子系统设计及液压元件选择 3. 3. 1动力头回转系统设计及液压元件选择 动力头回转系统采用采用单泵+双马达+减速机的驱动形式。 (1)液压马达 变量马达有多种结构形式，与斜盘式轴向柱塞马达相比，斜轴式马达在耐冲击、容积效率、机械效率、功率密度等方面均高于前者，在启动性能方面也具有明显优势。 为保证系统正常运转和泵的使用寿命，系统正常的工作压力为泵的额定压力的60％~80％之间，约为24~32MPa。钻机在这一压力范围内工作，可以提高元件的使用寿命。当负载增大时，若不改变马达排量，也可以通过提高系统供油压力，增大液压马达输出扭矩。由于压力变化范围较大，所以系统的适应性很强。 动力头的最大回转扭矩为=20kNm，最高回转速度为130r/min，显然需要减速机，选用Sumer-NR350二级减速机，减速比为 ，额定输出扭矩8kNm，传动效率为=0.96。 动力头由两个相同的液压马达共同驱动，单个液压马达的输出扭矩为： 马达的工作压力 ，机械效率=0.95，由液压马达的输出轴扭矩推算，可以得到马达的排量： 动力头的最高回转速度为130r/min，折算到液压马达输出轴上的转速为n=130×31.5=4095r/min，即液压马达的最高转速不应低于4100 r/min。 由上述计算可知，系统额定压力为40MPa，马达最大输出扭矩时的工作压力取28MPa，排量为78.1mL，最大输出扭矩为330.7Nm，最高转速为4100 r/min。 液压马达选用力士乐公司生产的A6VM80斜轴式柱塞马达，该变量马达的技术 参数如表3.2所示。 表3.2力士乐A6VM80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 (kg) 80 40 45 312 6150 509 34 (2) 液压泵 由于斜轴式轴向柱塞泵不能通轴驱动，所以不宜在闭式液压系统中使用，在这里 选用斜盘式轴向柱塞泵。 动力头的最高回转速度为130r/min，折合到马达输出轴上的转速为 。为保证液压系统的效率不至于过低，液压马达的排量比不应小于0.3。动力头由两个液压马达驱动，故系统流量为： 当负载扭矩变大时，动力头回转速度降低。为保证作业效率，参照其它同种规格水平定向钻机的技术参数，动力头回转速度不应低于40r/min，折合到马达输出轴上的转速为=1260r/min，此时马达在大排量下工作。这里以全排量来计算系统流量： 对于动力头回转液压系统来说：负载扭矩减小，系统压力降低，马达排量减小，回转速度增大，钻进速度加快；负载扭矩增大时情况相反。由计算得到的、可以看出，系统的流量变化不大。系统在中高压下工作，取泄漏系数K=1.2，故液压泵的流量不应小于242L/min。发动机的额定转速为2100 r/min，由此计算出泵的排量为115mL。 由计算所得到的排量和系统工作压力，选择力士乐A4VGl25斜盘式轴向柱塞泵,该泵自带补油泵，可通轴驱动，技术参数如表3.3所示。 表3.3力士乐A4VGl25斜盘式轴向柱塞泵技术参数 排量/mL 额定压力 (Mpa) 最大压力 (Mpa) 最高转速 (r/min) 最大流量 (L/min) 最大扭矩 (Nm) 变量泵 辅助泵 125 28.3 40 45 2850 356 795 3. 3. 2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Sumer-NR350三级减速机，减速比 ，额定输出扭矩8.8kNm，驱动 半径为r=0.092m。 动力头最大推拉力F=450kN，最大推拉力时的运动速度为v=7.5m/min。 动力头推进力的计算公式： （3.3） 式中，——单马达输出扭矩； ——减速机的效率，取0.94； ——链传动的机械效率，取0.92; 马达的工作压力 ，机械效率=0.95。 由式3.3，马达的排量: 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3.4所示。 表3.4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 (kg) 54.8 40 45 244 7000 349 26 3. 3. 3 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： (3.4) 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2~5之间，根据地质条件的不同而选择，如：在粘 性土壤中取2～3，而在砂石或泥浆漏失严重的地质取4~5。 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YWB-450/320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95.7mL/r。可以选择萨奥的95.7mL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。 3. 3. 4其他液压元件的选择 1） 溢流阀 由上述3. 3. 1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： (3.5) 式中液压缸负载力F=450kN，工作压力p=28MPa，可得D=45.2mm，据GB 2348-93取D=45mm。 活塞杆直径计算公式为： (3.6) 表3.5速度比的选择 压力MPa 10 12.5~20 20 速度比 1.33 1.36~2 2 取=2，可算得d=31.8。据GB 2348-93,选取d=32mm； 液压缸壁厚计算公式为 (3.7) 可算得=4.3mm。 外径 取 。 3） 油箱 容量 (单位为L)的计算公式为: V＝aqv (3.8) 由于是高压系统，a=10。所以油箱的容量V=196.5610=1965.6L按JB/T7938-1999规定容积取标准值V=2000L。油箱长、宽、高之比为1：（1-2）：（1-3），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系列箱外自封式吸油过滤器中的LXZ-250*F-CY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 (3.9) (3.10) (3.11) 可算得内径d=10.4mm，壁厚=2.2mm，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 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 4. 1液压系统压力损失 压力损失包括管路的沿程损失Δp1，管路的局部压力损失Δp2和阀类元件的局部损失Δp3，总的压力损失为 Δp＝Δp1＋Δp2＋Δp3 （4.1） ， 式中 l——管道的长度(m)； d——管道内径(m)；v——液流平均速度(v/s)； ρ——油密度(kg/m3)；λ——沿程阻力系数； ζ——局部阻力系数。λ、ζ的具体值可参考液压流体力学有关内容。 qn——阀的额定流量(m3／s)；q——通过阀的实际流量(m3／s)； Δpn——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Δp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 pT≥pl＋Δp 式中 pT——液压泵的工作压力或支路的调整压力。 4. 2液压系统的发热温升计算 4. 2. 1计算液压系统的发热功率 液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。液压系统的功率损失主要有以下几种形式： ⑴液压泵的功率损失 （4.2） 式中 Tt——工作循环周期(s)；z——投入工作液压泵的台数； pri——液压泵的输入功率(W);ηPi——各台液压泵的总效率； ti——第i台泵工作时间(s)。 ⑵液压执行元件的功率损失 （4.3） 式中 M——液压执行元件的数量；Prj——液压执行元件的输人功率(W)； ηj——液压执行元件的效率；tj——第j个执行元件工作时间(s)。 ⑶溢流阀的功率损失 Ph3＝pyqy （4.4） 式中 py——溢流阀的调整压力(Pa)；qy——经溢流阀流回油箱的流量(m3/s)。 (4)油液流经阀或管路的功率损失 Ph4＝Δpq （4.5） 式中 Δp——通过阀或管路的压力损失(Pa)；q——通过阀或管路的流量(m3/s)。 由以上各种损失构成了整个系统的功率损失，即液压系统的发热功率 Phr＝Phl＋Ph2＋Ph3＋Ph4 （4.6） 上式适用于回路比较简单的液压系统，对于复杂系统，由于功率损失的环节太多，一一计算较麻烦，通常用下式计算液压系统的发热功率 Phr＝Pr—Pc （4.7） 式中Pr是液压系统的总输入功率，Pc是输出的有效功率。 （4.8） （4.9） 式中 Tt——工作周期(s)； z、n、m——分别为液压泵、液压缸、液压马达的数量； pi、qi、ηPi——第i台泵的实际输出压力、流量、效率； ti——第i台泵工作时间(s)； TWj、ωj、tj——液压马达的外载转矩、转速、工作时间(N·m、rad/s、s)； FWi、si——液压缸外载荷及驱动此载荷的行程(N、m)。 4. 2. 2 计算液压系统的散热功率 液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果系统外接管路较长，而且计算发热功率时，也应考虑管路表面散热。 Phc＝(K1Al＋K2A2)ΔT （4.10） 式中 K1——油箱散热系数，见表4.1； K2——管路散热系数，见表4.2； Al、A2——分别为油箱、管道的散热面积(m2)； T——油温与环境温度之差(℃)。若系统达到热平衡，则Phr＝Phc，油温不再升高，此时，最大温差 （4.11） 环境温度为T0，则油温T＝T0＋ΔT。如果计算出的油温超过该液压设备允许的最高油温，就要设法增大散热面积，如果油箱的散热面积不能加大，或加大一些也无济于事时，则需要装设冷却器。冷却器的散热面积为 （4.12） 式中，K——冷却器的散热系数，见液压设计手册有关散热器的散热系数； Δtm—平均温升(℃)； （4.13） T1、T2——液压油入口和出口温度；tl、t2——冷却水或风的入口和出口温度。 表4.1 油箱散热系数 （W/( )) 冷却条件 通风条件很差 8~9 通风条件良好 15~17 用风扇冷却 23 循环水强制冷却 110~170 表4.2 管道散热系数 风速/ 管道外径/m 0.01 0.05 0.1 0 8 6 5 1 25 14 10 5 69 40 23 4. 2. 3计算油箱散热量 最大温差AT是在初步确定油箱容积的情况下，验算其散热面积是否满足要求。当系统的发热量求出之后，可根据散热的要求确定油箱的容量。 由ΔT公式可得油箱的散热面积为 （4.14） 如不考虑管路的散热，上式可简化为 （4.15） 油箱主要设计参数如图1所示。一般油面的高度为油箱高h的0.8倍，与油直接接触的表面算全散热面，与油不直接接触的表面算半散热面，图示油箱的有效容积和散热面积分别为 V＝0.8abh Al＝1.8h(a＋b)＋1.5ab 若Al求出，再根据结构要求确定a、b、h的比例关系，即可确定油箱的主要结构尺寸。 如按散热要求求出的油箱容积过大，远超出用油量的需要，且又受空间尺寸的限制，则应适当缩小油箱尺寸，增设其他散热措施。 图4.1 油箱结构尺寸 4. 3 计算液压系统冲击力 压力冲击是由于管道液流速度急剧改变或管道液流方向急剧改变而形成的。例如液压执行元件在高速运动中突然停止，换向阀的迅速开启和关闭，都会产生高于静态值的冲击压力。它不仅伴随产生振动和噪声，而且会因过高的冲击压力而使管路、液压元件遭到破坏；对系统影响较大的压力冲击常为以下两种形式： ⑴当迅速打开或关闭液流通路时，在系统中产生的冲击压力。 直接冲击，即t＜τ时，管道内压力增大值 Δp＝acρΔv 间接冲击(即t＞τ)时，管道内压力增大值 式中 ρ——液体密度(kg/m3)；Δv——关闭或开启液流通道前后管道内流速之差(m/s)；t——关闭或打开液流通道的时间(s)；τ＝2l/ac——管道长度为l时，冲击波往返所需的时间(s)；ac——管道内液流中冲击波的传播速度(m/s)。 若不考虑粘性和管径变化的影响，冲击波在管内的传播速度 （4.15） 式中 E0——液压油的体积弹性模量(Pa)，其推荐值为E0＝700MPa；δ、d——管道的壁厚和内径(m)；E——管道材料的弹性模量(Pa)，常用管道材料弹性模量：钢E＝2.1×1011Pa，紫铜E＝1.18×1011Pa。 ⑵急剧改变液压缸运动速度时，由于液体及运动机构的惯性作用而引起的压力冲击，其压力的增大值为 （4.16） 式中 li——液流第i段管道的长度(m)；Ai——第i段管道的截面积(m2)； A——液压缸活塞面积(m2)；M——与活塞连动的运动部件质量(kg)； Δv——液压缸的速度变化量(m/s)；t——液压缸速度变化Δv所需时间(s)。 计算出冲击压力后，此压力与管道的静态压力之和即为此时管道的实际压力。实际压力若比初始设计压力大得多时，要重新校核一下相应部位管道的强度及阀件的承压能力，如不满足，要重新调整。 5. 总结与展望 5. 1研究总结 水平定向钻机铺管技术是非开挖技术中重要的一种技术，能够妥善解困扰我们多年的所谓“城市拉链”问题，特别是基础建设如火如荼的当今中国有着极大的市场前景。液压系统技术是钻机的核心技术之一，直接影响到整机的各项性能，在当前能源日趋紧张，强调科技以人为本的今天，以提高系统节能性和钻机操纵性能为目标的液压系统设计的研究有着明显的社会意义和经济效益。 本文主要参照其他工程机械液压系统，以及国外水平定向钻机的液压系统，通过综合分析钻机的机构特点、动作原理、工况分析，在原机液压系统的基础上，对其液压系统进行全面的设计。 首先，分析了水平定向钻机铺管作业的过程，主要分导向孔钻进，回拉扩孔、回拉铺设管道三个阶段。并通过分析得出，在水平定向钻机工作过程中，钻杆旋转以及动力头行走是系统完成工作的关键机构。除了这两个关键机构以外，为配合机器工作，整机还很多辅助机构如大梁支撑机构、泥浆泵等机构。在设计液压系统以前，分别对各主要机构的负载情况和工况作了比较详尽的分析，对最大钻进／回拖力等参数指标给出比较具体的计算，对机构设计和液压系统设计都具有指导意义。根据工况分析的结果，进行液压系统的设计、液压元件的选择、液压系统性能的验算，每一个步骤都必须踏踏实实的完成。 在现代液压系统设计中，为了满足系统日益复杂的动作要求，不断提高系统的控制精度和系统的柔性化，仅仅采用传统的能够完成执行机构预定动作循环和满足系统静态性能要求的系统设计是远远不够的，因此还必须对液压系统特别是系统的关键环节回路做动态性能分析。了解和掌握液压系统工作过程中动态工作特性和参数变化，以便进一步改进和完善液压系统，提高系统的动态响应特性和可靠性等各项性能。 5. 2研究展望 目前，在我国大力推行基础设施建设的大环境下，国内市场对包括水平定向钻机的工程机械类产品保有很大的需求，并且在可预见的未来没有缩减的趋势。国内的一些工程机械厂家如徐工集团、三一重工等也投入较大的人力物力进行新产品的研发，取得可喜的成果。但是由于经验积累的不足等原因，离世界先进水平还存在相当的差距，作为国内的[程技术研究人员，感觉到巨大的责任与压力的同时，也感受到大有可为的欣喜。参考国外水平定向钻机的研究方向以及其他同类工程机械设备的发展趋势和方向．以下提出几点作为今后国内水平定向钻机液压系统研究的展望： 1、钻机的智能化 本文在节能控制之中，大量地采用了电液比例控制技术，取得了良好的使用效果，而且控制参数调整简便，大大地提高机器的操纵性能和自动化程度。为了进一步提高机器的智能化水平，可以在系统地各个部位设置大量的传感器，包括压力传感器、转速传感器、液压泵排量传感器、位移传感器等，能有效地监控水平定向钻机的运行过程。凭借这些技术手段，可以对水平定向钻机的智能控制作进一步研究。 2、控制系统的总线化 随着机电一体化技术在工程机械上的应用日益广泛，对电气控制设备和线路的可靠性要求也越来越高。繁杂的电气布线对机一电—液一体化技术的可靠性有很大影响。解决这一问题的最好方案是采用嵌入式计算机控制技术和现场总线技术．采用现场总线，可以简化个传感器与控制器之间的连接，而且能对传感器的故障进行诊断．为此，需要研究传感器、控制器的总线接口技术． 3、柴油机电控 目前上水平定向钻机上所用的柴油机仍然使用全程式机械调速器，由油门执行器控制转速的设定。如果执行器的响应速度足够快，则完全可以不用全程式机械调速器，而只需要安装简单的双速调速器，用执行器来自动调节喷油器已完成全程速度控制，这种改装在挖掘机上具有较好的前景。因此，高精度、响应快的执行器是完成这种改装的关键，能使柴油机的性能接近或达到国外先进水平． 4、液压元件的开发 这是制约我国工程机械发展的“瓶颈”。尽管液压元件的生产受到国内技术水平的限制，但其结构尺寸的设计却可以通过试验来优化。目前，工程机械的各种控制回路应用日趋广泛，而相应的国产元件如液压泵和多路阀却没有开发出来，因此在在液压元件的设计上还是有很大番作为的。 5、先进液压系统仿真软件的研制 随着对液压系统的性能要求的日益提高，系统的动态特性将会在未来发挥越来越重要的作用，国外已经有比较成熟的液压仿真软件，有强大的数据库支持，对指导液压设计有相当大的帮助，而这一点我国的工程技术人员还没有投入足够的重视，希望在不久的将来能够看到中国自己的液压仿真软件，拥有强大的数据库建模工具，完善的仿真算法以及科学的优化算法，进一步推动液压系统设计事业向前发展。 最后，我们完全有利用相信，靠着勤劳、善良、智慧的中国人民特别一批优秀的机械工程技术人员的不断努力、开拓创新，在不远的将来，我们国家在水平定向钻机以及其他的工程机械水平定将取得长足的进步从而比肩所有国际先进水平之列！ 参考文献 [1]王智明，马保松，索忠伟．钻孔与非开挖机械[M].化学工业出版社2006.7；2-4. 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[25] Wu MC，Tung PC，Hsieh TY．Improvement of the horizontal directional drilling method by using an autonomous land vehicle with a radio direction finding system[J]．Automation in Construction，2002，(11)：75-88. 致谢 本学位论文是在导师李实老师的悉心指导下完成的．在本课题的研究和论文的撰写过程中，李老师自始至终对我细心指导，提出了许多宝贵 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 和建议，使我的课题进展比较顺利，让我受益匪浅。李老师的一丝不苟的工作作风、渊博的学识、严于律己而宽大待人的品德，令我难以忘记，并必将成为我以后的工作和学习中的榜样． 在毕业设计的过程期间，还得到班上同学很大的帮助，在此我向他们表示谢意! 最后，我还要感谢我的家人，感谢他们多年来对我全部的关心、支持和帮助! 附录 附录一、液压系统常见故障分析与排除 1 液压系统故障诊断和排除 压力不正常的故障分析和排除 表1 故障现象 故障分析 排除方法 没有压力 1.油泵吸不进油液 2.油液全部从溢流阀溢回油箱 3.液压泵装配不当，泵不工作 4.泵的定向控制装置位置错误 5.液压泵损坏 6.泵的驱动装置扭断 1.油箱加油、换过滤器等 2.调整溢流阀 3.修理或更换 4.检查控制装置线路 5.更换或修理 6.更换、调整联轴器 压力偏低 1. 减压阀或溢流阀设定值过低 2. 减压阀或溢流阀损坏 3. 油箱液面低 4. 泵转速过低 5. 泵、马达、液压缸损坏、内泻大 6. 回路或油路块设计有误 1. 重新调整 2. 修理或更换 3. 加油至标定高度 4. 检查原动机及控制 5. 修理或更换 6. 重新设计、修改 压力不稳定 1. 油液中有空气 2. 溢流阀内部磨损 3. 蓄能器有缺陷或失掉压力 4. 泵、马达、液压缸磨损 5. 油液被污染 1. 排气、堵漏、加油 2. 修理或更换 3. 更换或修理 4. 修理或更换 5. 冲洗、换油 压力过高 1. 溢流阀、减压阀或卸荷阀失调 2. 变量泵的变量机构不工作 3. 溢流阀、减压阀或卸荷阀损坏或堵塞 1. 重新设定调整 2. 修理或更换 3. 更换、修理或清洗 流量不正常的故障分析和排除 表2 故障现象 故障分析 排除方法 没有流量 1. 参考表4.1没有压力时的分析 2. 换向阀的电磁铁松动、线圈短路 3. 油液被污染，阀芯卡住 4. M、H型机能滑阀未换向 更换或修理 冲洗、换油 流量过小 1. 流量控制装置调整太低 2. 溢流阀或卸荷阀压力调得太低 3. 旁路控制阀关闭不严 4. 泵的容积效率下降 5. 系统内泄漏严重 6. 变量泵正常调节无效 7. 管路沿程损失过大 8. 泵、阀、缸及其他原件磨损 1.调高 2.调高 3.更换阀、查控制线路 4.换新泵、排气 5.紧联接、换密封 6.修理或更换 7.增大管径、提高压力 8.更换或修理 流量过大 1. 流量控制装置调整过高 2. 变量泵正常调节无效 3. 泵的型号和电动机转数不符 调低 修理或更换 液压冲击大的故障分析和排除 表3 故障现象 故障分析 排斥方法 换向阀换向冲击 换向时，液流突然被切断，由于惯性作 用使油液受到瞬间压缩，产生很高的压 力峰值 调长换向时间 采用开节流三角槽或锥角 的阀芯 液压缸、液压马达 突然被制动时的 液压冲击 液压缸、液压马达运动时，具有很大的 动量和惯性，突然被制动，引起较大的 压力峰值 液压缸、液压马达进出油口处 分别设置反应块、灵敏度高的 小型溢流阀 在液压缸、液压马达附近安装 囊式蓄能器 适当提高系统背压或减少系统 压力 噪声过大的故障分析和排除 表4 故障现象 故障分析 排除方法 泵噪声 泵内有气 1. 油液温度太低或粘度太 高 2. 吸入管太长、太细、弯 头太多 3. 进油过滤器过小或堵塞 4. 泵离液面太高 5. 辅助泵故障 6. 泵转速太高 加热油液或更换 更改管道设计 更换或清洗 更改泵安装位置 修理或更换 减小到合理转速 油液中有空气 1. 油液选用不合适 2. 油箱中回油管在 液面上 3. 油箱液面太低 4. 进油管接头进入空气 5. 泵轴油封损坏 6. 系统排气不好 更换油液 管伸到液面下 油加至规定范围 更换或紧固接头 更换油封 重新排气 1. 泵磨损或损坏 2. 泵与原动机同轴度低 更换或修理 重新调整 油马达噪声 1. 管接头密封件不良 2. 油马达磨损或损坏 油马达与工作机同轴度太低 换密封件 更换或调整 重新调整 溢流阀尖叫 1. 压力调整过低或与其他阀太近 2. 锥阀、阀座磨损 重新调节、组装或更 换 更换或修理 管道噪声 油流剧烈流动 加粗管道、少用弯头 、采用胶管、采用蓄 能器等 振动过大的故障分析和排除 表5 故障现象 故障分析 排除方法 泵振动 1. 联轴器不大平衡 2. 泵与原动机同轴度低 3. 泵安装不正确 4. 系统内有空气 更换 调整 重新安装 排除空气 管道振动 1. 管道长、固定不良 2. 溢流阀、卸荷阀、液控单向阀、平衡 阀、方向阀等工作不良 增加管夹，加防振垫，并安 装压板 对回路进行检查，在管道的 某一部分装入节流阀 油箱振动 1. 油箱结构不良 2. 泵安装在油箱上 3. 没有防振措施 增厚箱板，在侧板、底板上 增设筋板 泵和电动机单独装在油箱外 底座上。并用软管与油箱联 接 在油箱脚下，泵的底座下增加 防振垫 油温过高的故障分析和排除 表6 故障现象 故障分析 排除方法 油液温度过高 1. 系统压力过高 2. 当阀不需要压力油时，而油仍在溢流 阀的设定压力下溢回油箱。即卸荷回路的 动作不良 3. 蓄能器容量不足或有故障 4. 油液脏或供油不足 5. 油液粘度不对 6. 冷却水供应失灵或风扇失灵 7. 冷却水管道中有沉淀或水垢 8. 油箱的散热面积不足 9. 泵、马达、阀、缸及其他元件磨损 10. 油液阻力过大，如管道的内径和需要 的流量不相适应或者由于阀规格过小，能 量损失过大 11. 附近有热源影响，辐射热大 1. 在满足工作要求条件下，尽量调 低至合适的压力 2. 改进卸荷回路设计；检查电控回 路及相应各阀动作；调低卸荷压力； 高压小流量、低压大流量时，采用 变量泵 3. 换大蓄能器。修理蓄能器 4. 清洗或更换滤油器；加油液至规 定油位 5. 更换合适粘度的油液 6. 检查冷却水系统、更换、修理电 磁水阀；更换、修理风扇 7. 清洗，修理或更换冷却器 8. 改装冷却系统或加大油箱容量 9. 更换已磨损的元件 10. 装置适宜尺寸的管道和阀 11. 采用隔热材料反射板或变更布置 场所；设置通风、冷却装置等。选用 合适的工作油液 液压泵过热 1. 油液温度过高 2. 有气穴现象 3. 油液中有空气 4. 溢流阀或卸荷阀压力调得太高 5. 油液粘度过低或过高 6. 过载 7. 泵磨损或损坏 1. 见“油液温度过高”故障 排除 2. 见表4.4 3. 见表4.4 4. 调整至合适压力 5. 选择适合本系统粘度的油 6. 检查支承与密封状况，检查超出 设计要求的载荷 7. 修理或更换 液压马达过热 1. 油液温度过高 2. 溢流阀、卸荷阀压力调得太高 3. 过载 4. 马达磨损或损坏 1. 见“油液温度过高”故障排除 2. 调至正确压力 3. 检查支承与密封状况，检查超出 设计要求的载荷 4. 修理或更换 溢流阀温度过高 1. 油液温度过高 2. 阀调整错误 3. 阀磨损或损坏 1. 见“油液温度过高”故障排除 2. 调至正确压力 3. 修理或更换 运动不正常故障分析和排除 表7 故障现象 故障分析 排除方法 没有运动 1. 没有油流或压力 2. 方向阀的电磁铁有故障 3. 机械式、电气式或液动式的限位或顺 序装置不工作或调得不对或没有指令信号 4. 液压缸或马达损坏 5. 液控单向阀的外控油路有问题 6. 减压阀、顺序阀的压力过低或过高 7. 机械故障 1. 见表4.1 2. 修理或更换 3. 调整、修复或更换 4. 修复或更换 5. 修理排除 6. 重新调整 7. 查找、修复 运动缓慢 1. 流量不足或系统泄露太大 2. 油液粘度太高 3. 阀的控制压力不够 4. 放大器失调或调得不对 5. 阀芯卡涩 6. 液压缸或马达磨损或损坏 7. 载荷过大 1. 见表4.2 2. 换油液或温度太低 3. 见表4.1 4. 调整修复或更换 5. 清洗、调整或更换 6. 更换或修理 7. 检查、调整 运动过快 1. 流量过大 2. 放大器失调或调得不对 1. 见表4.2 2. 调整修复或更换 运动无规律 1. 压力不正常、无规律变化 2. 油液中混有空气 3. 信号不稳定、反馈失灵 4. 放大器失调或调得不对 5. 润滑不良 6. 阀芯卡涩 7. 液压缸或马达磨损损坏 1. 见表4.1 2. 排气、加油 3. 修理或更换 4. 调整、修复或更换 5. 加润滑油 6. 清洗或换油 7. 修理或更换 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. 油液粘度太高或油液温升太高 1. 改变电动机转向 2. 疏通管道，清洗过滤器， 换新油 3. 检查更换有关零件 4. 紧固各连接处螺钉，避免 泄漏，严防空气混入 5. 正确选用油液，控制温升 噪声严重、压力 波动厉害 1. 吸油管及过滤器堵塞或过滤器容量小 2. 吸油管密封处漏气或油液中有气泡 3. 泵与联轴器不同轴 4. 油位低 5. 油温低或粘度高 6. 泵轴承损坏 7. 供油量波动 8. 油液过脏 1. 清洗过滤器使吸油管通 畅，正确选用过滤器 2. 在连接部位或密封处加点 油，如噪声减小，可拧紧接头 处或更换密封圈；回油管口应 在油面以下，与吸油管要有一 定的距离 3. 调整同轴 4. 加油液 5. 把油液加热到适当的温度 6. 检查泵轴承部分温升 7. 更换或修理辅助泵 8. 冲洗、换油 泵轴颈油封漏油 泄油管道液阻过大，使泵体内压力升高到超过油封许用的耐压值 检查柱塞泵泵体上的泄油口 是否用单独油管直接接通邮 箱。弱发现把几台柱塞泵的 泄漏油管并联在一根同直径 的总管后自再接通油箱，或 者把柱塞泵的泄油管接到 总回油管上，则应予改正。 最好在泵泄油口接一个压力 表，以检查泵体内的压力， 其值应小于0.08MPa 液压缸常见的故障分析和排除 表9 故障现象 故障分析 排除方法 推力不足或工作 速度逐渐下降甚 至停止 1. 液压缸和活塞配合间隙太大或O形密 封件损坏，造成高低压腔互通 2. 由于工作时经常用工作行程的某一段 ，造成液压缸孔径直线性不良（局部有腰 鼓形）致使液压缸两端高低压油互通 3. 缸端油封压得太紧或活塞杆弯曲，使 摩擦力或阻力增加 4. 泄漏过多 5. 油温太高，粘度减小，考间隙密封或 密封质量差的液压缸行速变慢。弱液压缸 两端高低压油腔互通，运行速度逐渐减慢 至停止 1. 单配活塞和液压缸的间隙 或更换O形密封圈 2. 镗磨修复液压缸孔径，单 配活塞 3. 放松油封，以不漏油为 限，校直活塞杆 4. 寻找泄漏部位，紧固各接 合面 5. 分析发热原因，设法散热 降温，如密封间隙过大则单配 活塞或增装密封环 冲击 1. 靠间隙密封的活塞和液压缸间隙过 大，节流阀失去节流作用 2. 端头缓冲的单向阀失灵，缓冲不起作 用 1. 按规定配活塞与液压缸之 间的间隙，减少泄漏现象 2. 修正研配单向阀与阀座 爬行 1. 空气侵入 2. 液压缸端盖密封圈压得太紧或过松 3. 活塞杆与活塞不同轴 4. 活塞杆全长或局部弯曲 5. 液压缸的安装位置偏移 6. 液压缸内孔直线性不良（鼓形锥度等） 7. 缸内腐蚀、拉毛 8. 双活塞杆两端螺母拧得太紧，使其同 轴度不良 1. 增设排气装置；如无排气 装置，则可开动液压系统以最 大行程使工作部件快速运动， 强迫排除空气 2. 调整密封圈，使它不紧不 松，保证活塞杆能来回用手平 稳低分拉动而无泄漏（大多允 许微量漏油） 3. 校正二者同轴度 4. 校直活塞杆 5. 检查液压缸与导轨的平行 性并校正 6. 镗磨修复，重配活塞 7. 轻微者修去锈蚀和毛刺， 严重者必须镗磨 8. 螺母不宜拧得太紧，一般 用手旋紧即可，以保持活塞杆 处于自然状态 溢流阀的故障分析和排除 表10 故障现象 故障分析 排除方法 压力波动 1. 弹簧弯曲或太软 2. 锥阀与阀座接触不良 3. 钢球与阀座密合不良 4. 滑阀变形或拉毛 5. 油不清洁，阻尼孔堵塞 1. 更换弹簧 2. 如锥阀是新的即卸下调整 螺母，将导杆推几下，使其接 触良好；或更换锥阀 3. 检查钢球圆度，更换钢 球。研磨锥阀 4. 更换或修研滑阀 5. 疏通阻尼孔，更换清洁油 液 调整无效 1. 弹簧断裂或漏装 2. 阻尼孔阻塞 3. 滑阀卡住 4. 进出油口装反 5. 锥阀漏装 1. 检查更换或补装弹簧 2. 疏通阻尼孔 3. 拆出、检查、修整 4. 检查油源方向 5. 检查、补装 泄露严重 1. 锥阀或钢球与阀座的接触 不良 2. 滑阀与阀体配合间隙过大 3. 管接头没拧紧 4. 密封破坏 1. 锥阀或钢球磨损时更换新 的锥阀或钢球 2. 检查阀芯与阀体间隙 3. 拧紧联接螺钉 4. 检查更换密封 噪声及振动 1. 螺母变松 2. 弹簧变形，不复原 3. 滑阀配合过紧 4. 主滑阀动作不良 5. 锥阀磨损 6. 出油路中有空气 7. 流量超出允许值 8. 和其他阀产生共振 1. 紧固螺母 2. 检查并更换弹簧 3. 修研滑阀，使其灵活 4. 检查滑阀与壳体的同轴度 5. 换锥阀 6. 排除空气 7. 更换与流量对应的阀 8. 略为改变阀的额定压力值 （如额定压力值的差在 0.5MPa以内时，则容易发生 共振） 换向阀的故障分析和排除 表11 故障现象 故障分析 排除方法 滑阀不换向 1. 滑阀卡死 2. 阀体变形 3. 具有中间位置的对中弹簧折断 4. 操纵压力不够 5. 电磁铁线圈烧坏或电磁铁推力不足 6. 电气线路出故障 7. 液控换向阀控制油路无油 或被阻塞 1. 拆开清洗赃物，去毛刺 2. 调节阀体安装螺钉使压 紧力均匀，或修研阀孔 3. 更换弹簧 4. 操纵压力必须大于 0.35MPa 5. 检查、修理、更换 6. 消除故障 7. 检查原因并消除 电磁铁控制的方 向阀作用时有响 声 1. 滑阀卡住或摩擦力过大 2. 电磁铁不能压到底 3. 电磁铁铁芯接触面不平或接触不良 1. 修研或调配滑阀 2. 校正电磁铁高度 3. 消除污物，修正电磁铁铁 芯 减压阀的故障分析和排除 表12 故障现象 故障分析 排除方法 压力波动不稳定 1. 油液中混入空气 2. 阻尼孔有时堵塞 3. 滑阀与阀体内孔圆超过规定，使阀卡住 4. 弹簧变形或在滑阀中卡住，使滑阀移动困难或弹簧太软 5. 钢球不圆，钢球与阀座配合不好或锥阀安装不正确 1. 排出油中空气 2. 清理阻尼孔 3. 修研阀孔及滑阀 4. 更换弹簧 5. 更换钢球或拆开锥阀调整 二次压力升不高 1. 外泄漏 2. 锥阀与阀座接触不良 1. 更换密封件，紧固螺钉，并保证力矩均匀 2. 修理或更换 不起减压作用 1. 泄油口与回油管道相连，并有回油压力 2. 主阀芯在全开位置卡死 1. 泄油管必须与回油管道分开，单独回入油箱 2. 修理、更换零件，检查油质 节流调速阀的故障分析和排除方法 表13 故障现象 故障分析 排除方法 节流作用失灵就调速范围不大 1. 节流阀和孔的间隙过大，有泄露以及系统内部泄露 2. 节流孔阻塞或阀芯卡住 1. 检查泄露部位零件损坏情况，予以修复、更新，注意结合处的油封情况 2. 拆开清洗，更换新油液，使阀芯运动灵活 速度不稳定如逐渐减慢、突然增快及跳动等现象 1. 油中杂质粘附在节流口边上，通油截面减小，，使速度减慢 2. 节流阀的性能较差，低速运动时由于振动使调节位置变化 3. 节流阀内部、外部有泄露 4. 在简式的节流阀中，因系统载荷有变化使速度突变 5. 油温升高，油液的粘度降低，使速度逐步升高 6. 阻尼装置堵塞，系统中有空气，出现压力变化及跳动 1. 拆卸清洗有关零件，更换新油，并经常保持油液洁净 2. 增加节流连锁装置 3. 检查零件的精度和配合间隙，修配或更换超差的零件，连接处要 严加封闭 4. 检查系统压力和减压装置等部件的作用以及溢流阀的控制是否正常 5. 液压系统稳定后调整节流阀或增加油温散热装置 6. 清洗零件，在系统中增设排气阀，油液要保持洁净 液控单向阀的故障分析和排除方法 表14 故障现象 故障分析 排除方法 油液不逆流 1. 控制压力过低 2. 控制油管道接头漏油严重 3. 单向阀卡死 1. 提高控制压力使之达到要求值 2. 紧固接头，消除漏油 3. 清洗 逆方向不密封，有泄露 1. 单向阀在全开位置上卡死 2. 单向阀锥面与阀座锥面接触不均匀 1. 修配、清洗 2. 检修或更换 附录二、译文 译文： 随车液压起重机的控制 摘 要：本文主要是描述随车液压起重机的控制过程。这篇论文分为五个部分：需求分析，液压系统以及存在的问题的分析，不同结构产生不同问题的分析，基于更加先进复杂电液比例控制阀的新技术的发展趋势的分析。本文的研究工作是和实际的工业相结合的，比纯粹的研究理论更有意义。 关键字：随车液压起重机，控制策略，电液比例控制阀 1.引言 本文主要叙述的是对随车起重机控制系统的改进方法 随车汽车起重机可以看成是一种大型柔性控制机械结构 。这种控制系统把操作人员的命令由机械结构变为执行动作。 这样定义这种控制系统是为了避免在设计它事产生模糊的思想这是一种通过人的命令把能量转化成机械动作的控制系统 。本文所写的就是这种控制系统。以这个目标为指导方针来分析怎样设计出新的控制系统。 文章分为五个部分： 1.分析这种控制系统必须据有易操作性，高强度，高效性，稳定性，安全性。 2.分析目前这种操作系统所存在的问题。 3.从不同的方面分析这种控制系统：不同的操作方式，不同的控制方法，不 同的组织结构。 4.介绍一种适合于未来工业的比较经济的新的控制系统。 5.分析一种据有高性能，高效率，易控制等的比较好的控制系统。它将成为 今后研究的比较经济高效的一种方案。 2. 论文部分 2.1 对控制系统必备条件的分析 在一种新的操作系统开始正式投入工作之前，对这种控制系统据有严格的要求。对控制系统的影响有很多因素。例如：机械结构的可实行性因素，可操作性因素，效率因素，符合工业标准。 工业需求必须放在第一位。这与在控制系统中导管破裂保护和超载保护有同等的地位。其次稳定性要求也很重要；系统不稳定就没法正常工作。一旦稳定性要求得以确定，控制系统性能要求就可以进一步确定。机械结构决定了起重机的可操作性。机械机构是随车起重机中可以往复转动固有频率低的大型柔性结构。 为了防止起重机振动，必须使起重机在固有频率下工作，或者提高起重机的固有频率。如果它的固有频率太低或者太高，操作人员将无法给它进行操作。最后传动效率可以在工业标准，稳定性，执行机构确定的基础上得到最优的方案。 2.2 对目前这种控制系统的分析 在设计一种新的起重机之前，研究目前起重机存在的问题是很有必要的。当前液压随车起重机主要存在以下三个问题： 1.不稳定性 2.不经济性 3.低效性 2.2.1 不稳定性 不稳定性是一个严重问题，他可能会损伤操作人员或者会是设备受到毁坏。当一个系统不稳定时通常产生严重振动。为了消除当前系统的不稳定性，设计人员既花费了很多时间来研究又花费了很多财力设计出更加复杂的机构。如图1所示为一种起重机，它适合于在高速下工作。但是为了可以安全的工作必须合理控制其运行速度。要提高它的控制速度又必须增加更加昂贵复杂的机械系统。 液压系统的参数，如温度或压力同样影响系统的稳定性。一个参数合理的液压系统比一个设计参数不合理的液压系统稳定，为了使整个系统运行稳定，有时必须降低次要的参数值。 2.2.2 不经济性 目前的液压系统是纯液压的机械系统，因此如果用户想实现一个功能，他就必须买一个能使现这个功能的液压机械组件。因为大多数用户又不同的使用要求，要求同一个设备可以进行升级。这就意味着这些标准设备可以人为的改造，这就增加了组件升级费用。 2.2.3 低效性 液体在液压系统的两个液压缸之间流动时效率较低。这是因为大多数液压阀都是用一个阀心来控制两个节流口，由于这个链接不可能使阀芯两侧的压力相等，因此在流出端就产生一个与液流方向相反的背压力，同时也增加了流入端的压力。由激励源产生的这个背压力与阀芯两端的压力差成正比的，给油缸的实际压力没有被有效的作用在油缸上。例如，给液压缸的压力为1000psi/1600psi传到液压缸时就只有0psi/600 psi了。无论如何，这样的话，提供的电量必须高于有效电量，这些额外的电量就被白白的浪费了 2.3 控制系统不同的控制方法 目前主要用电液比例控制阀来控制液压阀的运动。然而对控制筒有不同的控制方法。电液比例控制阀对阀的关/开，公共汽车系统，电源的智能激励，泵的调节方案控制精度都较高。必须对这种系统的优缺点进行分析，找出合理的方案。 2.4 近期方案 即使这种十分新的系统最佳外形的布局已经得以证明是可行的，但是起重机制造商和配件商还不能立刻就接受这种技术。这是一个渐进的过程，所以提出了一种临时解决的方案。 这种方案是由微型计算机和升缩机构组成。这种离合阀可使这种更加高效稳定的执行控制机构得以实现。微型计算机可以对阀进行柔性控制。可以把这些变量编入软件。这样就消除了制造商许许多多不同的变量问题。起重机制造厂家可以根据产品功能选择不同型号的液压阀。配件商也将不得不生产这种型号的阀，这样不仅降低了制造成本，而且使起重机的性能得到提高。 2.5 更高效方案的分析 这种分析依赖于不同布局结果，液压泵控制的区域决定将要用的控制方法，再依次对这个区域进行分析。不同的区域将用不同的方法探讨，用不同的刀具位置控制。 3. 实验设备 本文的中心是研究发展中的经济型机械控制方案的可实现问题，更多重点是先进的实验结果。实验结果由两种方法获得。第一种是通过研究单自由起重机实验台获得，第二种是通过研究一台由丹麦一家起重机厂送给英国的一所军校的起重机获得。如图1所示 图1系统实验台 左：单自由度起重机模型 右：随车起重机实物 虽然目前这种升缩分离机构在生产商中没有被普遍接受，但是两分离阀将会被逐渐取代。如图2所示是一种幅度-脉冲变换液压缸，它是通过数字信息处理器/奔腾双信息处理器运行程序来控制液压阀的。由数字信号处理器运行控制代码，奔腾处理器来判断并提供图形用户界面。 4. 当前工作 4.1 直线轴流控珐 当今市场常见的直线流控器都需要压力补偿。压力补偿器可以使阀芯突然受压时保持恒定的压力。但是新增加的压力补偿器会使阀的结构比简单的随动阀更加复杂。另一种解决方法是用流控器测量阀的压力降来调整阀芯的位置来实现。这种想法虽然简单，但是由于压力传感器和微控器的费用比较高，想普遍运用于商品上是很难的。然而目前这种利用微控器和压力传感器的思想对于生产商来说是可以接受的。 虽然依据方程来看很简单，但是要实现却很难。流控器的位置精度取决于位置传感器的精度压力传感器的精度。噪声会影响位置传感器和压力传感器的稳定性。采用延时控制可以消除影响稳定性的噪声，这样，超过阀的运行范围的特征值用就不能用柏努力方程计算，应用更复杂的方程来计算。 图2升缩分离机构 4.2 液压缸控制方法 根据不同的受力方向和速度方向这种液压缸有四种工作情形。如图3所示： 多数是普通的随动液压阀，它这种控制方法已经在文献中可以找到，依靠一般的测量法测液压缸的速度位移相当复杂。它们也需要相当复杂的运算法则来控制。本文主要分析基于简单的PI控制器和没有严格速度位移要求的液压缸的控制方法。这种系统的控制方法比复杂的控制方法简单得多，由于它不需要特殊的传感器而且容易被大多数工程师理解所以比较容易被厂商采用。 在设计一种控制方法时另一种特别的控制方法也需要了解，它也是液控中常用的一种方法。移动液压阀要求低泄漏，以前的液压阀大们通常有很大的交迭。然而，使生产商能够接受的这种线轴式液压缸的驱动性能相当慢。这种具有很大交迭的重合以及激发很慢的液压阀很难满足现在的要求。交迭和较慢的驱动使压力控制变得相当困难。 新的控制方法可以用一个例子清楚简单的描述出来。从入口端实行流控制，出口端就实现液压力。流控制符合柏努力方程。液压控制过程中PI控制器维持较小的压力来提高效率并且可以防止气穴现象。这些都是为了解决大交迭和较低的驱动所做的工作，压力控制器仅仅能排除控制中的一点问题。这就意味着如果控制人员想提高压力，却不能使液压缸移动，只能够降低控制口的开口量。这样做的作用只能使操作人员想改变活塞的方向时使它准时脱离零位。这种情况下外力方向和活塞运动仍然不能改变，这种方式需要改进。既然这样，需要压力控制器在出口变大时提供与外力方向相反的有用压力，当已知入口端的压力下降的时候，它可以增加与外力相反的压力。这个压力也受PI控制器控制，如图4所示就是是一个这种控制系统的控制模型结构。 在写本文的时候这种控制的实验已经在图1所示的实验台上完成了，由于起重机上安装了载荷单向阀，所以稳定性没有达到要求。然而，用液压单向阀取代这种载荷单向阀，可以使系统的稳定。在液压系统中，载荷闭式阀可以实现超载保护和卸载保护两种功能。由于在这种控制方法中使用伸缩阀机构对卸载保护很起作用，因此在起升机构中很有必要使用有这种功能的单向阀。一个操作单向阀的驾驶员可以做这一点，没有增加复杂的动力来阻止起重机的倾。安装了这种单向阀，起重机操作人员不需要再增加更复杂的外力来防止起重机产生倾翻。 5. 结束语 即使没有大量的实验设施，但是实验还是完成了，一个好的开始是成功的一半。这个论文题的大轮阔已经确定，它是有意义而且合理的。这个工作分为需求分析、目前的系统分析、不同布局分析、近期的解决办法的分析和最优解决方案的发展趋势分析五个部分。在本论题的最后，液压随车起重机的控制模将会被修改。 6. 感谢语 感谢 Danfoss Fluid Power A/S为这个研究提供了部分基金。也感谢Højbjerg Maskinfabrik (HMF) A/S愿意为这种起重机的测试提供技术上的支持 图3起重机工作的不同情形 图4减压控制器 � EMBED PBrush ��� _1234567890.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567893.unknown _1234567894.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567897.unknown _1234567898.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567901.unknown _1234567902.unknown _1234567903.unknown _1234567904.unknown _1234567905.unknown _1234567906.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567909.unknown _1234567910.unknown _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1234567913.unknown _1234567914.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567917.unknown _1234567918.unknown _1234567919.unknown _1234567920.unknown _1234567921.unknown _1234567922.unknown _1234567923.unknown