陳波

摘要：隨著我國近年來國民經濟的不斷快速發(fā)展，我國城市化的管道整體工程建設推進速度也在不斷穩(wěn)步加快，水平定向鉆機已經發(fā)展成為目前我國地下管道在城市建設中的主要設備。水平定向鉆機要求輸出功率大，起動制動快，運動平穩(wěn)，因此，液壓傳動與控制系統(tǒng)在國內外整機的傳動與液壓傳動與控制系統(tǒng)已廣泛應用于國內外整機的傳動與控制中。因此，液壓系統(tǒng)的設計直接影響到整機的性能。

關鍵詞：水平定向鉆機;液壓系統(tǒng);設計分析

中圖分類號：TH137.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0134-02

0? 引言

近年來隨著中國經濟的不斷發(fā)展，能源已經成為所有國家都需要面對的問題，并且會對我國的經濟產生一定的影響。鉆機液壓系統(tǒng)直接負責整個鉆機的控制和傳動系統(tǒng)，直接影響系統(tǒng)的性能指標。液壓系統(tǒng)的設計提高了液壓系統(tǒng)的能源效率和可操作性，是針對每一個液壓設計人員設計的。

1? 鉆機液壓系統(tǒng)關鍵技術分析

關鍵技術主要包括：動力頭浮動、反饋拖動速度調整、后夾緊氣缸和脫開氣缸動作順序、起落架鎖定。定向鉆機的進給和旋轉通常由低速高扭矩液壓馬達完成。針對地層負荷變化大、工況惡劣的情況，采用自由浮動保護措施保護電機，液壓采用采用H型中位機能的換向閥。反饋驅動速度控制通常采用高速和低速電機配合速度控制閥進行微調。順序閥按夾緊氣缸和卸扣氣缸的順序使用，確保卸扣鉗不失壓，卸扣板可輕松托住鉆蓋。調節(jié)架保持壓力較長時間，需要液壓鎖緊。

2? 水平定向鉆機液壓系統(tǒng)的工作原理

首先，根據(jù)鉆機的結構特點，鉆機工作周期長，液壓系統(tǒng)產生大量熱量，考慮到液壓泵的數(shù)量，為了簡化系統(tǒng)結構和部件的數(shù)量，綜合考慮了系統(tǒng)的可靠性。整機液壓系統(tǒng)采用開式回路。其次，對鉆機進給系統(tǒng)進行了分析，其基本功能主要包括對活動鉆頭施加一定的軸向移動壓力，隨著探針鉆得更深，不斷加壓進給移動鉆具，實現(xiàn)軸向加壓和壓力減壓連續(xù)鉆進，還可廣泛用于控制懸掛移動鉆具，提升懸掛鉆具，實現(xiàn)更加快速鉆具換向。非開挖水平定向鉆井鉆機常見的動力進給傳動機構一般是一個液壓缸，由一個液壓缸齒輪驅動，通過鏈式滑輪鏈或電動滑輪鏈和鋼絲繩將力快速傳遞或進給具有動力的鉆頭。在正常工作時，動力噴油頭的相應運動時加速度和工作行程參數(shù)是普通液壓缸體相應運動參數(shù)的兩倍，故又稱雙速傳動機構。在單控、雙泵多壓力執(zhí)行機構壓力調節(jié)系統(tǒng)中，采用壓力控制閥和溢流閥直接控制調壓系統(tǒng)的兩個進給的壓力，將控制定壓閥和減壓溢流閥進行串聯(lián)后并連接在單泵執(zhí)行器的兩個進油調壓管路上，進給的壓力由控制減壓溢流閥控制出口并對壓力進行控制，圖1即為液壓系統(tǒng)原理圖。

3? 液壓系統(tǒng)的方案設計

3.1 分析鉆桿旋轉在閉式油路中的設計

鉆桿旋轉的回路直接在驅動的鉆機執(zhí)行機構，工作的時間比較長，功率也比較大。它在整機當中處于了關鍵的位置，其中液壓系統(tǒng)也直接關系到了整機的運行。該子系統(tǒng)當中一旦出現(xiàn)其問題，整個的鉆機就會無法進行工作，因此在回路設計當中的安全性與可靠性非常的重要。從節(jié)能的角度來看，在鉆桿回轉回路的設計中采用了閉式回路設計。由于在閉式回路中的存在，高壓油也沒有直接和油箱進行相連，這樣導致其中的系統(tǒng)容易產生了動態(tài)的振動，也導致系統(tǒng)中出現(xiàn)了暫態(tài)高壓，對于整機的性能產生了致命的影響，也有可能損壞了部分的部件。所以在設計的過程之中應該注意對于電路進行過載的保護，這樣也能防止系統(tǒng)中出現(xiàn)這種故障的現(xiàn)象。

3.2 動力頭液壓系統(tǒng)設計

①三個變量活塞泵17的動力頭推挽油路為八個變量活塞馬達15的動力頭推挽油路提供壓力油，形成一個閉式回路。八個可變動力活塞馬達均勻方向分布排列成兩排，形成一條平行制動油路，為可變動力系統(tǒng)頭部的推拉方向提供一定動力，油路通過一個安全閥門來控制制動壓力。②動力頭旋轉油路中的3個變量活塞泵18為動力頭旋轉油路中的4個變量活塞電機16提供壓力油，形成一個閉式回路。四個可變活塞電機并聯(lián)連接，為旋轉提供動力，油流通過安全閥控制壓力。

當電機轉速較低且被其他電機拖動時，動力頭液壓系統(tǒng)根據(jù)泵的工況變化。此時如果不及時進行加油，電機和齒輪驅動器的齒輪不能進入額定負載時，會容易出現(xiàn)電機啃齒、啃軌道等現(xiàn)象。為了充分保證自動旋轉加油電機和自動推拉旋轉電機的傳動同步高速運動，系統(tǒng)為每臺旋轉電機分別設置了一個加油傳動裝置，加油傳動裝置由電機輔助傳動油路系統(tǒng)中的動力齒輪泵自動供給，單向閥自動控制。

3.3 分析油路的循環(huán)方式中的選擇

根據(jù)液壓在油回路時的循環(huán)方式，液壓系統(tǒng)可以分為了閉式系統(tǒng)與開式系統(tǒng)，兩臺的電機必須要同步進行運行，這樣難以獲得多速。所以如果子系統(tǒng)采用了開路，在大負載變化中的情況之下難以避免過度的溢流損耗。雖然閉式的回路需要更高的設備要求與更加復雜的結構，但是通過對變排量泵與定量馬達的閉環(huán)可以有效提高了整機的效率。水平定向的鉆機在液壓系統(tǒng)中的組成如圖2所示，其中鉆桿旋轉的子系統(tǒng)中采用了閉式的回路，另一個子系統(tǒng)當中采用了開式的回路。

4? 鉆桿旋轉子系統(tǒng)的仿真分析

在封閉系統(tǒng)中，液壓泵的進口管與執(zhí)行機構的回流管直接相連。工作液在系統(tǒng)管道中以閉環(huán)方式循環(huán)。結構復雜，系統(tǒng)的動態(tài)性能對外界載荷的變化非常敏感，對系統(tǒng)的影響很大，容易導致系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)。

為了充分利用原動機的功率，閉環(huán)電路采用恒泵變電機電路。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性可以滿足鉆井過程中提供大扭矩的要求。然而，在系統(tǒng)工作過程中，特別是在工作初期，由于管道泄漏、油壓壓縮、執(zhí)行機構慣性等因素，系統(tǒng)的暫態(tài)性能難以預測，可能導致系統(tǒng)回路壓力上升，影響液壓系統(tǒng)正常工作和使用壽命。因此，我們應該使用功率焊接圖對子系統(tǒng)進行建模，然后根據(jù)焊接圖與Simulink框圖的對應關系在Simulink中繪制系統(tǒng)框圖。最后在Simulink中進行了仿真，得到了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

5? 鉆機液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前，整個液壓機械領域沒有新的突破。節(jié)能液壓技術設計也是液壓系統(tǒng)設計的一個新亮點。隨著石油能源的枯竭和人們對環(huán)境保護的日益重視，大部分鉆機動力大，效率低，造成大量浪費。油溫升高會影響液壓系統(tǒng)的工作性能，并造成環(huán)境污染。因此，液壓系統(tǒng)的節(jié)能設計被提升到一個相當高的高度。節(jié)能技術已成為一個重要的研究課題，并取得了豐富的成果。液壓節(jié)能技術在高耗能工程機械挖掘機和裝載機上取得了十分顯著的節(jié)能效果，而且在鉆機設計中也得到了應有的重視和應用。負載傳感與壓力補償技術是在液壓挖掘機上發(fā)展起來的一項新技術。負載感應可以按需供給挖掘機的流量，而不會產生過多的流量;壓力補償可以按需分配挖掘機的流量當挖掘機組合工作時，它可以使一個泵提供的液壓油在不受外部負載影響的情況下同時高效地操作多個執(zhí)行器變化。載荷傳感和壓力補償技術與電控技術的結合，使鉆機在降低能量損失和提高機動性方面更加有效。同樣，我們可以利用這一原理將新型液壓系統(tǒng)技術應用到水平定向鉆機中，實現(xiàn)鉆機的最佳流量匹配和良好的可操作性，優(yōu)化液壓系統(tǒng)的性能，減少能量損失，促進水平定向鉆機的發(fā)展。

6? 總結

總體來說，我國水平定向鉆機在國際的市場之上的發(fā)展前景較為廣闊。在水平定向鉆機中的液壓系統(tǒng)也是實現(xiàn)其各執(zhí)行機構運動與控制的關鍵系統(tǒng)。水平定向鉆要求機械輸出動力功率大，啟動和動力制動快，運動平穩(wěn)，因此整機的機械傳動和動力控制通常需要采用水平液壓傳動技術。水平定向鉆機由于工作載荷大、工作環(huán)境條件復雜，對其中的液壓傳動系統(tǒng)的性能要求比小型定向鉆機高。

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