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成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
作者姓名：汪締洪 專業(yè)班級：機(jī)械三班 指導(dǎo)教師：胡波
摘 要
一臺液壓鉆機(jī)性能的優(yōu)劣，主要取決于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用。正確合理地設(shè)計(jì)和使用液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，對于提高各類液壓機(jī)械的工作品質(zhì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有重要的意義，而全液壓鉆機(jī)作為一種全油壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，對執(zhí)行元件所有的控制和驅(qū)動(dòng)都離不開液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)顯得更加重要。近年來，由于全液壓鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，在國外已經(jīng)替代了所有的機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)。在煤礦的安全生產(chǎn)中以及地質(zhì)勘探中，無論是鉆進(jìn)工程孔還是瓦斯抽放孔，都離不開鉆機(jī)。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，全液壓鉆機(jī)在鉆井安全生產(chǎn)中已經(jīng)越來越廣泛。了解全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)對我國未來液壓鉆機(jī)的全面發(fā)展有著非常重要的作用。
液壓鉆機(jī)的核心是液壓系統(tǒng)，要了解液壓鉆機(jī)就必須充分了解液壓系統(tǒng)。本文主要針對實(shí)驗(yàn)室已有ZDY540型液壓鉆機(jī)進(jìn)行分析和研究，并將PLC控制融入液壓控制系統(tǒng)中，完成了對液壓控制系統(tǒng)的自動(dòng)化改造。本論文主要內(nèi)容如下：
通過對目前鉆機(jī)市場進(jìn)行調(diào)研，分析對比目前國內(nèi)使用最多的兩類鉆機(jī)的性能，推測出未來鉆機(jī)的發(fā)展的方向；
對未來發(fā)展具有很好的發(fā)展前景的鉆機(jī)進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)以及工作原理的介紹；
根據(jù)相應(yīng)企業(yè)對全液壓鉆機(jī)的要求，進(jìn)行全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并能根據(jù)相應(yīng)技術(shù)參數(shù)完成液壓系統(tǒng)功能的原理設(shè)計(jì)；
目前所采用的鉆機(jī)大部分采用的是手動(dòng)液壓控制，為了能順應(yīng)現(xiàn)在發(fā)展的潮流以及各使用企業(yè)的相應(yīng)要求，增加工作效率，減輕工人勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，將PLC控制融入液壓系統(tǒng)控制中，對其進(jìn)行自動(dòng)化改造。
關(guān)鍵詞：全液壓鉆機(jī) 液壓卡盤 夾持器 液壓系統(tǒng) PLC控制
The design of the hydraulic system for the full hydraulic drilling rig
Abstract
The performance of a hydraulic drill is mainly determined by the design and use of the hydraulic system. There has an important significance that the design and use of traditional hydraulic system in the hydraulic control system by the correct and reasonable way can improve the various types of hydraulic machinery work quality and technical economic performance. And full hydraulic drilling rig as a full hydraulic drive drilling rig, the implementation of all the components of the control and driving are inseparable from the hydraulic system, the research and design of the hydraulic system is more important than others. In recent years, it has replaced all the mechanical drive rigs abroad because of the advantages of the full hydraulic drill rig. In coal mine safety production and geological exploration, whether the drilling engineering borehole or the gas drainage hole, isn’t separated from the drilling rig. With the development and improvement of the hydraulic technology, the hydraulic drill rig is becoming more and more widely use in the drilling safety. It is very important for the hydraulic system of the hydraulic drill to develop the hydraulic drill in the future.
The core of the hydraulic drilling machine is hydraulic system. To understand the hydraulic drilling machine, we must fully know of the hydraulic drilling machine hydraulic system. This paper mainly discusses the research and analysis of the ZDY540 type hydraulic drilling machine which is in our school laboratory, the main contents are as follows:
Through the research of current rig market, we can compare of the different performance of the two kinds of the drilling rigs which used at most in the country and speculate of the development by the drilling rig；
An introduction to the drilling rig which has a promising prospect for its future development in terms of the main structure and its operational principle；
According to the requirements of the corresponding enterprise of hydraulic drilling rig, and hydraulic system design, to complete the function of the corresponding parameters on the basis of the design principle of hydraulic system；
The used drilling rig are manually used to control the hydraulic valve at the moment, in order to better adapt to the current development trends and the requirements of the enterprises, making the automation reconstruction of this hydraulic drilling rig to reduce the labor’s burden and make the drill more efficient.
Keywords: The hydraulic drilling rig; Hydraulic chuck; Clamper; The hydraulic system; Automation
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 前 言 1
1.1論文的目的及意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3論文的主要研究內(nèi)容 4
第2章 鉆機(jī)的市場調(diào)研及發(fā)展方向 6
2.1鉆機(jī)的主要特性對比 6
2.1.1施工效率對比 6
2.1.2?施工質(zhì)量對比 9
2.1.3?施工成本對比 10
2.1.4?鉆機(jī)適應(yīng)性對比 10
2.2鉆機(jī)發(fā)展方向 10
第3章 全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)基本結(jié)構(gòu)簡介 12
3.1主機(jī) 12
3.1.1動(dòng)力頭部分 12
3.1.2給進(jìn)裝置 15
3.1.3夾持器 16
3.1.4機(jī)架 16
3.2泵站 17
3.3操作臺 17
3.4 ZDY540型全液壓鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 18
第4章 ZDY540全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19
4.1 ZDY540全液壓鉆機(jī)主要參數(shù) 19
4.2 給進(jìn)液壓系統(tǒng)的工況分析 19
4.3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 22
4.3.1初選系統(tǒng)壓力 22
4.3.2計(jì)算和確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量 22
4.3.3計(jì)算液壓缸和液壓馬達(dá)的流量 27
4.3.4制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)圖 27
4.3.5元件選型與設(shè)計(jì) 29
4.3.6驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 32
第5章 液壓鉆機(jī)的自動(dòng)化改造 34
5.1 PLC概述 34
5.2 液壓鉆機(jī)自動(dòng)化改造 35
5.3改造后液壓原理圖（圖5-1所示） 36
5.4 PLC控制設(shè)計(jì) 36
5.4.1 方案設(shè)計(jì) 37
5.4.2 PLC的I/O端口分配 38
5.4.3 選定PLC型號 39
5.4.4 電路控制 39
5. 4.5 PLC控制程序 40
5.5液壓鉆機(jī)實(shí)物圖 41
結(jié) 論 42
致 謝 43
參考文獻(xiàn) 44
附件1 液壓缸尺寸系列表和液壓馬達(dá)公稱排量表 45
附件2 PLC控制程序梯形圖 46
V
成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 前 言
1.1論文的目的及意義
全液壓鉆機(jī)是全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的簡稱，主要區(qū)別于采用機(jī)械傳動(dòng)和液壓給進(jìn)的半液壓式鉆機(jī)。全液壓鉆機(jī)由電動(dòng)液壓泵站提供動(dòng)力，以礦物油為工作介質(zhì)，通過對工作介質(zhì)的流量、壓力和方向的控制，驅(qū)動(dòng)鉆具完成所需要的動(dòng)作[1]。
中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國，也是世界上礦產(chǎn)資源較為豐富的國家，而大多數(shù)的煤礦或者其他礦產(chǎn)資源并不是露于地表而都是從井下進(jìn)行挖取采集。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，煤炭的開采總量中95%以上都是通過井下開采而得到。從煤礦的角度來看，由于煤炭多來源于地下，在煤層中或多或少的包含了瓦斯氣體，瓦斯氣體對于煤礦的開采和井下的施工安全都極具挑戰(zhàn)性。近年來，隨著社會的不斷進(jìn)步，礦產(chǎn)的開采速度也在不斷加快，逐漸增加的礦產(chǎn)開采總量和礦產(chǎn)挖掘深度也使得在礦井下瓦斯突出和爆炸的危險(xiǎn)性增大。如果在煤礦礦洞中采用大量的通風(fēng)孔或者是大通風(fēng)及直接將瓦斯抽放到大氣中，不僅會導(dǎo)致大氣環(huán)境遭到破壞，同樣也不符合國家節(jié)能減排的要求。在重慶大學(xué)劉新榮等在《煤層瓦斯涌出量與煤層埋藏深度關(guān)系的探討》一文中就曾這樣說到：煤層的掩埋深度越深，煤層里面涌出的瓦斯總量也就越大[2]。自新中國成立后，一共發(fā)生了14起特別重大的事故，每起事故都造成了100人以上的人員傷亡。在這些事故中，瓦斯或者煤塵引起的爆炸事故高達(dá)13次[3]。由于瓦斯事故會造成如此嚴(yán)重的后果，必須對這類事故進(jìn)行提前預(yù)防，而預(yù)防瓦斯事故最簡單有效的方法是將煤層里的瓦斯氣體通過鉆孔后再抽出處理。不僅僅是因?yàn)槊旱V安全的原因，就目前情況來看，在煤礦安全施工和地質(zhì)鉆探施工中應(yīng)用到最多的液壓鉆機(jī)主要有兩種，一種是液壓立軸式鉆機(jī)，另一種是全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。
自20世紀(jì)90年代以來，為了保證煤炭能夠在安全的條件下進(jìn)行生產(chǎn)，大部分的大型煤礦都在瓦斯含量較高的煤層鉆孔，將煤層里的瓦斯氣體通過所鉆孔抽出在綜合利用，這種常用的瓦斯抽放鉆孔設(shè)備就是坑道鉆機(jī)。這種鉆機(jī)通常通過高壓變量泵和定量馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)無極變速，以去除傳統(tǒng)機(jī)械冗重而復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由變速箱來進(jìn)行變速，采用機(jī)械變速的方式，是一種有級變速，而且變速箱通常由齒輪組組成，重量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對齒輪的加工精度要求也很高，既不方便操作和維護(hù)，同時(shí)也只能針對一些特定的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行鉆進(jìn)），且由于煤礦井下空間狹窄，擁有復(fù)雜的機(jī)構(gòu)的機(jī)械在井下安裝和作業(yè)都非常具有挑戰(zhàn)性，這種結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速較高且工作平穩(wěn)，采用全液壓傳動(dòng)，能進(jìn)行無極調(diào)速，對鉆孔工藝適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)的鉆機(jī)，使得傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)的鉆機(jī)逐漸被淘汰。在目前國內(nèi)市場上使用最多的兩種鉆機(jī)中，立軸式鉆機(jī)和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)各具有有優(yōu)點(diǎn)，因此研究和分析這兩種鉆機(jī)的傳動(dòng)和控制系統(tǒng)有著不可或缺的重要意義，也能通過分析了解目前市場上以及各種鉆機(jī)在未來的發(fā)展趨勢。同時(shí)為了夠真正地做出一臺適用且高效的煤礦鉆機(jī)，就必須要對鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理有了充分的了解，才能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行有效的創(chuàng)新或改進(jìn)臺鉆機(jī)。隨著現(xiàn)代化的步伐加快，人們對工作效率的要求也越來越高，在對目前鉆探發(fā)展的方向有了充分的理解之后，新型的鉆機(jī)的研究和開發(fā)勢在必得。
液壓系統(tǒng)作為液壓鉆機(jī)的核心部分，其設(shè)計(jì)主要的參數(shù)是流經(jīng)液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件和各種液壓控制閥的壓力和流量，一個(gè)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接會影響到鉆機(jī)的工作性能和使用效率。在目前來看，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流依舊是采用簡單的手動(dòng)閥、泵等來構(gòu)成相應(yīng)的液壓系統(tǒng)，這類的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成相對簡單，但是操作卻不夠簡便，最為主要的是它很難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的需求。隨著發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化趨勢越來越明顯，在充分融入可編程序控制器（PLC）的基礎(chǔ)上說發(fā)展而來的新型液壓系統(tǒng)必將是主流發(fā)展趨勢。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
鉆探設(shè)備多使用于野外環(huán)境，工作條件相對其他設(shè)備來說比較惡劣，載荷變化范圍大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)經(jīng)常偏離低油量消耗區(qū)，既消耗了燃油，工作效率也不高，機(jī)器性能得不到充分發(fā)揮，況且，為了便于維修和護(hù)理，有時(shí)甚至還需要將鉆探設(shè)備進(jìn)行搬遷和運(yùn)輸，因此，無論從其重量或者體積上來說都會受到很大的限制。從20世紀(jì)中期以來，液壓技術(shù)陸續(xù)在鉆探設(shè)備上使用，由于當(dāng)時(shí)的液壓元件的制造精度不高，完善性也不好、成本高，導(dǎo)致最初的液壓技術(shù)也僅僅只能用于鉆機(jī)的給進(jìn)系統(tǒng)。隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展，全液壓鉆機(jī)在世界各國都相機(jī)被推出，由于液壓鉆機(jī)的工作效率相對較高且操作簡單，使用和推廣的速度也就較快，特別是針對煤礦井下安全生產(chǎn)的液壓鉆機(jī)。
液壓鉆機(jī)的出現(xiàn)不僅讓施工的安全性得到了很大的提高，同時(shí)也能增強(qiáng)一個(gè)企業(yè)的自動(dòng)化水平，減少鉆井的輔助時(shí)間以及主要工作機(jī)械的搬遷時(shí)間，使生產(chǎn)效率得到了提高，也能將煤礦中煤層中最具有威脅性的瓦斯氣體抽出，使得井下工作人員的安全得到了更好的保證，也為井下機(jī)械提供了可靠的工作環(huán)境，全液壓坑道式鉆機(jī)的主機(jī)采用液壓傳統(tǒng)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作準(zhǔn)確，可以在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，也比傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)類機(jī)械更容易獲得各種復(fù)雜的動(dòng)作。
液壓系統(tǒng)作為全液壓鉆機(jī)的核心組成部分，它的發(fā)展歷程很漫長。在國外，20世紀(jì)80年代以前，由于當(dāng)時(shí)工業(yè)水平有限，很多情況下我們都只能考慮液壓系統(tǒng)工作能力的可靠性及其成本，采用的都是定量泵提供液壓油源的液壓系統(tǒng)，也就是說液壓系統(tǒng)是由定量泵供油，在回路中并聯(lián)一個(gè)溢流閥，也就是通過改變回路中流量控制元件通流面積的大小來控制流入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量，利用節(jié)流調(diào)速方法來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的速度，這種方法雖然功率損失大，效率低，但由于其結(jié)構(gòu)簡單成本低等優(yōu)點(diǎn)，依舊在廣泛的被使用中[4]。從1994年開始，中國煤炭工業(yè)部要求全液壓鉆機(jī)的效率大于43%，且煤礦生產(chǎn)能力的不斷加大，煤礦設(shè)備所需求的功率也越來越大，這也就使得傳統(tǒng)的定量泵液壓系統(tǒng)越來越滿足不了當(dāng)前的工業(yè)需求[1]。在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，負(fù)載也不是恒定不變的，在這種變負(fù)載的系統(tǒng)中，定量泵的效率也就不能滿足要求。在負(fù)載變化的過程中，在充分考慮到使全液壓鉆機(jī)工作效率提高的同時(shí)，又要相應(yīng)減少燃油的損耗，由初期的定量泵改為變量泵，也就是通過變量泵來隨時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力和流量，讓鉆機(jī)能夠穩(wěn)定高效的運(yùn)行。自機(jī)電一體化逐步整合到鉆機(jī)上，液壓鉆機(jī)一般通過電機(jī)通過聯(lián)軸器直接與液壓泵相連，鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)也越來越緊湊，在這幾十年的發(fā)展歷程中，液壓系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有了較為成熟的進(jìn)步，使得全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)也有了更多的控制方法和手段。
液壓鉆機(jī)在國外的發(fā)展較早，生產(chǎn)液壓鉆機(jī)的企業(yè)也有很多。法國的AMG公司總結(jié)多年的鉆機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多次的改良設(shè)計(jì)的TD-1500S全液壓鉆機(jī)，由于性能優(yōu)良，效率高，占據(jù)著國外鉆探市場很大的份額[5]。隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的日益發(fā)展以及液壓元件的制造技術(shù)的不斷提升，給全液壓鉆機(jī)的發(fā)展提供了技術(shù)支持和發(fā)展方向。除了典型的TD-1500S的全液壓鉆機(jī)外，國外還有很多先進(jìn)的全液壓鉆機(jī)，如阿特拉斯研發(fā)生產(chǎn)的ECM-580型液壓鉆機(jī)、加拿大阿特拉斯.科普柯公司研究的CS1000P6L全液壓鉆機(jī)、澳大利亞威力朗沃礦業(yè)設(shè)備公司的VLD-1000型鉆機(jī)，這些鉆機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠到、效率高。而且隨著電液比例技術(shù)的應(yīng)用，國外先進(jìn)鉆機(jī)設(shè)備制造商開始研究用電液比例技術(shù)的智能自動(dòng)化鉆進(jìn)技術(shù)技術(shù)及其設(shè)備，并且取得了一定的成果。在上個(gè)世紀(jì)末，國外很多家生產(chǎn)企業(yè)都已經(jīng)推出了自己的全自動(dòng)鉆機(jī)，這類鉆機(jī)能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對工人的要求也更加低，這類鉆機(jī)無論在國外還是國內(nèi)，其發(fā)展前景都是相當(dāng)樂觀的。
從1958年開始著手研制全液壓鉆機(jī)，但是由于液壓元件的研制和生產(chǎn)產(chǎn)能跟不上等原因，鉆機(jī)的研制工作進(jìn)展十分緩慢，甚至曾一度中斷過。從上個(gè)世紀(jì)八十年代后，為了積極響應(yīng)國家環(huán)保政策，從加拿大引進(jìn)了CT-155液壓鉆機(jī)，在國內(nèi)設(shè)備技術(shù)人員的積極攻關(guān)下，在九十年代初仿制并推出了一款當(dāng)時(shí)國內(nèi)功能最為齊全的全液壓鉆機(jī)DY-30。隨后國內(nèi)很多的廠家也開始積極研究，例如煤炭系統(tǒng)鄭州煤礦機(jī)械廠的中州—1200米全液壓轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)，石家莊煤礦機(jī)械廠的K56—800米全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，地質(zhì)系統(tǒng)的XD—600米全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)和冶金系統(tǒng)的100米、250米坑道用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，其中還包括較為典型的ZDY3200S和ZDY540型等全液壓鉆機(jī)。這類鉆機(jī)為井下礦產(chǎn)安全生產(chǎn)提供一種先進(jìn)的設(shè)備同時(shí)也給礦產(chǎn)的安全挖取提供了有利的保證。就目前來看，我國很多自行設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的鉆機(jī)，無論在給進(jìn)性能還是鉆機(jī)重量指數(shù)、功率指數(shù)等技術(shù)參數(shù)都基本達(dá)到或接近國外同類鉆機(jī)的技術(shù)水平。但是由于我國的工業(yè)基礎(chǔ)較低，鉆機(jī)的生產(chǎn)制造工藝有時(shí)打不到設(shè)計(jì)要求，以及材質(zhì)質(zhì)量低等各種原因，以致影響鉆機(jī)的可靠性和耐久性；同時(shí)在鉆機(jī)零件生產(chǎn)上也還尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，鉆機(jī)品種與系列尚不甚齊全。對于液壓鉆機(jī)的研究和發(fā)展上，我們離發(fā)達(dá)國家的差距還很大，還有很長的一段路程要去走。
1.3論文的主要研究內(nèi)容
全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)是設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)，其主要控制鉆機(jī)各部件的動(dòng)作執(zhí)行，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣性直接關(guān)系到液壓鉆機(jī)的性能和功效。基于上述研究現(xiàn)狀和相關(guān)設(shè)計(jì)背景，本文主要針對實(shí)驗(yàn)室已有ZDY540型的坑道式全液壓鉆機(jī)進(jìn)行研究和分析，主要內(nèi)容如下：
①對目前市場上比較成熟的兩類鉆機(jī)（立軸式鉆機(jī)和液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)）進(jìn)行市場調(diào)研，從施工效率、施工成本、施工質(zhì)量以及鉆機(jī)自適應(yīng)性對比來分析鉆機(jī)的性能，推測未來鉆機(jī)市場發(fā)展方向。
② ZDY540型全液壓鉆機(jī)從結(jié)構(gòu)上來說為煤礦用全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，充分了解其結(jié)構(gòu)和工作原理，對其主要基本部件進(jìn)行簡單的介紹。
③根據(jù)鉆機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對現(xiàn)有的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，繪制出鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖。
④對液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)論，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對液壓控制系統(tǒng)執(zhí)行元件進(jìn)行選型。
⑤根據(jù)企業(yè)相關(guān)要求，結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)形勢以及生產(chǎn)力水平，將PLC控制理念融入到鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中，達(dá)到自動(dòng)化設(shè)計(jì)要求。
第2章 鉆機(jī)的市場調(diào)研及發(fā)展方向
液壓立軸式鉆機(jī)和液壓動(dòng)力頭（移動(dòng)回轉(zhuǎn)式）鉆機(jī)是目前市場上以及在地質(zhì)鉆探施工中所應(yīng)用最多的兩種鉆機(jī)。立軸式鉆機(jī)在我國于上世紀(jì)六十年代研制成功之后，歷經(jīng)數(shù)十年的改良和創(chuàng)新，是目前地質(zhì)鉆探中所用到的主要機(jī)器設(shè)備。動(dòng)力頭鉆機(jī)問世時(shí)間比立軸式鉆機(jī)要晚，因其具有極其優(yōu)良的技術(shù)性能，一問世就受到極大的關(guān)注，發(fā)展速度快，幾十年的發(fā)展和改進(jìn)之后，成熟的產(chǎn)品也比較多，后來者居上。在我國，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的發(fā)展比起發(fā)達(dá)國家要晚很多，而且由于各種技術(shù)水平低，工業(yè)水平也與其他發(fā)達(dá)國家有很大的差距，因此曾有很大一段時(shí)間停止發(fā)展過。2006年，在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目和地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目的聯(lián)合支持下，勘探技術(shù)研究所率先在國內(nèi)推出具有實(shí)用水平的YDX-3型1000m動(dòng)力頭鉆機(jī)[6]。這臺鉆機(jī)從問世起，就有了 極高的關(guān)注率，不僅僅在國內(nèi)銷售，甚至還出口到澳大利亞和伊朗等國家。那么這兩種鉆機(jī)究竟有什么優(yōu)點(diǎn)呢？兩者之間未來的發(fā)展又是怎么樣呢？通過相關(guān)市場調(diào)研，采用對比分析的方法，來對兩種全液壓鉆機(jī)的主要特性進(jìn)行分析。
2.1鉆機(jī)的主要特性對比
如何評估一臺鉆機(jī)的性能優(yōu)劣性，不僅僅只是檢查鉆機(jī)是否能夠滿足鉆進(jìn)工藝、使用、制造、維修、運(yùn)輸和環(huán)境保護(hù)等各方面的要求，還要充分考量鉆機(jī)在施工效率、施工成本以及鉆機(jī)在各種不同鉆孔工藝下的適應(yīng)性。既然這兩種鉆機(jī)的應(yīng)用都十分廣泛，那么從鉆機(jī)的鉆進(jìn)工藝、使用制造以及維修方面等各方面肯定都能夠滿足要求以及符合國家的各項(xiàng)法律法規(guī)。在相同的鉆進(jìn)條件下，鉆進(jìn)工藝相同，不同鉆機(jī)的施工時(shí)間以及施工后的質(zhì)量都是不相同。下面分別讓鉆機(jī)在相同的鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)條件下，通過比較兩類鉆機(jī)的鉆進(jìn)時(shí)間以及鉆進(jìn)后鉆孔的質(zhì)量甚至是施工成本方面來對其進(jìn)行分析和對比。
2.1.1施工效率對比
從回轉(zhuǎn)器的類型來看動(dòng)力頭鉆機(jī)和立軸式鉆機(jī)，動(dòng)力頭鉆機(jī)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：
（1）導(dǎo)向性好，而且能夠減少機(jī)上鉆桿的擺動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)水平、傾斜甚至是仰孔等全方位鉆孔需求。
（2）給進(jìn)行程長。對于3m左右的進(jìn)程，移動(dòng)回轉(zhuǎn)式（動(dòng)力頭）鉆機(jī)可一次進(jìn)給完成，而立軸式鉆機(jī)至少需要倒桿4次。每次倒桿都會消耗一定的時(shí)間，最為重要的是重復(fù)倒桿后有可能造成巖心斷裂，使得倒桿后重新鉆進(jìn)的速度減慢，而且?guī)r心被堵塞的幾率也大大增加。在較軟的地質(zhì)層鉆進(jìn)時(shí)，每次的倒桿都會使得巖心被堵塞，既不利于鉆機(jī)的鉆進(jìn)，同時(shí)還增加了時(shí)間，使得效率大為降低。因此動(dòng)力頭鉆機(jī)在這方面明顯優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。
（3）動(dòng)力頭鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)不使用鉆塔，可以減少搭建鉆塔的時(shí)間，同時(shí)也可以節(jié)約一定的成本，在交通不便地區(qū)，運(yùn)輸存在極大問題的時(shí)候，這種優(yōu)勢也就越加明顯。動(dòng)力頭鉆機(jī)在搬遷時(shí)可以根據(jù)需要將主機(jī)分為幾部分，搬遷時(shí)間相對較短減而立軸式鉆機(jī)搬遷過程相對較為繁瑣，所用的時(shí)間也就越長。為了對兩類鉆機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，現(xiàn)將影響兩種不同鉆機(jī)的施工效率的主要因素列于表2-1。
表2-1 液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)與立軸式施工效率的比較
影響因素
液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)
立軸式鉆機(jī)
給進(jìn)行程
長
較短
機(jī)械鉆速
較高
較低
回次長度
較長
較短
鉆頭壽命
較長
較短
起鉆間隔
較長
較短
起下鉆速度
較慢
較長
平機(jī)臺時(shí)間
較短
較長
運(yùn)輸時(shí)間
較短
較長
設(shè)備安裝時(shí)間
較短
較長
接單根時(shí)間
較短
較長
倒桿時(shí)間
無
有
在鉆進(jìn)過程中，由于需要同時(shí)考慮到巖層不同硬度對鉆探施工的技術(shù)指標(biāo)會有一定的影響，分別讓兩種鉆機(jī)在軟巖和硬巖中鉆進(jìn)1000m，統(tǒng)計(jì)鉆進(jìn)所需的時(shí)間，鉆機(jī)搬遷說消耗的時(shí)間不在表格中列出，其結(jié)果分別見表2-2和表2-3。
表2-2? 兩種鉆機(jī)1000m深軟巖鉆進(jìn)的施工效率對比
?
動(dòng)力頭鉆機(jī)
立軸式鉆機(jī)
機(jī)械鉆速????????(m/h)
1.8
1.5
回次長度?????????(m)
2.8
2.5
起鉆間隔?????????(m)
50
45
起下鉆速度??????(m/h)
170
510
鉆進(jìn)總時(shí)間???????(h)
556
667
起下鉆總時(shí)間?????(h)
124
45
撈巖心總時(shí)間?????(h)
177
197
額外倒桿總時(shí)間???(h)
0
133
鉆進(jìn)施工時(shí)間?????(h)
857
1042
表2-3?? 兩種鉆機(jī)對1000m深硬巖鉆進(jìn)的施工效率對比
?
動(dòng)力頭鉆機(jī)
立軸式鉆機(jī)
機(jī)械鉆速????????(m/h)
1.3
1.1
回次長度?????????(m)
2.8
2.5
起鉆間隔?????????(m)
30
27
起下鉆速度??????(m/h)
170
510
鉆進(jìn)總時(shí)間???????(h)
769
909
起下鉆總時(shí)間?????(h)
208
74
撈巖心總時(shí)間?????(h)
175
196
額外倒桿總時(shí)間???(h)
0
133
鉆進(jìn)施工時(shí)間?????(h)
1152
1313
為了能夠準(zhǔn)確的將兩種類型的鉆機(jī)的施工時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確的比較，讓兩類鉆機(jī)分別在軟硬不同的地質(zhì)層進(jìn)行2000以下鉆進(jìn)，在不同的深度分別統(tǒng)計(jì)兩類鉆機(jī)施工的時(shí)間，其施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別列于表2-4和表2-5。
表2-4? 兩種鉆機(jī)在軟巖中施工不同深度所需鉆孔時(shí)間比較
鉆孔深度（m）
鉆進(jìn)施工時(shí)間（h）
動(dòng)力頭鉆機(jī)比立軸式鉆機(jī)節(jié)省時(shí)間
動(dòng)力頭鉆機(jī)
立軸式鉆機(jī)
500
382
492
28.7%
1000
857
1042
21.6%
1500
1421
1657
16.6%
2000
2079
2326
11.9%
表2-5??兩種鉆機(jī)在硬巖中施工不同深度所需鉆孔時(shí)間比較
鉆孔深度（m）
鉆進(jìn)施工時(shí)間（h）
動(dòng)力頭鉆機(jī)比立軸式鉆機(jī)節(jié)省時(shí)間
動(dòng)力頭鉆機(jī)
立軸式鉆機(jī)
500
510
620
21.7%
1000
1152
1313
13.8%
1500
1916
2082
8.7%
2000
2825
2919
3.3%
（1）從上述數(shù)據(jù)表明，在對軟地質(zhì)層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，無論是立軸式液壓鉆機(jī)還是全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，鉆進(jìn)施工時(shí)間都比較長，相比立軸式液壓鉆機(jī)，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)依舊具有絕對的優(yōu)勢。
（2）從上表中數(shù)據(jù)可以看出，鉆進(jìn)2000m以內(nèi)的孔，無論地質(zhì)層的軟硬程度如何，在鉆進(jìn)相同深度的條件下，動(dòng)力頭鉆機(jī)鉆孔的施工時(shí)間總是比立軸式鉆機(jī)要少，在高節(jié)奏高效率的發(fā)展時(shí)代具有絕對的優(yōu)勢。在較軟的地質(zhì)層鉆進(jìn)時(shí)，由于動(dòng)力頭鉆機(jī)的給進(jìn)行程比立軸式鉆機(jī)的給進(jìn)行程長，無須經(jīng)常起拔鉆桿，巖心被破壞的幾率也比立軸式鉆機(jī)要小很多，加工所需的輔助時(shí)間也就更加少，動(dòng)力頭鉆機(jī)節(jié)省時(shí)間要更多一些，而且可以延長鉆頭的使用壽命。
?上述的對比之中，只是針對兩個(gè)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔時(shí)所需的時(shí)間進(jìn)行對比，在鉆孔深度2000m以內(nèi)的孔，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)具有絕對的優(yōu)勢，鉆進(jìn)工時(shí)短，可以節(jié)約人力資源和成本，既經(jīng)濟(jì)又可靠。
2.1.2?施工質(zhì)量對比
動(dòng)力頭鉆機(jī)給進(jìn)行程長，而立軸式鉆機(jī)相對較短，在一個(gè)回次中倒桿往往要比動(dòng)力頭鉆機(jī)多好幾次。重復(fù)多次的倒桿可能會造成巖心的斷裂，導(dǎo)致巖心被堵塞，使后續(xù)的鉆進(jìn)受阻，生產(chǎn)效率也會因此受到影響。如果是在軟地質(zhì)層進(jìn)行鉆進(jìn)，由于較軟的地質(zhì)層結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定，重復(fù)次的倒桿加速了巖心的碎裂，不僅生產(chǎn)效率低，出現(xiàn)故障的幾率也更大。由于這個(gè)原因，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)無論是在巖心采取或者鉆孔質(zhì)量上都要比立軸式鉆機(jī)有更明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，動(dòng)力頭鉆機(jī)施工時(shí)的長給進(jìn)行程會使施工過程更加平穩(wěn)，對于改善施工過程以便達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)保障。
2.1.3?施工成本對比
鉆機(jī)的施工成本不能僅僅從購置成本來考慮，還要充分考慮施工效率和重置成本。動(dòng)力頭鉆機(jī)的購置成本雖然比立軸式鉆機(jī)要高許多，但由于施工效率更高，在購置相同時(shí)間后，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比立軸式鉆機(jī)要高很多，從另一方面說，經(jīng)濟(jì)收益的增高也就使得成本有所降低，而且當(dāng)產(chǎn)品壽命達(dá)到使用期限時(shí)，設(shè)備的折舊費(fèi)也要高很多。從長遠(yuǎn)的角度來看，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的施工成本還是明顯低于立軸式鉆機(jī)的，而收益卻要高很多。長給進(jìn)行程不僅帶來施工效率的提升，也使得鉆頭的使用壽命延長，維護(hù)和保養(yǎng)消耗的成本也更加低。
2.1.4?鉆機(jī)適應(yīng)性對比
?為了能使鉆機(jī)的利用率達(dá)到更高，一般對于一臺鉆機(jī)，我們往往希望它能實(shí)現(xiàn)更多的功能或者說是能夠滿足不同的鉆進(jìn)工藝性等。然而，不同的鉆機(jī)工藝，對鉆機(jī)的速度的要求也就不一樣，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速的鉆機(jī)的勢必會更加容易獲得各煤礦開采企業(yè)的青睞。在相同的工藝條件下，動(dòng)力頭鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍更大，可以根據(jù)不同的地質(zhì)層即時(shí)調(diào)整鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用全液壓控制方式，可以進(jìn)行無極調(diào)速，適應(yīng)能力比立軸式鉆機(jī)要強(qiáng)很多。動(dòng)力頭鉆機(jī)無需鉆塔，施工前無須針對鉆進(jìn)場地進(jìn)行特殊布置，動(dòng)力頭鉆機(jī)的機(jī)架可調(diào)節(jié)傾角，以便適應(yīng)能施工不同傾角的鉆孔。
2.2鉆機(jī)發(fā)展方向
從上述比較結(jié)果來看，?全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)無論在施工效率、施工質(zhì)量還是鉆進(jìn)工藝的適應(yīng)性等各方面都更勝于立軸式鉆機(jī)。盡管現(xiàn)在我國全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的研究還處于初級階段，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)基礎(chǔ)水平也在不斷提高，液壓元件的制作成本會逐漸下降，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的制造成本也就相應(yīng)下降，而制造的精度越來越高的同時(shí)也會為全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)帶來更加廣闊的發(fā)展前景。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)由于施工效率高、施工質(zhì)量好、事故率低、鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)和輕便等特點(diǎn)，會使得全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)比立軸式鉆機(jī)的優(yōu)勢更加突出[6]。隨著可編程序控制器（PLC）在液壓領(lǐng)域的進(jìn)一步使用，自動(dòng)化的趨勢將會更加明顯，可編程序控制器控制的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)將是未來一段時(shí)間的主要發(fā)展趨勢。
第3章 全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)基本結(jié)構(gòu)簡介
全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在未來具有很大的前景，是我國鉆機(jī)開發(fā)和研制的主要發(fā)展方向，了解一臺動(dòng)力頭鉆機(jī)的基本結(jié)構(gòu)對于未來進(jìn)行創(chuàng)新和改造有著重要的意義?；趯?shí)驗(yàn)室已有的液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介紹。ZDY540型煤礦用鉆機(jī)是動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)，它的主要用途是用來針對煤礦井下施工時(shí)所需的注水孔、地質(zhì)勘探孔以及其他工程孔的鉆進(jìn)，它還有一個(gè)更為重要的用途，就是對于煤礦施工時(shí)瓦斯抽放孔的鉆進(jìn)，偶爾也可用它來鉆進(jìn)一些地表用于勘探的孔或者工程孔。這臺鉆機(jī)可以用于一般硬質(zhì)合金的取芯鉆進(jìn)，還可以利用沖擊器進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，能夠適用于不同的鉆進(jìn)工藝，擁有超強(qiáng)的鉆進(jìn)工藝適應(yīng)能力。
3.1主機(jī)
主機(jī)由回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置、夾持器及機(jī)架組成[7]。
圖 3-1 液壓鉆機(jī)主機(jī)
1—回轉(zhuǎn)器 2—給進(jìn)裝置 3—夾持器 4—機(jī)架
3.1.1動(dòng)力頭部分
回轉(zhuǎn)器部分和卡盤部分以及連接它們的連接器部分統(tǒng)稱為動(dòng)力頭部分（結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2所示），動(dòng)力頭部分是液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)最為主要的部分，是產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和傳遞軸向給進(jìn)的主要部分，工作能力的大小、效率和穩(wěn)定性都將直接影響到鉆機(jī)的工作性能。
圖 2-2 動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)簡圖
1—馬達(dá) 2—主軸 3—齒輪 4—軸承 5—箱體 6—油缸 7—蝶簧 8—卡瓦套
9—卡盤外套 10—卡瓦 11—防塵罩 12—圓螺母
ZDY540型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器由擺線油馬達(dá)、變速箱組成。變速箱由二組直齒輪組成一級傳動(dòng)副，回轉(zhuǎn)傳動(dòng)經(jīng)變速后進(jìn)行輸出，可以2檔變速，其變速比分別是1.6和3.43。擺線油馬達(dá)通過帶動(dòng)花鍵軸上的雙聯(lián)齒輪來變換雙聯(lián)齒輪與主軸上齒輪的嚙合位置，可以讓主軸獲得兩級轉(zhuǎn)速范圍；主軸采用空心結(jié)構(gòu)，鉆桿可從中穿過；回轉(zhuǎn)器安裝在給進(jìn)裝置的拖板上，借助單油缸的直推作用，可以沿機(jī)身導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)[8]。
液壓卡盤位于動(dòng)力頭的前端，一般由夾緊元件、中間傳力機(jī)構(gòu)和夾緊動(dòng)力裝置等組成，是其核心組成部分。件其功能是向鉆桿提供導(dǎo)向和進(jìn)行上、下鉆桿操作時(shí)夾持穿過主軸中的鉆桿，使動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到傳遞轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的目的。它的工作條件最為惡劣，它不僅要夾緊鉆桿，還要把來自于回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和來自于給進(jìn)機(jī)構(gòu)的給進(jìn)傳遞給鉆桿，使鉆桿可以破碎土層和在孔內(nèi)軸向運(yùn)動(dòng)，所以既要承受軸向載荷也要承受回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
卡盤夾緊元件作用是徑向夾緊鉆桿，有卡瓦式和柱銷式兩種，本鉆機(jī)采用的是常見的卡瓦式；中間傳力機(jī)構(gòu)作用是改變力的大小和方向的機(jī)構(gòu)，它將軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成徑向運(yùn)動(dòng)也可以將其他的力轉(zhuǎn)換為加緊力，有時(shí)候錯(cuò)用的某些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還具有增力作用；夾緊動(dòng)力裝置是產(chǎn)生卡盤軸向運(yùn)動(dòng)或者力的機(jī)構(gòu)，可以分為機(jī)械式和液壓式兩類，這里采用液壓式[9~10]
液壓卡盤按初始狀態(tài)分為常開式和常閉式兩大類，常開式即不通入液壓油時(shí)，卡盤是松開的，通入液壓油后，卡盤動(dòng)作夾緊鉆桿；常閉式即沒有通入液壓油時(shí)卡盤通過其他的外作用力，如彈簧力夾緊閉合，通入液壓由后利用油的壓力使兩端彈簧壓縮，卡盤松開。根據(jù)市場需求和液壓鉆機(jī)的性能需求，本鉆機(jī)采用的是常開式液壓卡盤。常開式液壓卡盤分為全液壓卡盤和膠桶式液壓卡盤[12]。全液壓卡盤是指卡盤的夾緊和松開都利于液壓油的壓力作用，卡盤自然狀態(tài)也是松開的，故屬于常開式液壓卡盤?；钊c卡盤外殼之間有2 個(gè)密封空間A 和B，通入液壓油時(shí)活塞能夠在軸向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣會使卡瓦在徑向夾緊或者松開鉆桿。這種結(jié)構(gòu)類似于液壓油缸，原理和組成都很簡單，可以承受較大的液壓油壓力，故可以產(chǎn)生較大的夾緊力，并且徑向移動(dòng)距離可以通過改變密封空間的大小來調(diào)節(jié)，適用范圍較大。但是因?yàn)樗乃袆?dòng)作都必須依靠液壓油壓力，如果液壓系統(tǒng)漏油或者損壞停止工作，并沒有安全保護(hù)措施阻止鉆桿的非施工動(dòng)作，可能造成事故。并且油缸外置，整個(gè)結(jié)構(gòu)的徑向尺寸較大，在回轉(zhuǎn)時(shí)可能面臨更多動(dòng)不平衡問題。膠筒式液壓卡盤是較為新型常開式液壓卡盤，該液壓卡盤利用膠筒的伸縮性，在通油和不通油時(shí)位置差異來夾緊或者松開卡盤。這類型液壓鉆機(jī)卡盤由后端蓋、卡盤外殼、膠筒、卡瓦、蝶形彈簧組、前端蓋等組成，基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。進(jìn)油時(shí)，液壓油經(jīng)卡盤后端蓋上孔組進(jìn)入膠筒外側(cè)的密封腔中，液壓油壓力作用膠筒使其向下膨脹，彈簧由自然狀態(tài)被壓縮，同時(shí)迫使卡瓦組軸心移動(dòng)，從而夾緊鉆桿；回油時(shí)，彈簧復(fù)位，使卡瓦組徑向遠(yuǎn)離孔口中心，，卡盤松開。膠筒式液壓卡盤加緊力和膠筒的面積大小是分不開的，膠筒表面積越大，膠筒表面受到的液壓力也就越大，加緊力就越大，但是由于這種類型的卡盤對密圖 2-3 膠筒式液壓卡盤結(jié)構(gòu)圖
1—卡瓦 2—傳拉盤 3—后蓋 4—端壓環(huán) 5—卡盤體 6—支承環(huán) 7—膠筒 8—前蓋 9—傳扭盤 10—彈簧 11—前壓蓋 12—滑板
封性要求較高，液壓油壓力過大時(shí)，漏油的現(xiàn)象也就很容易發(fā)生。
3.1.2給進(jìn)裝置
給進(jìn)裝置由機(jī)身、給進(jìn)油缸及拖板等部件組成[12]。液壓鉆機(jī)的機(jī)身用槽鋼焊接成矩形殼體，在上方鋪上導(dǎo)軌，將油缸安裝在殼體中央，讓殼體的端部與油缸的尾端連接在一起，油缸活塞桿則通過鉸支座與拖板相連，拖板和導(dǎo)軌間則采用卡槽式相連的方式，這樣活塞桿的伸縮運(yùn)動(dòng)也就使得拖板可以沿機(jī)身導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)。拖板與回轉(zhuǎn)器之間一邊以銷軸連接在一起，另一邊則用鉸接螺栓將回轉(zhuǎn)器固定在拖板上。通過粗徑鉆具時(shí)，可以將連接回轉(zhuǎn)器和托板的鉸接螺母松開，讓回轉(zhuǎn)器翻向銷軸一側(cè)，將孔口退讓開。給進(jìn)裝置整體則用鎖緊軸瓦將其固定在機(jī)架的前、后橫梁上，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
3.1.3夾持器
1—卡瓦座 2—卡瓦擋蓋 3—卡瓦 4—夾持器殼體 5—密封圈 6—活塞 7—端蓋
圖 2-4液壓鉆機(jī)夾持器結(jié)構(gòu)簡圖
夾持器也是液壓鉆機(jī)的重要組成部件。夾持器通過螺栓整體固定在鉆機(jī)機(jī)架的前端，在鉆孔施工過程中上下鉆桿時(shí)用它來夾緊鉆桿，并且當(dāng)鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)，可以對鉆桿起一定的導(dǎo)向作用。在鉆機(jī)鉆進(jìn)結(jié)束，起拔結(jié)束后，機(jī)器停機(jī)需要將鉆桿擰卸時(shí)，它可以與動(dòng)力頭相互配合進(jìn)行機(jī)械式擰卸鉆桿。夾持器由外殼、卡瓦座、卡瓦組、夾持器軸、碟形彈簧組、銷軸等零件組成。和液壓卡盤相似，通過粗徑鉆具時(shí)，拔下夾持器銷軸，讓夾持器向側(cè)向翻轉(zhuǎn)。和卡盤不同的是，夾持器中有兩根插桿，如果要通過粗徑鉆具，可以將插桿抽出，取出卡瓦，使夾持器通孔擴(kuò)大。夾持器通常采用浮動(dòng)－復(fù)合常閉式結(jié)構(gòu)，既簡單實(shí)用，又讓其靈活可靠，可左右浮動(dòng)以減少鉆孔跑偏后卡瓦和鉆桿之間的相互過度磨損，提高鉆機(jī)的適應(yīng)性和卡瓦的使用壽命[13]。
3.1.4機(jī)架
鉆機(jī)機(jī)架由立柱、支撐桿、立柱橫梁、支撐桿橫梁、加長桿、爬履式底座等組成。它用于將動(dòng)力頭鉆機(jī)固定，通過改變前、后橫梁在立柱和支撐桿上的位置，就能夠根據(jù)不同的鉆進(jìn)條件來調(diào)整主機(jī)機(jī)身的傾角，使鉆機(jī)的適應(yīng)性更強(qiáng)。
3.2泵站
圖 2-5 液壓泵站簡圖
1—電動(dòng)機(jī) 2—聯(lián)軸器 3—液壓泵 4—冷卻器
液壓泵站是一個(gè)液壓系統(tǒng)的重要部件，是各種元、附件組合而成的整體，作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，不僅要為整個(gè)液壓系統(tǒng)存放一定清潔度的工作介質(zhì)，同時(shí)還需要輸出一定壓力、流量的液體動(dòng)力的裝置[14]。液壓泵站通常由液壓泵組、油箱組件、控溫組件和過濾器組件等幾個(gè)部分組成，每個(gè)部分各有各的作用。液壓泵組由液壓泵、原動(dòng)機(jī)（通常情況下使用的是電動(dòng)機(jī)）、聯(lián)軸器組成，油箱組件包括油箱、液位計(jì)、通氣過濾器和放油塞等；為了能夠保證液壓系統(tǒng)始終在良好的環(huán)境下運(yùn)行，還需要用控溫組件來控制油箱中油液的溫度，控溫組件由溫度計(jì)、加熱器、冷卻器組成，現(xiàn)在相對先進(jìn)的控溫組件中還包括有溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并控制油溫；液壓系統(tǒng)中油液的清潔度會影響到液壓元件和控制閥，通過安裝各種過濾器，可以分離油液中的固體顆粒、防治堵塞小截面通道，保證油液的清潔度，如: 吸油濾油器、回油濾油器、空氣濾清器等。
3.3操作臺
鉆機(jī)的核心設(shè)計(jì)是液壓系統(tǒng)，無論以前八九十年代的液壓鉆機(jī)還是現(xiàn)在的新型鉆機(jī)，都離不開控制中心，這個(gè)控制中心就是由多個(gè)液壓控制閥、壓力表及部件組成的操作臺。操縱臺上通常設(shè)有控制馬達(dá)回轉(zhuǎn)、起下鉆、卡盤夾持器夾緊和松開等多個(gè)操作手把，為了讓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，還要有調(diào)節(jié)壓力的手輪，為了能對液壓鉆機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，也還需要回油壓力表、泵系統(tǒng)壓力表、給進(jìn)壓力表等多塊壓力表。油管選用密封可靠，裝拆方便的油管，可防止油液漏失及臟物進(jìn)入液壓系統(tǒng)。各操縱手把的操作方法和功能也應(yīng)改在操作面板上表示出來。
3.4 ZDY540型全液壓鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)主機(jī)、泵站、操縱臺3 大主要部分組成的全液壓鉆機(jī)，可以根據(jù)不同施工場景進(jìn)行拆解，同時(shí)由于各部分之間的重量和體積也不是太大，搬遷方便，對鉆機(jī)場地的布置也就更加靈活。
(2)液壓自動(dòng)擰卸鉆具，無需手工拆卸，在大量使工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低的同時(shí)也使得工作效率大大提升。
(3)鉆機(jī)能夠進(jìn)行無級調(diào)速，簡化傳動(dòng)部分不僅減輕了傳動(dòng)部分的體積和重量還可讓鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩在大范圍內(nèi)調(diào)整，使鉆機(jī)對不同鉆進(jìn)工藝的適應(yīng)能力得到改善。
(4)夾持器為常閉式結(jié)構(gòu)，可有效防止施工過程中跑鉆現(xiàn)象的發(fā)生，滿足大角度傾斜孔施工需要[15]。
(5)通過操作臺集中操縱，可以使操縱人員遠(yuǎn)離孔口一定距離，避免因偶然失誤而造成的危險(xiǎn)和傷害，確保人身安全。
(6)采用通孔式結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)器，鉆桿長度不再受到鉆機(jī)給進(jìn)行程的限制，因此在合適的情況下可以使用較長的鉆桿，以減少上鉆桿的時(shí)間。
(7) ZDY540鉆機(jī)的設(shè)計(jì)采用通用性強(qiáng)的液壓元件，使得鉆機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)也能更加方便的進(jìn)行維護(hù)和修理。
第4章 ZDY540全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 ZDY540全液壓鉆機(jī)主要參數(shù)
根據(jù)相關(guān)市場調(diào)研以及能力范圍，只能對實(shí)驗(yàn)室已有動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 ZDY540全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)主要參數(shù)
回轉(zhuǎn)參數(shù)
給進(jìn)參數(shù)
使用范圍
轉(zhuǎn)速范圍
低速檔：10~70r/min
高速檔：10~150r/min
給進(jìn)/起拔行程：500mm
進(jìn)給力：12kN
給進(jìn)速度：0~0.40m/s
起拔力：18kN
起拔速度：0~0.28m/s
鉆孔深度：75m
開孔直徑：91mm
終孔直徑：75mm
鉆桿直徑：42mm
最大扭矩：540N?m
主軸內(nèi)經(jīng)：45mm
4.2 給進(jìn)液壓系統(tǒng)的工況分析
ZDY540鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)需要執(zhí)行三個(gè)基本功能，分別是回轉(zhuǎn)、 給進(jìn)和夾持功能。在鉆機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，每執(zhí)行一個(gè)功能都應(yīng)該有一個(gè)相應(yīng)的執(zhí)行元件，因此這三個(gè)功能就分別由三個(gè)液壓執(zhí)行元件來完成。這三個(gè)執(zhí)行元件分別是液壓馬達(dá)和給進(jìn)油缸和卡盤夾持器，液壓馬達(dá)提供回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，給進(jìn)液壓油缸為鉆機(jī)提供給進(jìn)力和起拔鉆具所需的起拔力，卡盤夾持器用于夾緊或松開鉆桿，兩者相互配合還可以自動(dòng)擰卸鉆桿[16]。
動(dòng)力分析：
在鉆機(jī)的運(yùn)行當(dāng)中，給進(jìn)油缸的負(fù)載力處于變動(dòng)狀態(tài)，以下則針對給進(jìn)油缸進(jìn)行動(dòng)力分析，液壓缸在快速進(jìn)、退階段，啟動(dòng)時(shí)，給進(jìn)油缸的外負(fù)載是導(dǎo)軌靜摩擦力，在加速過程中的外負(fù)載是導(dǎo)軌動(dòng)摩擦力和慣性力，恒速運(yùn)動(dòng)是動(dòng)摩擦力，在鉆進(jìn)階段，外負(fù)載是工作負(fù)載也就是鉆進(jìn)阻力和動(dòng)摩擦阻力。起拔階段時(shí)，外負(fù)載是起拔阻力和動(dòng)摩擦阻力。
靜摩擦負(fù)載
Ffs=μsG+Fn=0.2×3200+0=640 (4-1)
動(dòng)摩擦負(fù)載
Ffd=μdG+Fn=0.1×3200+0=320N (4-2)
慣性負(fù)載
Fi=Gg×?v?t=32009.8×1=326.20N (4-3)
工作負(fù)載(鉆進(jìn)時(shí)工作負(fù)載為鉆頭回轉(zhuǎn)提供的相應(yīng)的給進(jìn)力，起拔時(shí)工作負(fù)載為鉆頭回轉(zhuǎn)提供的起拔力)
Fe=12KN=12000N或Fe=18KN=18000N (4-4)
現(xiàn)將上述所計(jì)算得到的液壓缸的各工況下負(fù)載計(jì)算結(jié)果列于表3-2中。
表3-2 液壓缸各工況負(fù)載
工況
外負(fù)載F/N
計(jì)算公式
結(jié)果
快進(jìn)
啟動(dòng)
F=Ffs
640
加速
F=Ffd+Fi=Ffd+Gg×?v?t
646.20
恒速
F=Ffd
320
工進(jìn)
F=Fe+Ffd
12320
快退
啟動(dòng)
F=Ffs
640
加速
F=Ffd+Fi=Ffd+Gg×?v?t
646.20
恒速
F=Ffd
320
起拔
F=Fe-Ffd
17680
液壓馬達(dá)動(dòng)力分析：
由于本鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)為兩檔無極變速10~70m/s和10~150m/s，所要提供的最大轉(zhuǎn)矩為540N?m。
在不同的地質(zhì)層鉆進(jìn)時(shí)，液壓馬達(dá)的負(fù)載會發(fā)生變化。當(dāng)鉆進(jìn)硬巖時(shí)，馬達(dá)負(fù)載增加，為了保證鉆進(jìn)過程的平穩(wěn)性，保證鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，此時(shí)需調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，減少流經(jīng)液壓馬達(dá)的流量從而達(dá)到降低馬達(dá)轉(zhuǎn)速。反之，當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)軟巖時(shí)，液壓馬達(dá)的負(fù)載減小，為了提升鉆機(jī)的生產(chǎn)效率，可以適當(dāng)增加馬達(dá)的流量來提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。
由上可知，在不同的地質(zhì)層進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，液壓馬達(dá)的負(fù)載是不同的，為了能夠保證鉆進(jìn)在不同的地質(zhì)層都能穩(wěn)定的鉆進(jìn)，就必須要保證輸出的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，而馬達(dá)的流量則根據(jù)相應(yīng)的負(fù)載變化、不同的地質(zhì)層條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。要達(dá)到這種條件，最簡單的方法就是采用變量泵——定量馬達(dá)的組合方式來適應(yīng)這種鉆進(jìn)工藝。這種調(diào)速方式用于開式循環(huán)系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的負(fù)載和壓力均不變，改變液壓泵的排量，不僅可以改變移動(dòng)式回轉(zhuǎn)器（動(dòng)力頭）液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，也同樣改變了其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如給進(jìn)油缸）的運(yùn)動(dòng)速度，但是卻不會改變回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)矩。如果泵的排量和工作壓力不發(fā)生變化，回轉(zhuǎn)其負(fù)載的變化也會改變系統(tǒng)溢流閥的溢流流量，回轉(zhuǎn)器的的轉(zhuǎn)速也就因此而發(fā)生變化。同樣，如果系統(tǒng)中與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)并聯(lián)的液動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化也會引起系統(tǒng)溢流流量和系統(tǒng)中個(gè)液動(dòng)機(jī)的流量重新進(jìn)行分配，從而也會改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。而這種變化方式卻剛好符合鉆機(jī)對不同地質(zhì)條件進(jìn)行鉆機(jī)的要求，而且由于其結(jié)構(gòu)簡單，散熱條件好，是動(dòng)力頭鉆機(jī)調(diào)速方案中一種重要的調(diào)速方式。
液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為：
Tm=Vm??pm?ηmm (4-5)
其中Tm——液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩；
Vm——液壓馬達(dá)排量；
?pm——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口油壓差；
ηmm——液壓馬達(dá)的機(jī)械效率；
由于鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)部分采用變量泵——定量馬達(dá)的組合方式，因此液壓馬達(dá)的排量Vm為定值，液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηmm也為定值，由式（4-5）可知液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩此時(shí)僅與液壓馬達(dá)的進(jìn)出口油壓差?pm有關(guān)[17]。
參考產(chǎn)品樣本，各種大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速擺線液壓馬達(dá)的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)沒有一種擺線液壓馬達(dá)可以在一定的轉(zhuǎn)速下達(dá)到本鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)所需求的轉(zhuǎn)矩。由第三章動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)介紹時(shí)說到，回轉(zhuǎn)部分采用減速箱和擺線油馬達(dá)組成，減速箱減速比分別是1.6和3.43。現(xiàn)根據(jù)減速比可以計(jì)算出擺線液壓油馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩：
n油馬達(dá)輸出=70×3.43=240.1r/min
Tmax=540÷3.43=157.43N?m
4.3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.3.1初選系統(tǒng)壓力
液壓系統(tǒng)壓力的選取是否合理，直接影響到我們所設(shè)計(jì)的整個(gè)液壓系統(tǒng)的合理性,而系統(tǒng)的壓力的選擇依賴于基本的液壓執(zhí)行元件，而液壓執(zhí)行元件設(shè)計(jì)壓力的選取，要充分考慮其執(zhí)行元件及其他液壓元件、輔助元件的尺寸、重量，以及實(shí)際的生產(chǎn)狀況下其加工工藝性、成本、貨源及系統(tǒng)的可靠性和效率[18]。通常情況下，在負(fù)載一定的情況下，如果設(shè)計(jì)壓力過低，這勢必會造成執(zhí)行元件輔助元件的尺寸或重量相應(yīng)增大，輔助元件也同樣如此。對于全液壓坑道式鉆機(jī)來說，機(jī)器尺寸本身也就受到了極大的限制，從材料和消耗的角度來說，既不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。反之，如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力選擇過高，對液壓元件、輔助件的材質(zhì)、密封性能以及加工制造精度方面又會有很高的要求，因此必然會提高設(shè)備的成本，于此同時(shí)，執(zhí)行元件和輔助元件的尺寸和重量也會增大，就有可能使液壓系統(tǒng)的工作效率降低，使用壽命大大降低。由于根據(jù)鉆機(jī)的工作要求和其機(jī)器本身的質(zhì)量和體積來看，本鉆機(jī)屬于中小型工程機(jī)械，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)暫取工作壓力為12Mpa。
4.3.2計(jì)算和確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量
液壓缸的缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑及其有效面積或液壓馬達(dá)的排量是其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。我們一般這樣計(jì)算：由計(jì)算所得最大負(fù)載和選取的設(shè)計(jì)壓力及估取的機(jī)械效率先計(jì)算出液壓缸的有效面積或液壓馬達(dá)的排量，然后再根據(jù)所計(jì)算到的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)是否滿足在系統(tǒng)最小穩(wěn)定流量下的最低運(yùn)行速度要求[19]。
①液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)本鉆機(jī)的工作狀況條件以及設(shè)計(jì)要求，選擇單活塞桿雙作用液壓缸作為給進(jìn)油缸。
當(dāng)無桿腔為主工作腔時(shí)，給進(jìn)液壓缸處于起拔狀態(tài)：
p1A1-p2A2=Fmaxηcm (4-6)
當(dāng)有桿腔為主工作腔時(shí)，給進(jìn)液壓缸處于給進(jìn)狀態(tài)：
p1A2-p2A1=Fmaxηcm (4-7)
且A1=πD24，A2=π（D2-d2）4 (4-8)
上式中：p1—液壓缸的工作腔壓力；
p2 —液壓缸的回油腔壓力，回油腔壓力選擇可以根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可以按照表4-3 選取[16]。
A1—無桿腔活塞有效面積，m2；
A2—有桿腔活塞有效面積；m2
D，d—液壓缸活塞（缸筒）內(nèi)經(jīng)，活塞桿直徑；
Fmax—液壓缸的最大負(fù)載力；
ηcm—液壓缸的效率，通常狀況下可取ηcm=0.9~0.97
表4-3 液壓執(zhí)行元件的背壓力
中低壓系統(tǒng)
系統(tǒng)類型
背壓力Mpa
簡單系統(tǒng)和一般系統(tǒng)
0.2~0.5
回油帶背壓閥
0.5~1.5
回油路設(shè)流量調(diào)節(jié)閥的進(jìn)給系統(tǒng)滿載工作時(shí)
0.5
設(shè)補(bǔ)油泵的閉式系統(tǒng)
0.8~1.5
當(dāng)無桿腔為工作腔時(shí)，液壓缸在起拔時(shí)的最大負(fù)載力：
Fmax=18KN
當(dāng)有桿腔為工作腔時(shí)，液壓缸在給進(jìn)時(shí)的最大負(fù)載力：
Fmax=12KN
選取ηcm=0.96。
為了能夠及時(shí)調(diào)節(jié)給進(jìn)油缸在給進(jìn)時(shí)以及起拔時(shí)的速度，我們在本鉆機(jī)給進(jìn)油缸的液壓回路中串聯(lián)一個(gè)單向減壓閥和一個(gè)單向節(jié)流閥，來調(diào)節(jié)給進(jìn)時(shí)的壓力速度，并保證液壓鉆