液压钻机的液压系统设计

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

摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II

1. 绪论 ....................................................................................................................................... 1

1. 1水平定向钻进铺管技术简介 ..................................................................................... 1

1. 1. 1非开挖技术简介 ............................................................................................. 1

1. 1. 2水平定向钻进铺管技术简介 ......................................................................... 1

1. 2国内外水平定向钻机研发现状和发展 ..................................................................... 2

1. 2. 1国外水平定向钻机的研发现状 ..................................................................... 2

1. 2. 2国内HDD现状 .............................................................................................. 2

1. 3水平定向钻机液压系统 ............................................................................................. 3

1. 3. 1水平定向钻机液压系统简介 ......................................................................... 3

1. 3. 2钻机液压系统的发展现状和趋势 ................................................................. 4

1. 4课题背景及论文主要工作内容 ................................................................................. 4

1. 4. 1课题背景及来源 ............................................................................................. 4

1. 4. 2论文主要内容及各章安排 ............................................................................. 5

2. 钻机结构及液压系统工况分析 ........................................................................................... 6

2. 1水平定向钻机的工作原理 ......................................................................................... 6

2. 1. 1水平定向钻进铺管过程 ................................................................................. 6

2. 1. 2钻孔钻进原理 ................................................................................................. 7

2. 2水平定向钻机的结构特点 ......................................................................................... 8

2. 2. 1钻机的主要设计参数 ..................................................................................... 8

2. 2. 2钻机结构的主要组成部分 ........................................................................... 10

2. 3钻机液压系统工况分析 ........................................................................................... 11

2. 3. 1钻杆旋转工况分析 ....................................................................................... 11

2. 3. 2动力头进退工况分析 ................................................................................... 12

2. 3. 3钻具夹紧及拧卸回路工况分析 ................................................................... 13

2. 3. 4履带行走系统工况分析 ............................................................................... 14

2. 3. 5支腿支撑回路工况分析 ............................................................................... 14

2. 4本章小结 ................................................................................................................... 14

3. 钻机液压系统设计 ............................................................................................................. 17

3.1液压系统的构成和工作原理 .................................................................................... 17

3. 2发动机选型和计算 ................................................................................................... 18

3. 3各液压子系统设计及液压元件选择 ....................................... 错误！未定义书签。

3. 3. 1动力头回转系统设计及液压元件选择 ....................... 错误！未定义书签。

3. 3. 2动力头推拉系统设计及液压元件选择 ....................................................... 19

3. 3. 3 泥浆系统设计及液压元件选择 .................................................................. 20

3. 3. 4其他液压元件的选择 ................................................................................... 21

4. 液压系统的性能验算 ......................................................................................................... 23

4. 1液压系统压力损失 ................................................................................................... 23

4. 2液压系统的发热温升计算 ....................................................................................... 24

4. 2. 1计算液压系统的发热功率 ........................................................................... 24

4. 2. 2 计算液压系统的散热功率 .......................................... 错误！未定义书签。

4. 2. 3计算油箱散热量 ........................................................... 错误！未定义书签。

4. 3 计算液压系统冲击力 .............................................................. 错误！未定义书签。

5. 总结与展望 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

5. 1研究总结 ................................................................................... 错误！未定义书签。

5. 2研究展望 ................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 致谢 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 附录 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。

附录一、液压系统常见故障分析与排除 ...................................... 错误！未定义书签。

1 液压系统故障诊断和排除 .................................................. 错误！未定义书签。

2 液压元件故障诊断和排除 .................................................................................. 24

附录二、译文 .................................................................................. 错误！未定义书签。

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、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

表2.2钻机主要参数

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：

F Fe feL （2.1）

式中：F为总回拖力(KN)；Fe为管道的端面阻力(KN)；fe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。

（ Dq W）u' Bc (2.2) fe

Pc PA PB P (2.3)

2F P D/4 (2.4) C 0

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);c 为管与土之间的粘着力(KPa)；Pc为土仓内的压力(KPa)。PA为掘进所处土层的主动土压力(KPa)；PB为掘进所处土层的主动土应力(KPa)； P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

综合上述各式得：

F F0 πqu'L πBc u'L Wu'L (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。

Ff （fcos sin ）mg （2.6）

式中：Ff—行走系统负载；

f—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。

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。

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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8 ~16 )，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

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