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1、鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計 1 概述 目前，隨著非開挖施工技術(shù)的日益成熟，作為非開挖施工主要設(shè)備的水平定向鉆機也得到了突飛猛進的發(fā)展。液壓系統(tǒng)以它體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動力便于傳遞、力量大等特點，在水平定向鉆機中得到了廣泛的應(yīng)用。鉆機液壓系統(tǒng)的液壓元件以及各回路的性能對鉆機的整體性能起著決定性的作用。 2 鉆機液壓系統(tǒng) 在大噸位的鉆機中，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動顯示出了巨大的優(yōu)越性，它使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)變得簡單，體積大大縮小。全液壓水平定向鉆機的液壓系統(tǒng)包括：動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、動力頭推進或回拖液壓系統(tǒng)、夾持卸扣器液壓系統(tǒng)、履帶行走液壓系統(tǒng)、鉆臂升降液壓系統(tǒng)、鉆機支腿液壓系統(tǒng)、駕駛室平移液壓系統(tǒng)、

2、吊車液壓系統(tǒng)、泥漿泵馬達液壓系統(tǒng)。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，以滿足性能和使用要求而又沒有多余元件為最佳。下邊我們就分別探討一下鉆機各部分液壓系統(tǒng)的工作原理。 2.1 動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng) 動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，一般由一對規(guī)格相同但轉(zhuǎn)向正好相反的低速大扭矩液壓馬達組成，液壓馬達帶有減速機以便增大扭矩力，兩液壓馬達之間設(shè)有一塊可使兩馬達實現(xiàn)串、并聯(lián)作用的電液動換向閥。液壓系統(tǒng)圖見圖一。 圖一 動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng) 首先，從液壓泵站來的液壓油的壓力和流量要和各液壓元件相匹配，液壓系統(tǒng)的壓力不能超過任何一個液壓元件的額定工作壓力，否則要用減壓閥進行減壓。選擇換向閥時要注意，換向閥的通徑要滿足液壓馬達

3、到達最大設(shè)計轉(zhuǎn)速時對液壓油流量的需要。 當電液換向閥4的左邊電磁鐵帶點且換向閥3不帶電時，電磁鐵將閥4的左邊閥芯位置推到中間，來自系統(tǒng)的液壓油經(jīng)過閥4到達馬達1的左邊，另一路則經(jīng)過換向閥3到達馬達2的右邊，推動馬達1、2作方向相反的轉(zhuǎn)動，此時主軸正轉(zhuǎn)。馬達1的回油經(jīng)過換向閥3與馬達2的回油會合，經(jīng)換向閥4流回油箱。這時兩馬達并聯(lián)，轉(zhuǎn)速低，但扭矩最大。 當電液換向閥4的左邊電磁鐵和換向閥3同時帶電時，閥3的右邊閥芯被推到左邊位置接通，液壓油經(jīng)過馬達1、閥3到達馬達2的右邊，推動兩馬達轉(zhuǎn)動，主軸正轉(zhuǎn)。這時兩馬達串聯(lián)，馬達轉(zhuǎn)速比并聯(lián)時高一倍，但扭矩是并聯(lián)時的二分之一，回油則經(jīng)過閥4流回油箱。

4、當電液換向閥4的右邊電磁鐵帶點且換向閥3不帶電時，電磁鐵將閥4的右邊閥芯位置推到中間，液壓油經(jīng)過閥4到達馬達2的左邊，另一路則經(jīng)過換向閥3到達馬達1的右邊，推動馬達1、2作方向相反的轉(zhuǎn)動，此時主軸反轉(zhuǎn)。馬達2的回油經(jīng)過換向閥3與馬達1的回油會合，經(jīng)換向閥4流回油箱。這時兩馬達并聯(lián)，轉(zhuǎn)速低，扭矩大。 當電液換向閥4的右邊電磁鐵和換向閥3同時帶電時，電磁鐵將閥4的右邊閥芯位置推到中間，同時閥3的右邊閥芯被推到左邊位置接通，液壓油經(jīng)過閥4到達馬達2的左邊，出來后流經(jīng)換向閥3到達馬達1的右邊，推動馬達1、2作方向相反的轉(zhuǎn)動，此時主軸反轉(zhuǎn)。這時兩馬達串聯(lián)，馬達轉(zhuǎn)速比并聯(lián)時高一倍，但扭矩是并聯(lián)時的二分之

5、一，回油則經(jīng)過閥4流回油箱。 以上是開式液壓系統(tǒng)時的情況，如果液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，而且液壓泵采用雙向變量泵，則可省去電液換向閥4，因為泵自身能實現(xiàn)換向。此外，兩液壓馬達的泄油管路一定要連接在一起單獨引回油箱，泄油管路中不允許有背壓元件存在。為了獲得多種轉(zhuǎn)速，可將換向閥4改用電液比例換向閥。 2.2 動力頭推進或回拖液壓系統(tǒng) 動力頭推進或回拖液壓系統(tǒng)一般由兩對規(guī)格相同轉(zhuǎn)向相反的低速大扭矩液壓馬達組成，液壓馬達都帶有減速機以便為鉆機提供較大的推進或回拖力。液壓系統(tǒng)的組成形式與動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)相同，只是增加了一組，液壓系統(tǒng)圖見圖二。 圖二 動力頭推進或回拖液壓系統(tǒng) 首先，選擇液壓

6、馬達和換向閥的額定工作壓力不能低于液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，電液換向閥7的通徑要滿足1、2、4、5四臺馬達在最高設(shè)計轉(zhuǎn)速時對流量的需要。 當電液換向閥7的左邊電磁鐵帶點，換向閥3、6不帶電時，電磁鐵將閥7的左邊閥芯位置推到中間，液壓油經(jīng)過閥7到達馬達4和馬達1的左邊，另外一部分液壓油分別經(jīng)過閥3到達馬達2的右邊，經(jīng)過閥6到達馬達5的右邊，推動馬達1、2和4、5轉(zhuǎn)動，帶動動力頭向前推進。此時，四臺馬達并聯(lián)，推進力最大。 當電液換向閥7的左邊電磁鐵帶點，換向閥3、6也帶電時，電磁鐵將閥7的左邊閥芯位置推到中間，電液換向閥3和6的右邊閥芯位置被推到左邊接通，液壓油經(jīng)過閥7后，一路油經(jīng)過馬達1、換向

7、閥3，通過馬達2，再經(jīng)換向閥7流回油箱。另外一路液壓油經(jīng)過馬達4、換向閥6，通過馬達5，再經(jīng)換向閥7流回油箱。從而推動馬達1、2和4、5轉(zhuǎn)動，帶動動力頭向前推進。此時，馬達1、2串聯(lián)，4、5串聯(lián)，而馬達1、2和馬達4、5兩組之間并聯(lián)，動力頭的推進力比全并聯(lián)時小了一半，但動力頭的推進速度比全并聯(lián)時高了一倍。 當電液換向閥7的右邊電磁鐵帶點，換向閥3、6不帶電時，四臺馬達實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，動力頭實現(xiàn)回拖。此時四臺馬達并聯(lián)，回拖力最大。 當電液換向閥7的右邊電磁鐵帶點，換向閥3、6也帶電時，馬達1、2串聯(lián)，4、5串聯(lián)，而馬達1、2和馬達4、5兩組之間并聯(lián)，動力頭的回拖速度最大，但回拖力比全并聯(lián)時小了

8、一半。為了獲得多種行走速度也可將換向閥7改換成電液比例換向閥。 2.3 夾持卸扣器液壓系統(tǒng) 夾持卸扣器液壓系統(tǒng)由夾持器夾持、卸扣器夾持、卸扣、夾持卸扣器分離、夾持卸扣器游動馬達等幾部分液壓系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)圖見圖三。 圖三 夾持卸扣器液壓系統(tǒng) 當電磁換向閥1左邊電磁鐵帶電時，夾持器夾持油缸夾緊；當電磁換向閥1右邊電磁鐵帶電時，夾持器夾持油缸松開。當換向閥1從夾緊狀態(tài)回到中位時，液壓缸保持夾緊狀態(tài)；當換向閥1從松開狀態(tài)回到中位時，液壓缸保持松開狀態(tài)。一般需要保持夾緊力的液壓系統(tǒng)會設(shè)計成液控單向閥和蓄能器合用，換向閥中位機能選擇“Y”型的液壓鎖緊回路。但本系統(tǒng)考慮到保持夾緊力的時間

9、很短，故省去了液控單向閥，以降低成本，換向閥中位機能則選用“O”型。 卸扣器夾持液壓系統(tǒng)和夾持器夾持液壓系統(tǒng)相同。 在卸扣回路中，當換向閥3左邊電磁鐵帶電時，卸扣油缸伸出卸扣；當換向閥3右邊電磁鐵帶電時，卸扣油缸返回。 在分離系統(tǒng)中，當電磁換向閥4左邊電磁鐵帶電時，分離油缸伸出，夾持器和卸扣器分離，此時卸扣器的夾緊油缸再次夾緊已經(jīng)卸開的鉆桿一端時，可實現(xiàn)動力頭一端的鉆桿卸扣。當電磁換向閥4右邊電磁鐵帶電時，分離油缸縮回，夾持器和卸扣器恢復原始狀態(tài)。 當電磁換向閥5的閥芯換向時，可實現(xiàn)夾持卸扣器在桅桿上的全程前后游動，利用節(jié)流閥6可調(diào)節(jié)夾持卸扣器的游動速度。 為了減少液壓管路，換向閥1

10、.、2、3、4、5可選用組合在一起的既可手動又可電動的多路換向閥，并安裝在夾持卸扣器旁邊。如果需要對各組油缸的速度進行調(diào)整，可在各系統(tǒng)中分別增加節(jié)流閥來實現(xiàn)，也可直接選用組合在一起的電液比例多路換向閥來實現(xiàn)，如選用比例換向閥控制，節(jié)流閥6可省去。 2.4 履帶行走液壓系統(tǒng) 鉆機行走部件一般選用市場上的挖掘機底盤，經(jīng)過改裝后作為鉆機的行走底盤，左右兩個行走液壓馬達1、2由兩個電液比例換向閥3、4分別控制，而電液比例換向閥的遠程控制手柄則安裝在鉆機的駕駛室內(nèi)。這樣鉆機的駕駛?cè)藛T通過操縱遠程控制手柄，就可以實現(xiàn)鉆機的前進、后退和轉(zhuǎn)向，以及行進速度快慢的調(diào)整。液壓系統(tǒng)圖見圖四。 圖四 履帶行

11、走液壓系統(tǒng) 2.5 鉆臂升降液壓系統(tǒng) 鉆臂升降液壓系統(tǒng)一般采用由兩個液壓缸組成的帶液壓鎖的鎖緊回路，液壓系統(tǒng)圖見圖五。 圖五 鉆臂升降液壓系統(tǒng) 當電磁換向閥1的左邊電磁鐵帶電時，壓力油經(jīng)過換向閥1、液壓鎖2、節(jié)流閥3進入油缸下腔，油缸伸出，鉆臂舉升。當電磁換向閥1的右邊電磁鐵帶電時，壓力油經(jīng)過換向閥1、液壓鎖2進入油缸上腔，油缸縮回，鉆臂回落。當電磁換向閥1在中位時，回路鎖死。當鉆臂回落時，由于回油路上有節(jié)流閥3形成一定的背壓，使鉆臂回落時較穩(wěn)定，可避免桅桿因自重引起的沖擊。 2.6 鉆機支腿液壓系統(tǒng) 鉆機就位后，鉆機支腿油缸伸出，配合前面的地錨穩(wěn)定鉆機，以保證施工精度

12、，液壓系統(tǒng)圖見圖六。支腿液壓系統(tǒng)由手動換向閥和液壓鎖組合而成，工作原理基本上與鉆臂升降液壓系統(tǒng)相同，只是省去了節(jié)流閥，因為支腿油缸縮回時不會產(chǎn)生沖擊。支腿油缸安裝在鉆機后部，左右各一支。 圖六 鉆機支腿液壓系統(tǒng) 2.7 駕駛室平移液壓系統(tǒng) 鉆機在施工時，由于桅桿向前伸出，前端的夾持卸扣器離駕駛室較遠，操作者不便觀察。為了方便施工，要求駕駛室也要隨著向前伸出，駕駛室平移液壓系統(tǒng)圖見圖七。 圖七 駕駛室平移液壓系統(tǒng) 當電磁換向閥1的左邊電磁鐵帶電時，駕駛室向前伸出，回油經(jīng)節(jié)流閥2流回油箱；當電磁換向閥1的右邊電磁鐵帶電時，駕駛室向后收回，回油仍然經(jīng)節(jié)流閥2流回油箱。節(jié)流閥

13、2既可以調(diào)整平移油缸的速度，又起到了背壓閥的作用，使駕駛室在移動過程中比較平穩(wěn)。 2.8 吊車液壓系統(tǒng) 大型鉆機為了裝卸鉆桿方便，一般都配有小型吊車，吊車一般外購，主油路則由鉆機液壓系統(tǒng)提供。鉆機為吊車配置的液壓系統(tǒng)見圖八。 圖八 吊車液壓系統(tǒng) 有的鉆機為了方便工作，在施工時讓吊車整體伸出到桅桿外側(cè)，待撤場時再收回到桅桿旁邊，以減少整體寬度，方便運輸，所以配置了手動換向閥5來控制吊車的伸出和收回。由于吊車液壓系統(tǒng)的壓力一般低于鉆機主系統(tǒng)壓力，所以來自主系統(tǒng)的高壓油要經(jīng)過減壓閥6減壓后才可以供吊車液壓系統(tǒng)使用。 2.9 泥漿泵馬達液壓系統(tǒng) 現(xiàn)在的鉆機大部分都自備泥漿泵，泥漿泵

14、由液壓馬達來驅(qū)動，而驅(qū)動馬達的動力則來自鉆機液壓系統(tǒng)。如果所選用的泥漿泵馬達額定壓力低于主系統(tǒng)壓力，主系統(tǒng)液壓油要先經(jīng)減壓閥減壓后才可供給泥漿泵系統(tǒng)。泥漿泵馬達液壓系統(tǒng)圖見圖九，基本和動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)相同，只是泥漿泵系統(tǒng)只有正轉(zhuǎn)沒有反轉(zhuǎn)而已。 圖九 泥漿泵馬達液壓系統(tǒng) 3 鉆機的液壓泵站 鉆機的液壓泵站主要由：油箱、濾油器、液壓泵、柴油發(fā)動機和溢流閥等元件組成。由于鉆機工作環(huán)境比較惡劣，連續(xù)工作時間較長散熱較差，所以油箱容積一般要選大于等于泵最大流量的7倍，而且液壓系統(tǒng)回油要配有散熱器。因為鉆機的回油管路有回油濾油器、散熱器和一些為了方便維修而設(shè)的截止閥門等元件，回油阻力較大

15、，所以液壓馬達和泵的泄油不要接入回油管路，要單獨引回油箱，否則容易造成馬達和泵的損壞。濾油器的通油流量要大于等于系統(tǒng)通過液壓油最大流量的2.5倍。液壓泵的流量總和要滿足動力頭回轉(zhuǎn)、動力頭推進或回拖、泥漿泵馬達等液壓系統(tǒng)同時工作時對流量的需要。柴油發(fā)動機的功率要滿足液壓泵最高工作壓力、最大工作流量時對功率的需要。所選用的液壓膠管所能承受的最高工作壓力要大于等于液壓系統(tǒng)最高工作壓力的1.5倍，以免液壓膠管受液壓沖擊而爆裂。 4 結(jié)束語 液壓系統(tǒng)的設(shè)計沒有一個固定的模式，設(shè)計者可以根據(jù)自己的不同使用要求，進行不同的組合，設(shè)計成不同的液壓系統(tǒng)。但是在滿足使用和性能要求的前提下，液壓系統(tǒng)元件越少、系統(tǒng)越簡單越好，不要盲目提高設(shè)計精度，增加制造成本。