GBS－55型水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計

肖志強(qiáng)，劉 廣，張正元

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

0 引言

非開挖鋪管技術(shù)是國外20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的一項管道施工新技術(shù)。非開挖是指利用各種巖土鉆掘設(shè)備和技術(shù)手段，通過導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)等方式在地表極小部分開挖的情況下(一般指入口和出口小面積開挖)，敷設(shè)、更換和修復(fù)各種地下管線的施工新技術(shù)，不會阻礙交通，不會破壞綠地、植被，不會影響商店、醫(yī)院、學(xué)校和居民的正常生活和工作秩序，解決了傳統(tǒng)開挖施工對居民生活的干擾，對交通、環(huán)境、周邊建筑物基礎(chǔ)的破壞和不良影響，因此具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效果。

水平定向鉆機(jī)作為非開挖技術(shù)中最為有效的施工設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于供水、電力、電訊、天然氣、煤氣、石油等管線鋪設(shè)施工中，多應(yīng)用于鬧市區(qū)、古跡保護(hù)區(qū)、農(nóng)作物和植被保護(hù)區(qū)、公路、鐵路、河流、湖泊等地區(qū)管線的施工，適用于沙土、粘土、卵石等地層。水平定向鉆機(jī)具有施工速度快、施工精度高、成本低等優(yōu)點。在近十幾年間獲得了飛速發(fā)展，逐漸成為一種新興的產(chǎn)業(yè)。

20世紀(jì)90年代初期，我國用于導(dǎo)向鉆進(jìn)非開挖鋪管的設(shè)備和技術(shù)完全依靠進(jìn)口。進(jìn)入90年代以后，我所率先在國內(nèi)研發(fā)這項技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，我所形成了以GBS系列為代表的水平定向鉆機(jī)系列產(chǎn)品。

目前，我國新型城鎮(zhèn)化正步入快速建設(shè)階段，預(yù)計到2020年城市化水平將達(dá)到60%，每年大約需要鋪設(shè)10萬km的市政管線。市政管線以電力、通訊、供水、燃?xì)夤艿罏橹?，多為中等難度施工，在城市里作業(yè)，這就要求施工所用鉆機(jī)體積小噸位大。然而目前市場上大部分水平定向鉆機(jī)都是大噸位大體積，小體積小噸位。所以市場急需一款小體積、大噸位、高效率的水平定向鉆機(jī)。為了滿足市場需求，我所研制出GBS－55型水平定向鋪管鉆機(jī)。

1 GBS－55型鉆機(jī)簡介

1．1 總體布局

如圖1所示，GBS－55型鉆機(jī)各機(jī)構(gòu)整體布置在由液壓馬達(dá)驅(qū)動的剛性連接的底盤上，通過操作遠(yuǎn)程控制手柄，實現(xiàn)鉆機(jī)行走。其主要機(jī)構(gòu)包括:動力系統(tǒng)、動力頭回轉(zhuǎn)及推拉機(jī)構(gòu)、夾持器機(jī)構(gòu)、地錨板、泥漿泵、隨車吊、油箱等。

圖1 GBS－55型鉆機(jī)

1．2 主要組成機(jī)構(gòu)介紹

1．2．1 動力系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)是整個設(shè)備的動力來源，該鉆機(jī)采用康明斯239 kW柴油機(jī)，動力強(qiáng)勁。液壓泵組通過聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)相連，為整個設(shè)備提供動力。

1．2．2 動力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

4臺斜軸式軸向柱塞馬達(dá)分別連接行星減速機(jī)，4臺行星減速機(jī)的輸出軸與減速傳動箱的輸入軸連接，再經(jīng)過一級齒輪減速，由減速箱輸出軸驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)。輸出軸中空，其主要功能有:驅(qū)動鉆桿鉆頭回轉(zhuǎn);承受鉆進(jìn)、回拉過程中產(chǎn)生的反力;泥漿進(jìn)入鉆桿的通道。動力頭設(shè)有卸扣自行浮動機(jī)構(gòu)，以減少對鉆桿絲扣的磨損。見圖2。

圖2 動力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1．2．3 推拉機(jī)構(gòu)

設(shè)計采用了齒輪齒條式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了雙速系統(tǒng)。4臺斜軸式軸向柱塞馬達(dá)分別連接行星減速機(jī)，4臺行星減速機(jī)的輸出齒輪與齒條配合，實現(xiàn)推拉機(jī)構(gòu)的往返運動。見圖3。

1．2．4 夾持器機(jī)構(gòu)

鉆機(jī)配有前后夾持器，并且均采用雙油缸、雙作用的結(jié)構(gòu)，與推拉機(jī)構(gòu)、動力頭一起組成一個結(jié)構(gòu)緊湊的一體化系統(tǒng)。夾持器布置在給進(jìn)機(jī)構(gòu)的前端，在鉆機(jī)工作過程中，鉆桿裝卸時對中性的準(zhǔn)確與否對鉆桿的使用壽命起到很大的作用。因此在前夾持器采用了大小油缸強(qiáng)制對中的結(jié)構(gòu)，使前夾持器在鉆進(jìn)過程中不僅有夾持鉆桿的功能，還可以在鉆進(jìn)中對鉆具起到導(dǎo)向扶正的作用。卸扣裝置布置在后夾持器上，在油缸的作用下帶動夾持器轉(zhuǎn)動角度，施加主動力矩，以實現(xiàn)卸開鉆桿第一扣。見圖4。

圖3 推拉機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 夾持器機(jī)構(gòu)示意圖

1．3 鉆機(jī)的特點

GBS－55型水平定向鋪管鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動力強(qiáng)勁、高速高效的特點。操作系統(tǒng)集中在操作駕駛室，采用電液控制，操作方便，改善了司鉆人員的工作條件。

1．4 鉆機(jī)主要性能參數(shù)(見表1)

表1 GBS－55型鉆機(jī)主要性能參數(shù)

2 GBS－55型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理設(shè)計

2．1 系統(tǒng)功能

根據(jù)前述GBS－55型鉆機(jī)的工作特點，其液壓系統(tǒng)需要完成以下動作:

(1)實現(xiàn)動力頭機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)、推拉;

(2)實現(xiàn)鉆機(jī)行走及泥漿泵控制;

(3)實現(xiàn)鉆桿夾緊卸扣、支腿、變角等輔助動作;

(4)實現(xiàn)吊車動作控制及液壓油散熱。

GBS－55型鉆機(jī)屬于中型工程機(jī)械，其功率的合理利用對于改善其經(jīng)濟(jì)性有重要作用。結(jié)合實際工況，本系統(tǒng)采用閉式與開式混合回路設(shè)計。其中功率消耗最大的動力頭回轉(zhuǎn)及推拉動作采用閉式回路，其余動作采用開式回路。

2．2 回路設(shè)計

根據(jù)GBS－55型鉆機(jī)的機(jī)構(gòu)動作特點分析，設(shè)計了該鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)，其原理示意圖如圖5所示。該鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)回路分為以下幾個部分。

圖5 GBS－55型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理示意圖

(1)動力頭回轉(zhuǎn)回路:該回路為閉式系統(tǒng)，由1個閉式變量柱塞泵驅(qū)動4個定量柱塞馬達(dá)，實現(xiàn)動力頭回轉(zhuǎn)動作，為鉆機(jī)提供足夠的扭矩。這4個柱塞馬達(dá)通過變速閥塊實現(xiàn)2擋變速滿足實際工況需要。

(2)推拉回路:該回路為閉式系統(tǒng)，由1個閉式變量柱塞泵驅(qū)動4個定量柱塞馬達(dá)，實現(xiàn)推拉動作，為鉆機(jī)提供足夠的推拉力。這4個柱塞馬達(dá)通過變速閥塊實現(xiàn)2擋變速滿足實際工況需要。

(3)履帶行走及泥漿泵控制回路:該回路為開式系統(tǒng)，由1個齒輪泵通過電磁閥組分別控制左右行走馬達(dá)完成行走動作及控制泥漿泵開關(guān)動作。

(4)輔助動作回路:該回路為開式系統(tǒng)，由一個齒輪泵通過電磁閥組控制夾緊卸扣、變角、支腿動作。

(5)吊車控制及液壓油散熱回路:該回路為開式系統(tǒng)，由雙聯(lián)齒輪泵第一聯(lián)供給吊車控制電磁閥組控制吊車各動作，第二聯(lián)供給散熱器液壓馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)冷散熱器散熱。

3 主要液壓元件參數(shù)的設(shè)計計算及選型

根據(jù)鉆機(jī)的主要性能要求，對主要的液壓元件進(jìn)行設(shè)計計算及選型。

3．1 設(shè)計計算

3．1．1 回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量的計算

動力頭輸出扭矩:

故單個馬達(dá)排量:

式中:T——動力頭最大輸出扭矩，18000 N·m;ΔP——系統(tǒng)工作壓差，32 MPa;i1——回轉(zhuǎn)減速機(jī)減速比，4．25;i2——動力頭齒輪減速比，2．84;η1——回轉(zhuǎn)總效率，0．92。

據(jù)式(2)計算得出 Vg1=79．6 mL/r。

3．1．2 推拉馬達(dá)排量的計算

動力頭輸出轉(zhuǎn)速:

故單個馬達(dá)排量:

式中:F——鉆機(jī)最大推力，550 kN;ΔP——系統(tǒng)工作壓差，28 MPa;i3——推拉減速機(jī)減速比，30．4;r——傳動齒輪的分度圓半徑，55 mm;η2——推拉總效率，0．92。

據(jù)式(4)計算得出 Vg2=60．7 mL/r。

3．1．3 回轉(zhuǎn)泵排量的計算

故:

式中:Q1——回轉(zhuǎn)泵流量，L/min;n——動力頭輸出轉(zhuǎn)速，50 r/min;i1——回轉(zhuǎn)減速機(jī)減速比，4．25;i2——動力頭齒輪減速比，2．84;Vg1——回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量，80 mL/r;n1——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，2200 r/min;η3——回轉(zhuǎn)馬達(dá)容積效率，0．98;η4——回轉(zhuǎn)泵容積效率，0.92。

據(jù)式(6)計算得出Q1=197 L/min，據(jù)式(7)計算得出泵排量Vg3=97．4 mL/r。

3．1．4 推拉泵排量的計算

推拉機(jī)構(gòu)的最大速度:

故:

單泵排量:

式中:Q2——推拉泵流量，L/min;v——4 個馬達(dá)并聯(lián)時推拉最大速度，11 m/min;Vg2——推拉馬達(dá)排量，63 mL/r;i3——推拉減速機(jī)減速比，30．4;r——傳動齒輪的分度圓半徑，55 mm;n2——推拉馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，r/min;η5——機(jī)械效率，0．98;η6——給進(jìn)馬達(dá)容積效率，0.95;η7——給進(jìn)泵容積效率，0．92。

據(jù)式(10)計算得出Q2=262 L/min，據(jù)式(11)計算得出單泵排量Vg4=129 mL/r。

3．2 主要液壓元件的選型

3．2．1 液壓泵的選型

液壓泵是液壓系統(tǒng)中的動力元件。選型需充分考慮泵的可靠性、壽命、維修性等因素，以便所選的泵能在系統(tǒng)中長期運行。本系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)及推拉回路所采用的液壓泵為閉式變量泵，不同品牌的閉式泵其特性也有很大差別。選擇閉式泵時要考慮的因素有工作壓力、流量、轉(zhuǎn)速、變量方式、效率、壽命等。目前，丹佛斯的閉式變量泵已大量應(yīng)用于水平定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)及推拉動作上，性能穩(wěn)定高效，維修方便。所以GBS－55型水平定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)及推拉液壓回路選擇丹佛斯90系列閉式變量泵，回轉(zhuǎn)泵選擇90系列排量100 mL/r、額定壓力42 MPa，持續(xù)轉(zhuǎn)速3300 r/min，推拉泵選擇90系列排量130 mL/r、額定壓力42 MPa、持續(xù)轉(zhuǎn)速3100 r/min。以上選項均滿足設(shè)計計算要求。

3．2．2 液壓馬達(dá)的選擇

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。在對液壓馬達(dá)進(jìn)行選型時需要充分考慮轉(zhuǎn)速范圍、工作壓力、運行扭矩等因素。本系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)及推拉回路所采用的液壓馬達(dá)為定量柱塞馬達(dá)，目前水平定向鉆機(jī)上常用的高壓定量柱塞馬達(dá)有丹佛斯90系列馬達(dá)，力士樂A2F系列等。其中力士樂A2F系列定量柱塞馬達(dá)已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，性價比高。所以GBS－55型鉆機(jī)回轉(zhuǎn)及推拉液壓回路選擇A2F系列定量柱塞馬達(dá)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量80 mL/r、額定壓力35 MPa，推拉馬達(dá)排量63 mL/r、額定壓力35 MPa。以上選項均滿足設(shè)計技術(shù)要求。

4 GBS－55型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)特點

(1)主要動作選用閉式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)效率高;

(2)動力頭回轉(zhuǎn)及推拉在施工中需要經(jīng)常調(diào)速以適應(yīng)不同地質(zhì)條件，變量閉式泵有很好的調(diào)速特性，滿足施工需求;

(3)采用開式和閉式混合回路，合理分配功率，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)能環(huán)保;

(4)馬達(dá)變速采用定量馬達(dá)串并聯(lián)方式，相比用變量馬達(dá)，大大節(jié)約了成本。

5 應(yīng)用效果

首臺GBS－55型水平定向鉆機(jī)于2014年5月運往安徽滁州進(jìn)行市政燃?xì)夤芫€施工，施工地層主要為粘土層。主要進(jìn)行了4段管線的施工:均為419 mm 鋼管，長度分別為 420、500、620、380 m。4段管線均保質(zhì)保量按時完工，施工期間鉆機(jī)液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，穩(wěn)定高效。GBS－55型鉆機(jī)的表現(xiàn)受到了客戶一致好評，目前GBS－55型鉆機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

［1］ 韓桂華，王景峰，喬玉晶．液壓系統(tǒng)設(shè)計技巧與禁忌［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012:175－190．

［2］ 張海平．液壓速度控制技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014:48－63．

［3］ 王益群，高殿榮．液壓工程師技術(shù)手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［4］ 王朝建，花蓉．GBS－40型非開挖鋪管鉆機(jī)的研制與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1):334 －341．

［5］ 曾斌．靜液壓多馬達(dá)傳動系統(tǒng)淺析［J］．液壓氣動與密封，2011，(10):49 －51．

［6］ 冀宏，左嘉韻，程源．工程機(jī)械液壓元件及節(jié)能液壓系統(tǒng)的發(fā)展與思考［J］．液壓與氣動，2013，(5):1－7．

［7］ 游善蘭．DZ1245水平定向鉆液壓系統(tǒng)［J］．非開挖技術(shù)，2003，(11):46－47．

［8］ 胡軍馳．液壓傳動閉式系統(tǒng)優(yōu)缺點及防護(hù)［J］．流體傳動與控制，2011，(2):58 －60．