45t水平定向鉆機屬于中型鉆機，許多該類鉆機是自成一體式的結構，配有柴油發(fā)動機、液壓驅動系統(tǒng)以及泥漿供給系統(tǒng)。在水平定向鉆機的整個工作循環(huán)中，90% 以上的時間是在進行動力頭的回轉和推拉動作，所以動力頭液壓驅動系統(tǒng)是水平定向鉆機液壓系統(tǒng)中最重要的一個子系統(tǒng)，直接影響鉆機的作業(yè)性能。
　　1、動力頭液壓驅動系統(tǒng)設計
　　動力頭液壓系統(tǒng)如圖1所示，由動力頭回轉系統(tǒng)和動力頭推拉系統(tǒng)兩部分組成。由于水平定向鉆機的工況復雜，對液壓元件的性能要求較高，所以選用了國際上先進成熟的力士樂產品。

圖1：動力頭液壓系統(tǒng)原理圖

　　1.1動力頭液壓驅動系統(tǒng)選型
　　45t水平定向鉆機動力頭最大推拉力450kN，動力頭最大轉矩20kNm，最大推拉力時運動速度7.5m/min，動力頭最高回轉速度130r/min。根據以上技術參數經過綜合計算考慮，發(fā)動機選用重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動機；回轉系統(tǒng)采用單泵+雙馬達+減速機的驅動形式，其中液壓馬達選用力士樂公司生產的A6VM80斜軸式柱塞馬達，液壓泵選擇力士樂A4VG125斜盤式軸向柱塞泵；推拉系統(tǒng)采用單泵+雙馬達+減速機+鏈傳動裝置的驅動形式，液壓馬達選擇力士樂公司生產的A6VM55斜軸式柱塞馬達，液壓泵選擇與回轉系統(tǒng)選擇相同；泥漿系統(tǒng)選擇雷克有限公司的YWB-450/320型泥漿泵。
　　1.2動力頭液壓驅動系統(tǒng)調速控制
　　動力頭作業(yè)速度的調節(jié)，主要通過調節(jié)變量泵或變量馬達的排量來實現。在發(fā)動機轉速恒定的情況下，調節(jié)變量泵的排量實際上是改變泵的輸出流量。動力頭驅動力主要通過調節(jié)變量馬達的排量和有效工作壓力來實現，而常見的動力頭調速方法是容積調速回路，即改變泵或馬達的排量來實現調速。根據動力頭調速原理，變量馬達采用HA(高壓自動變量)控制，由于EP(電比例)控制便于實現自動化和智能化控制，所以變量泵采用EP控制。對動力頭液壓驅動系統(tǒng)來說，EP變量泵與HA變量馬達結合使用，以改變工作壓力作為排量的依據，發(fā)動機采用恒功率控制，對動力頭進行調速控制是一種簡單有效的方法。
　　2、動力頭液壓驅動系統(tǒng)的AMEsim仿真建模
　　動力頭在實際工作中各參數是動態(tài)變化的，系統(tǒng)是否按照設計的結果去運行，可以利用AMESim高級建模和仿真軟件對動力頭液壓驅動系統(tǒng)進行仿真建模，驗證調速方案是否可行。
　　AMESim是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析軟件，2004年IMAGINE公司推出了該軟件的最新版本AMESim4.2.0，在消除缺陷的同時，進一步擴展了仿真模型庫，在航空航天、汽車制造和工程機械等行業(yè)中有著廣泛的應用。AMESim軟件的標準模型庫包括機械和控制兩個部分。根據實際需要可以選配液壓、液壓管路、液壓元件沒計、液壓阻力、氣動、熱、熱流體、冷卻、動力傳動、填注模型庫。
　　水平定向鉆機動力頭的液壓驅動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、變量泵(自帶補油泵)、變量馬達、控制元件和保護裝置組成，泵和馬達的排量隨工作壓力的變化而變化。由于該系統(tǒng)的變量伺服機構中沒有位置反饋環(huán)節(jié)，所以是一個不帶位置環(huán)的閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2：不帶位置環(huán)的閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)

　　動力頭液壓驅動系統(tǒng)的AMEsim仿真模型如圖3所示。利用AMEsim仿真的主要目是得到負載變化對液壓系統(tǒng)的影響，所以對液壓系統(tǒng)進行了簡化：去掉廠換向閥，僅研究換向閥開啟情況下發(fā)動機-液壓系統(tǒng)的性能；去掉了變量伺服機構，改為加載信號控制泵和馬達的排量；除泵和馬達的損失之外，管路損失率取10% ；冷卻沖洗閥的流量取為系統(tǒng)總流量的4% ；泥漿泵驅動系統(tǒng)消耗發(fā)動機的功率恒定，用一個常量信號模擬；在推拉系統(tǒng)中，去掉了鏈傳動裝置，將推進阻力折算為減速機輸出軸上的轉矩為314Nm。

圖3：動力頭液壓驅動系統(tǒng)的AMESim仿真建模

　　3、仿真結果分析
　　3.1不同地質條件下鉆機作業(yè)速度
　　根據鉆機在不同地質條件下作業(yè)時的負載狀況，對模型加載仿真，可以得到負載變化對液壓系統(tǒng)的影響。動力頭的負載是變化的，同時由于不斷添加鉆桿，系統(tǒng)的轉動慣量也在變化，這里僅給出最大值時的情況。利用AMESim仿真，可以得到水平定向鉆機在不同地質條件下作業(yè)時動力頭的運動速度，這里給出鉆進長度為300m時的作業(yè)速度，如表1所示。

表1：不同地質條件下動力頭的運動速度

　　當推進力為450kN、轉矩為20kNm，達到設計最大值時，動力頭的推進速度和回轉速度分別為7.13m/min和38r/min。
　　3.2負載變化對液壓系統(tǒng)的影響
　　假定初始值：推進力225kN，轉矩為10kN•m；突變后：推進力450kN，轉矩20kN•m。AMESim仿真結果如圖4―圖8所示。
　　由圖4可看出，在第5s時，負載突然增大1倍，動力頭迅速作出響應，由于系統(tǒng)的轉動慣量很小，加上變量泵和變量馬達的變量伺服機構的響應也比較快，所以回轉系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)的響應時間很短。由圖5看出，工作壓力隨負載的變化而變化，兩者之間的匹配關系與設計值基本吻合，由于泵和馬達同時改變排量，壓力變化迅速平穩(wěn)，沒有出現上下波動。由圖6看出，負載突然增大時，由于系統(tǒng)工作壓力的增大，泵和馬達的排量也迅速改變。

圖4：負載突變時動力頭作業(yè)速度變化情況

圖5：負載突變時系統(tǒng)壓力變化情況

圖6：負載突變時泵和馬達的排量變化情況

　　由圖7看出，負載變化時，回