45t水平定向鉆機(jī)屬于中型鉆機(jī)，許多該類鉆機(jī)是自成一體式的結(jié)構(gòu)，配有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及泥漿供給系統(tǒng)。在水平定向鉆機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)中，90% 以上的時(shí)間是在進(jìn)行動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)和推拉動(dòng)作，所以動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是水平定向鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中最重要的一個(gè)子系統(tǒng)，直接影響鉆機(jī)的作業(yè)性能。
　　1、動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)如圖1所示，由動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和動(dòng)力頭推拉系統(tǒng)兩部分組成。由于水平定向鉆機(jī)的工況復(fù)雜，對(duì)液壓元件的性能要求較高，所以選用了國際上先進(jìn)成熟的力士樂產(chǎn)品。

圖1：動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)原理圖

　　1.1動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
　　45t水平定向鉆機(jī)動(dòng)力頭最大推拉力450kN，動(dòng)力頭最大轉(zhuǎn)矩20kNm，最大推拉力時(shí)運(yùn)動(dòng)速度7.5m/min，動(dòng)力頭最高回轉(zhuǎn)速度130r/min。根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)經(jīng)過綜合計(jì)算考慮，發(fā)動(dòng)機(jī)選用重慶康明斯NTA-855-C型發(fā)動(dòng)機(jī)；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用單泵+雙馬達(dá)+減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式，其中液壓馬達(dá)選用力士樂公司生產(chǎn)的A6VM80斜軸式柱塞馬達(dá)，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(dá)+減速機(jī)+鏈傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)形式，液壓馬達(dá)選擇力士樂公司生產(chǎn)的A6VM55斜軸式柱塞馬達(dá)，液壓泵選擇與回轉(zhuǎn)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(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速控制
　　動(dòng)力頭作業(yè)速度的調(diào)節(jié)，主要通過調(diào)節(jié)變量泵或變量馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，調(diào)節(jié)變量泵的排量實(shí)際上是改變泵的輸出流量。動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)力主要通過調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的排量和有效工作壓力來實(shí)現(xiàn)，而常見的動(dòng)力頭調(diào)速方法是容積調(diào)速回路，即改變泵或馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。根據(jù)動(dòng)力頭調(diào)速原理，變量馬達(dá)采用HA(高壓自動(dòng)變量)控制，由于EP(電比例)控制便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制，所以變量泵采用EP控制。對(duì)動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，EP變量泵與HA變量馬達(dá)結(jié)合使用，以改變工作壓力作為排量的依據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒功率控制，對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行調(diào)速控制是一種簡(jiǎn)單有效的方法。
　　2、動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMEsim仿真建模
　　動(dòng)力頭在實(shí)際工作中各參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，系統(tǒng)是否按照設(shè)計(jì)的結(jié)果去運(yùn)行，可以利用AMESim高級(jí)建模和仿真軟件對(duì)動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，驗(yàn)證調(diào)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(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)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(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)展了仿真模型庫，在航空航天、汽車制造和工程機(jī)械等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AMESim軟件的標(biāo)準(zhǔn)模型庫包括機(jī)械和控制兩個(gè)部分。根據(jù)實(shí)際需要可以選配液壓、液壓管路、液壓元件沒計(jì)、液壓阻力、氣動(dòng)、熱、熱流體、冷卻、動(dòng)力傳動(dòng)、填注模型庫。
　　水平定向鉆機(jī)動(dòng)力頭的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵(自帶補(bǔ)油泵)、變量馬達(dá)、控制元件和保護(hù)裝置組成，泵和馬達(dá)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(jī)構(gòu)中沒有位置反饋環(huán)節(jié)，所以是一個(gè)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(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)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(fù)載變化對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，所以對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：去掉廠換向閥，僅研究換向閥開啟情況下發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓系統(tǒng)的性能；去掉了變量伺服機(jī)構(gòu)，改為加載信號(hào)控制泵和馬達(dá)的排量；除泵和馬達(dá)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恒定，用一個(gè)常量信號(hào)模擬；在推拉系統(tǒng)中，去掉了鏈傳動(dòng)裝置，將推進(jìn)阻力折算為減速機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩為314Nm。

圖3：動(dòng)力頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMESim仿真建模

　　3、仿真結(jié)果分析
　　3.1不同地質(zhì)條件下鉆機(jī)作業(yè)速度
　　根據(jù)鉆機(jī)在不同地質(zhì)條件下作業(yè)時(shí)的負(fù)載狀況，對(duì)模型加載仿真，可以得到負(fù)載變化對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。動(dòng)力頭的負(fù)載是變化的，同時(shí)由于不斷添加鉆桿，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也在變化，這里僅給出最大值時(shí)的情況。利用AMESim仿真，可以得到水平定向鉆機(jī)在不同地質(zhì)條件下作業(yè)時(shí)動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)速度，這里給出鉆進(jìn)長度為300m時(shí)的作業(yè)速度，如表1所示。

表1：不同地質(zhì)條件下動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)速度

　　當(dāng)推進(jìn)力為450kN、轉(zhuǎn)矩為20kNm，達(dá)到設(shè)計(jì)最大值時(shí)，動(dòng)力頭的推進(jìn)速度和回轉(zhuǎn)速度分別為7.13m/min和38r/min。
　　3.2負(fù)載變化對(duì)液壓系統(tǒng)的影響
　　假定初始值：推進(jìn)力225kN，轉(zhuǎn)矩為10kN•m；突變后：推進(jìn)力450kN，轉(zhuǎn)矩20kN•m。AMESim仿真結(jié)果如圖4―圖8所示。
　　由圖4可看出，在第5s時(shí)，負(fù)載突然增大1倍，動(dòng)力頭迅速作出響應(yīng)，由于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，加上變量泵和變量馬達(dá)的變量伺服機(jī)構(gòu)的響應(yīng)也比較快，所以回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間很短。由圖5看出，工作壓力隨負(fù)載的變化而變化，兩者之間的匹配關(guān)系與設(shè)計(jì)值基本吻合，由于泵和馬達(dá)同時(shí)改變排量，壓力變化迅速平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)上下波動(dòng)。由圖6看出，負(fù)載突然增大時(shí)，由于系統(tǒng)工作壓力的增大，泵和馬達(dá)的排量也迅速改變。

圖4：負(fù)載突變時(shí)動(dòng)力頭作業(yè)速度變化情況

圖5：負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)壓力變化情況

圖6：負(fù)載突變時(shí)泵和馬達(dá)的排量變化情況

　　由圖7看出，負(fù)載變化時(shí)，回