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)、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。
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(fù)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.、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。
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