全回转套管钻机液压系统设计及仿真研究
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摘要
伴随我国城市现代化进程高速推进，城市大型基础桩岩土钻掘技术发展迅速。全回转套管钻机在城市化进程中起着重要的作用，它主要运用于城市高架桥、高铁以及桥梁等基础桩施工中。然而，我国使用的全回转套管钻机主要来自于进口，全回转套管钻机的国产化已成为我国基础装备事业需迫切解决的实际课题。为了响应国家十二规划，振兴我国基础装备事业，提高我国桩工机械设备在桩工工程上的施工能力，本文设计了全回转套管钻机液压系统和并对压拔液压系统进行了仿真研究。对全回转套管钻机的研制具有重要的指导意义。
本文根据最大拉应力理论、最小能原理以及McKyes土壤切削阻力理论对岩土切削进行了力学分析。以液压传动理论及电液比例控制技术为基础设计了全回转套管钻机液压驱动及控制系统，并采用AMEsim液压仿真软件对压拔液压系统及元件进行了仿真分析。
主要的研究内容及结论如下：
(1)建立了全回转套管钻机岩土切削的力学模型，并对力学模型中影响刀具负载的参数特性进行研究，得出了垂直进给力与切削深度基本成线性关系的结论。为全回转套管钻机液压系统设计提供了理论依据。
(1)设计了全回转套管钻机回转液压系统并分析其工作原理，完成了全回转套管钻机压拔及回转液压系统进行参数计算，建立了全回转套管钻机压下进给液压系统控制方式和回转液压系统控制方式。
（3）建立了压拔液压系统及元件的仿真模型，并进行了仿真分析，通过对加压恒压压下进给和减压恒压压下进给的三种控制方式进行仿真分析与对比，证明了在全回转套管钻机压下进给控制方案中，双压力闭环控制及压力闭环流量跟踪控制的恒钻压控制特性优于全开环控制的基本结论。
With high speed of Chinese city modernization process, large piles of rock-soildrilling and tunneling technology is developing rapidly. The full rotary casing drill rigplays an important role in the city modernization process, it is mainly used in pileconstruction of the city viaduct, high-speed rail and bridge foundation. However, the fullrotary casing drill rigs which we are using are mainly relies on import, the localization ofthe rotary casing drill rig becomes an actual problem required to solve urgently for ourcountry foundation equipment. In response to the national twelve program, therevitalization of our country's foundation equipment industry and to improve the pilingconstruction engineering capacity of our piling machinery equipment. The paper hasdesigned and simulated the full rotary casing drilling rig hydraulic system, which has animportant guiding significance for the full rotary casing drilling rig development.
In this paper, mechanical analysis on rock cutting has being done according to themaximum tensile stress theory, the minimum energy principle and McKyes soil cuttingresistance theory on rock cutting. Design the hydraulic drive and control system of therotary casing drilling rig with hydraulic transmission theory and electro-hydraulicproportional control technique based on, and simulate and analyze the hydraulic systemand element of push and pull using the AMEsim hydraulic simulation software.
The main research contents and conclusions are as follows:
(1)Established rock cutting mechanical model of the rotary casing drill rig, andanalyzed the parameter in the mechanical model which affect the tool load, has obtainedthe basic linear relationship conclusions between the vertical push force and cutting depth.provides a theoretical basis for hydraulic system design of the rotary casing drill rig.
(2)Designed and analyzed the hydraulic system of the rotary drilling rig, completedthe parameter calculation of the rotating, pushing and pulling hydraulic system of the fullrotary casing drill rig, established the pushing and pulling hydraulic control system androtating hydraulic control mode of the rotary casing drill rig.
(3)Established and simulated pushing and pulling hydraulic components and systemsimulation model, Based on the simulation analysis and coMParison of three kinds ofcontrol methods about the increasing pressure constant pressure and decrease pressureconstant pressure thrusting, proved the basic conclusion that the control characteristics of pressure closed loop control and flow pressure closed loop control on constant drill issuperior to open loop control in the control scheme of the full rotary casing drill rigfeeding system.
本文根据最大拉应力理论、最小能原理以及McKyes土壤切削阻力理论对岩土切削进行了力学分析。以液压传动理论及电液比例控制技术为基础设计了全回转套管钻机液压驱动及控制系统，并采用AMEsim液压仿真软件对压拔液压系统及元件进行了仿真分析。
主要的研究内容及结论如下：
(1)建立了全回转套管钻机岩土切削的力学模型，并对力学模型中影响刀具负载的参数特性进行研究，得出了垂直进给力与切削深度基本成线性关系的结论。为全回转套管钻机液压系统设计提供了理论依据。
(1)设计了全回转套管钻机回转液压系统并分析其工作原理，完成了全回转套管钻机压拔及回转液压系统进行参数计算，建立了全回转套管钻机压下进给液压系统控制方式和回转液压系统控制方式。
（3）建立了压拔液压系统及元件的仿真模型，并进行了仿真分析，通过对加压恒压压下进给和减压恒压压下进给的三种控制方式进行仿真分析与对比，证明了在全回转套管钻机压下进给控制方案中，双压力闭环控制及压力闭环流量跟踪控制的恒钻压控制特性优于全开环控制的基本结论。
With high speed of Chinese city modernization process, large piles of rock-soildrilling and tunneling technology is developing rapidly. The full rotary casing drill rigplays an important role in the city modernization process, it is mainly used in pileconstruction of the city viaduct, high-speed rail and bridge foundation. However, the fullrotary casing drill rigs which we are using are mainly relies on import, the localization ofthe rotary casing drill rig becomes an actual problem required to solve urgently for ourcountry foundation equipment. In response to the national twelve program, therevitalization of our country's foundation equipment industry and to improve the pilingconstruction engineering capacity of our piling machinery equipment. The paper hasdesigned and simulated the full rotary casing drilling rig hydraulic system, which has animportant guiding significance for the full rotary casing drilling rig development.
In this paper, mechanical analysis on rock cutting has being done according to themaximum tensile stress theory, the minimum energy principle and McKyes soil cuttingresistance theory on rock cutting. Design the hydraulic drive and control system of therotary casing drilling rig with hydraulic transmission theory and electro-hydraulicproportional control technique based on, and simulate and analyze the hydraulic systemand element of push and pull using the AMEsim hydraulic simulation software.
The main research contents and conclusions are as follows:
(1)Established rock cutting mechanical model of the rotary casing drill rig, andanalyzed the parameter in the mechanical model which affect the tool load, has obtainedthe basic linear relationship conclusions between the vertical push force and cutting depth.provides a theoretical basis for hydraulic system design of the rotary casing drill rig.
(2)Designed and analyzed the hydraulic system of the rotary drilling rig, completedthe parameter calculation of the rotating, pushing and pulling hydraulic system of the fullrotary casing drill rig, established the pushing and pulling hydraulic control system androtating hydraulic control mode of the rotary casing drill rig.
(3)Established and simulated pushing and pulling hydraulic components and systemsimulation model, Based on the simulation analysis and coMParison of three kinds ofcontrol methods about the increasing pressure constant pressure and decrease pressureconstant pressure thrusting, proved the basic conclusion that the control characteristics of pressure closed loop control and flow pressure closed loop control on constant drill issuperior to open loop control in the control scheme of the full rotary casing drill rigfeeding system.
引文
[1]周正平.套管灌注咬压桩施工技术[J].工程与建设,2008,22(6):825.
[2]刘军,周与诚,孔恒.北京卵漂石地层灌注桩机械成孔的适宜性研究[J].市政技术,2009,27(5):529-530.
[3]郭传断.全套管冲抓斗钻孔机的全回转套管装置[J].工程机械,1999(11):3-4.
[4]宋刚.全回转套管施工工艺拓展研究及应用[J].建筑机械,2010(7):82-86.
[5]宋志彬,冯起赠,王年友,等. CG型全套管冲抓成孔设备及施工工艺[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2007(9):48-52.
[6]赵静一,王智勇,覃艳明,等. TLC900型运梁车电液转向控制系统的仿真与试验分析[J].机械工程学报,2007,43(7):63-66.
[7]贺彩云.阿特拉斯·科普柯组装第100台ROCD7全液压露天凿岩钻机交机庆典[J].工程机械.2008,39(2):43-46.
[8]杜祥麟.国外钻探设备新进展[J].国外地质勘探技术,1990,(7):16-17.
[9]张连山.石油钻机技术发展趋势[J].石油机械,2008,39(2):43-46.
[10]刘桂芹,江进国,曹明,等.钻机液压系统中电液比例变量泵的特性测试分析[J].矿业研究与开发,2005,(4):146-148.
[11]庞海英.全液压钻机电液比例技术的应用研究[D].西安:煤炭科学研究总院西安分院矿产普查与勘探学科硕士学位论文,2003:3-16.
[12] Reid,David (Varco Int Inc). Development of automated drilling. Proceedings of the IADC/SPEAsia Pacific Drilling Technology Conference,1998,3(6):134-136.
[13]路甬祥主编.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社,2002:5-16.
[14]孔祥东,刘杰,翟富刚,等.基于AMESim的锻造操作机大车行走液压控制系统仿真研究机床与液压,2010,38(13):128-129.
[15]刘桂芹.电液比例控制技术在工程钻机中应用的研究[D].北京:中国地质大学机械设计及理论学科硕士学位论文,2006:3-14.
[16]许振保,赵春娥.电液此例控制技术的研究[J].机械制造及自动化,2010,39(1):52-54.
[17] Richard. A simplified approach to feedback control system doign[J]. Asme Design EngineeringConferences,1998,12(4)：45-57.
[18] Saeed B, Niku. Introduction to robotics[M].北京:电子工业出版社,2004:5-16.
[19]李壮云.液压元件与系统第二版[M].北京:机械工业出版社,1999:275-277.
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[21]陈小梅.我国液压技术的发展动态[J].机电技术,2011,34(3):50-54.
[22]朱宏培.水平定向钻机液压系统的优化设计与建模仿真[D].南京:东南大学机械设计及理论学科硕士学位论文,2006:4-8.
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[36] McKyes, the cutting of soil by narrow blades[J].1984,(14):43-58.
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[44]郑俊华. JDD-100型城市地质泵查钻机电液比例自动钻进系统研究[D].长春:吉林大学地质工程学科博士学位论文,2009:43-48.
[45]邢彤.盾构刀盘液压驱动与控制系统研究[D].杭州:浙江大学机械电子工程学科博士学位论文,2009:43-48.
[46]姚静.锻造油压机液压控制系统的关键技术研究[D].秦皇岛:燕山大学机械电子工程学科博士学位论文,2009:40-46.
[47]姚佳,甄海华.电液比例溢流阀动态特性研究[J].机械工程与自动化,2009,(157):20-23.
[48]姚佳.基于Simulink的电液比例溢流阀频响仿真[J].液压气动与密封,2009,(2):39-40.
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[50]李怀福.双护盾掘进机液压推进系统的研究[D].长沙:中南大学机械电子工程学科硕士学位论文,2007:20-26.
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[52]张成.双护盾掘进机液压推进系统的研究[D].兰州:河南科技大学机械电子工程学科硕士学位论文,2009:19-27.
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[2]刘军,周与诚,孔恒.北京卵漂石地层灌注桩机械成孔的适宜性研究[J].市政技术,2009,27(5):529-530.
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[27]黄利辉.盾构掘进机刀具切削实验系统及切削力影响规律研究[D].长沙:中南大学机械设计及理论学科硕士学位论文,2009:30-38.
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[30]雷玉勇,李晓红,杨林,等.截齿几何参数与切割参数的匹配研究[J].重庆大学学报,2000,23(1):1-3,23.
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[49]李怀福.潜孔钻机钻孔过程推进力的控制研究[D].长沙:中南大学机械电子工程学科硕士学位论文,2007:20-26.
[50]李怀福.双护盾掘进机液压推进系统的研究[D].长沙:中南大学机械电子工程学科硕士学位论文,2007:20-26.
[51]崔丽琼.石油钻机恒钻压自动送钻系统研究[D].兰州:兰州理工大学电力电子与电力传动学科硕士学位论文,2007:5-7.
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[53]庄欠伟,龚国芳,杨华勇.盾构机推进液压系统比例压力流量复压控制仿真[A].第四届全国流体传动及控制学术会议,343-345.
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