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(大連海事大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

引言

隨著我國航運事業(yè)的不斷發(fā)展，海洋資源勘探、開發(fā)、交通運輸以及旅游等經(jīng)濟活動也在蓬勃發(fā)展，船舶進入大型化和專業(yè)化時代，但因此大噸位沉船事故出現(xiàn)幾率增加，打撈難度也日益增加。尤其是在我國渤海和黃海地區(qū)，沉船不能得到及時快速的打撈，會導(dǎo)致“一船沉沒，全港癱瘓”的局面，嚴(yán)重影響我國海洋經(jīng)濟的發(fā)展。

攻打千斤洞作業(yè)是沉船打撈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個過程是用攻泥器噴射頭借高壓水沖力，在船底泥沙中沖出一個孔洞，在難船船底穿引過底小鋼絲并逐級穿引過底大鋼絲，從而實現(xiàn)沉船的快速打撈。

近年來，上海、煙臺等救撈系統(tǒng)聯(lián)合科研單位基于陸地非開挖定向鉆機系統(tǒng)設(shè)計了用于攻打千斤洞作業(yè)的設(shè)備。相比潛水員人工水下攻打，該設(shè)備降低了人工作業(yè)的勞動強度和危險系數(shù)，提高了作業(yè)效率和定位精度。但在“碧海行動”沉船打撈工程實施過程中，陸地非開挖定向鉆機配合鉆桿導(dǎo)向架攻打千斤的弊端也顯而易見，表現(xiàn)為，導(dǎo)向架重量增加，結(jié)構(gòu)強度降低，在海況惡劣的情況下極容易折斷。

最先借用陸地非開挖鉆機設(shè)備工作原理的是歐洲SMIT打撈公司與TERRA專業(yè)非開挖技術(shù)設(shè)備公司，他們研發(fā)出了第一臺公認(rèn)的水下導(dǎo)向攻泥器系統(tǒng)，設(shè)備的最大作業(yè)水深50 m，可以完成5萬噸大型沉船的攻千斤作業(yè)，而且通過水面中央監(jiān)控站可以對水下主機進行遙控操作，實現(xiàn)自動換桿、自動定位、自動鉆進及回拖。

上海交通大學(xué)也基于陸地非開挖定向鉆機研制開發(fā)了“深鰻I”，該設(shè)備在200 m水深下可實現(xiàn)最大100 m 的千斤洞攻打作業(yè)。通過遙控可完成定向鉆孔，穿越沉船，再將牽引鋼絲回拖，以達(dá)到穿引過底千斤的目的。

韓宇[1]采用變量泵和變量馬達(dá)容積調(diào)速的設(shè)計方案，結(jié)合45 t水平定向鉆機動力頭控制技術(shù)要求，進行了負(fù)載、變量馬達(dá)、變量泵和發(fā)動機之間的參數(shù)匹配；陳濤[2]確定了適于大噸位水平定向鉆機的液壓驅(qū)動方式,完成了280 t水平定向鉆機的液壓系統(tǒng)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用AMESim對動力頭液壓系統(tǒng)進行仿真分析，研究了負(fù)載變化對液壓系統(tǒng)的影響；朱曉赟[3]對典型河相地層條件下非開挖導(dǎo)向鉆進施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究，借鑒土壓力的計算模式，提出河相地層條件下管道回拖力的計算方法。

為了更好模擬鉆桿在海底地質(zhì)鉆進推進力和回轉(zhuǎn)阻力矩的大小，還要考慮鉆壓和轉(zhuǎn)速對兩者的影響。楊進等[4]開展噴射法下導(dǎo)管的模擬試驗，建立了鉆壓與鉆速之間關(guān)系模型，理論模型中最佳鉆壓和最大機械鉆速數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合良好；李娜[5]考慮影響鉆進速度的因素有鉆壓、鉆速、牙齒磨損、鉆進液性能、水利因素等，解決水力破巖因素的鉆速定量計算問題。

本研究探討了一套基于陸地非開挖式鉆進技術(shù)的液壓系統(tǒng)，結(jié)合鉆進過程中的負(fù)載要求，利用AMESim完成鉆機動力頭旋轉(zhuǎn)回路與推進回路液壓系統(tǒng)的建模與仿真分析。在推進回路液壓系統(tǒng)液壓馬達(dá)兩側(cè)并聯(lián)比例溢流閥，可實現(xiàn)動力頭恒壓控制，實現(xiàn)水下鉆進和旋轉(zhuǎn)的壓力流量控制，保證負(fù)載突變或漸變時水下導(dǎo)向鉆進的精準(zhǔn)控制。整個鉆機模塊可有效對近海和內(nèi)河沉船進行水下攻千斤作業(yè)，從而極大的提高打撈過程的整體快速性和高效性。

1 水下非開挖定向鉆機模塊的作業(yè)過程

水下非開挖鉆機模塊的作業(yè)過程以陸地非開挖技術(shù)為基礎(chǔ)，鉆機模塊系統(tǒng)作業(yè)示意圖如圖1所示，利用動力頭旋轉(zhuǎn)和推進實現(xiàn)海底定向鉆進，最終完成沉船過底千斤的穿引。大致過程如下：

(1) 調(diào)試設(shè)備 將鉆機模塊系統(tǒng)線路連接好，保持密封環(huán)境并安裝在底座上，通過試運行和預(yù)調(diào)試保證系統(tǒng)正常工作；

(2) 布放 在作業(yè)母船上利用起重機將整個鉆機模塊放置船舷側(cè)，由升降單元將鉆機模塊下放到海底，根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡調(diào)整好鉆機模塊的位置、方向和入泥角度；

(3) 錨固 調(diào)整好鉆機的高度，之后利用底座上的錨樁將整個模塊固定在海床上，以防止海底暗潮涌動造成預(yù)設(shè)軌跡的錯移；

(4) 鉆進 操作員在集控室操作鉆機，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時反饋調(diào)整鉆桿軌跡；

(5) 回拖 鉆桿過船底出土后，潛水員或水下ROV機器人在沉船另一側(cè)通過氣泡尋找鉆頭，并連接回拖鋼絲纜，或連接擴孔器用于擴孔。之后操作員在集控室操作鉆機進行回拖工作，完成穿千斤的過程。

圖1 水下非定向鉆機模塊系統(tǒng)作業(yè)示意圖

2 水下非開挖定向鉆進電液驅(qū)動系統(tǒng)

本研究提出一種非開挖鉆進電液驅(qū)動系統(tǒng)，由動力頭、鉆架、自動換桿單元、鉆桿、鉆頭及泥漿系統(tǒng)等部件組成。水下非開挖鉆進液壓系統(tǒng)為鉆機模塊提供動力，以執(zhí)行機構(gòu)為分析源頭，所能實現(xiàn)的主要功能如下：

(1) 動力頭的正、反向旋轉(zhuǎn) 動力頭旋轉(zhuǎn)采用4個液壓馬達(dá)驅(qū)動，液壓馬達(dá)通過與中心齒輪嚙合經(jīng)過一級減速器減速后，實現(xiàn)鉆機的扭矩輸出。

(2) 動力頭的推進、回拖 動力頭推進采用2個液壓馬達(dá)驅(qū)動，鉆架是動力頭的行走機構(gòu)，主要由鉆架體、齒條、拖鏈等子部件組成。將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的平移運動，且動力頭前后在鉆架上的行程滿足拆裝3 m鉆桿的需要。

水下非開挖鉆機鉆進過程中，在不同的海底地質(zhì)環(huán)境、不同的進給和旋轉(zhuǎn)速度下，動力頭輸出的作用力是不同的。鉆機模塊的推進力和旋轉(zhuǎn)速度能夠適應(yīng)海底地質(zhì)需要，且能夠根據(jù)鉆進過程中需求對系統(tǒng)的壓力流量進行復(fù)合控制。

采用比例溢流閥與液壓馬達(dá)并聯(lián)，控制液壓馬達(dá)兩腔壓力，采用比例換向閥控制進入液壓馬達(dá)的流量。采用壓力控制時，比例溢流閥設(shè)置為實現(xiàn)鉆進的預(yù)壓力，流量閥輸出流量一部分進入馬達(dá)，一部分進入溢流閥，通過溢流閥實現(xiàn)馬達(dá)兩腔壓力控制，進而控制鉆壓。

采用流量控制時，比例溢流閥設(shè)置為安全壓力，流量閥輸出流量全部進入液壓馬達(dá)，實現(xiàn)液壓馬達(dá)流量控制，進而控制推進速度。

圖2所示為水下非開挖定向鉆機模塊動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理示意圖。對于動力頭旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，在鉆進過程中，鉆頭所受到的正面壓力通過溢流閥3調(diào)節(jié)控制。在三位四通換向閥5工作于中位時，兩組變量馬達(dá)串聯(lián)，馬達(dá)兩端的恒定壓差分別由與其并聯(lián)的比例溢流閥來保證，且兩組馬達(dá)輸出扭矩基本一致，提高了使用壽命；當(dāng)調(diào)整輸入信號，三位四通換向閥5工作于右位時，兩組變量馬達(dá)并聯(lián)，此時可減小馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩。

1.油箱 2.變量泵 3.溢流閥 4.三位六通比例換向閥 5.三位四通換向閥 6.變量馬達(dá)組 7.比例溢流閥圖2 動力頭回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理示意圖

圖3所示為水下非開挖定向鉆機模塊動力頭推進液壓系統(tǒng)原理示意圖。進入馬達(dá)的流量由三位六通比例換向閥4的輸入電信號調(diào)節(jié)，馬達(dá)兩端的恒定壓差同樣由與其并聯(lián)的比例溢流閥6來調(diào)定。

1.油箱 2.變量泵 3.溢流閥 4.三位六通比例換向閥 5.變量馬達(dá)組 6.比例溢流閥圖3 動力頭推進液壓系統(tǒng)原理示意圖

3 非開挖定向鉆進驅(qū)動系統(tǒng)的研究與建模

定向鉆的基本工作原理為：鉆頭在運行過程中受到液壓系統(tǒng)提供的靜壓力，當(dāng)此壓力下的推進力大于作用在鉆頭和鉆桿表面的阻力時，就可以在海底擠壓土壤完成攻打千斤洞。

3.1 定向鉆的基本工作原理

為減小鉆進過程中所受到的阻力，將鉆頭做成特定的形狀，如圖4所示，同時在鉆頭和鉆桿上安裝泥漿系統(tǒng)來疏松和固定土壤，由于定向鉆鉆頭有一個非對稱的斜面，使得鉆頭在直行或偏轉(zhuǎn)時所受的合力是有區(qū)別的。

因此，當(dāng)鉆頭斜面向上而鉆桿只推進不旋轉(zhuǎn)時，鉆頭通過施加頂推力而受到海底泥反作用力、作用在刀盤上的阻力以及摩擦阻力，將帶動鉆桿向下偏移；而當(dāng)鉆桿帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時，此時可視為垂直方向的力相互抵消，所以鉆頭將直線前進[6]。同時，在定向鉆鉆頭內(nèi)設(shè)有探棒室，裝有斜面位置傳感器和信號發(fā)射器，能夠隨時獲得斜面的傾角和鉆頭的實際深度，便于進行定向鉆進。

圖4 定向鉆軌跡改變原理示意圖

3.2 定向鉆頭回轉(zhuǎn)和推進機構(gòu)的建模

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)馬達(dá)輸出軸聯(lián)接包括減速器在內(nèi)的元件以及動力頭，動力頭的回轉(zhuǎn)速度可以通過輸出軸和轉(zhuǎn)動負(fù)載之間的角速度傳感器測出，其元件參數(shù)如表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)機械元件及參數(shù)

推進系統(tǒng)馬達(dá)輸出軸聯(lián)接的元件包括減速器、齒輪齒條和動力頭。動力頭的推進速度和推進位移分別由速度傳感器和位移傳感器測得，用于負(fù)載力的反饋計算，其元件參數(shù)如表2所示。

表2 推進系統(tǒng)機械元件及參數(shù)

用AMESim里對設(shè)計的水下非開挖鉆進電液驅(qū)動系統(tǒng)進行仿真分析，如圖5所示。

圖5 鉆機動力頭電液驅(qū)動系統(tǒng)的建模

為了保證鉆頭在海底地質(zhì)環(huán)境中準(zhǔn)確的鉆進，就要確定好導(dǎo)向孔軌跡與預(yù)設(shè)軌跡一致，其關(guān)鍵是動力頭負(fù)載特性的計算[6]。

4 動力頭負(fù)載特性的計算與分析

在不同地質(zhì)條件下，動力頭以不同鉆壓、轉(zhuǎn)速作業(yè)時，所承受的推進阻力和阻力矩是有區(qū)別的，以下就其影響因素進行詳細(xì)分析。

4.1 推進阻力的計算和分析

動力頭的推進力用于破碎實際海底地質(zhì)中的土層、砂層等，克服推進過程中的各種阻力，包括海底泥阻力、泥漿反作用力和鉆桿所受到的摩擦力，即動力頭在沒有旋轉(zhuǎn)切削的情況下破碎巖石的最小鉆壓。根據(jù)李邦達(dá)[7]的研究可知，在動力頭提高鉆壓和快速旋轉(zhuǎn)情況下，可以加快鉆進速度。

1) 海底泥阻力的計算

采用靜力學(xué)計算，海底泥對刀盤上的阻力為：

(1)

式中，F(xiàn)1——海底泥作用在刀盤上的阻力，kN

d1——刀盤的直徑，m

p1——不同地質(zhì)在鉆進過程中單位面積上的壓力，kN/m2

不同地質(zhì)單位面積上的阻力如表3所示。

表3 不同地質(zhì)單位面積上的阻力 kN/m2

泥漿系統(tǒng)通過輸送海水使動力頭散熱，提高使用壽命；同時泥漿會在鉆桿與洞壁之間形成護壁，防止出現(xiàn)“抱桿”現(xiàn)象，起到潤滑作用。但在鉆進過程中，泥漿會對鉆頭有一定的反推力，其壓力一般為500 kN/m2。

2) 鉆桿摩擦阻力的計算

動力頭在推進過程中，隨著鉆桿長度的增加，鉆桿與海底泥之間摩擦阻力不斷增大。其計算公式為：

Ff=π·d2·L·f

(2)

式中，d2——鉆桿直徑，m

L——鉆桿在海底鉆進的長度，m

f——單位面積上的摩擦阻力，kN/m2

3) 鉆壓對推進阻力影響的計算

在海底鉆進過程中，除了地質(zhì)對動力頭的推進力有影響以外，鉆壓和轉(zhuǎn)速對鉆速也會產(chǎn)生影響。鉆壓是鉆頭剛剛能破碎海底泥的負(fù)載力，其值大小可參考之前阻力的計算值之和。如果在鉆進過程中施加的鉆壓很大，鉆頭切入過深，鉆頭扭矩就會過大，會造成轉(zhuǎn)速下降，同時會縮短鉆頭的使用壽命。如果鉆進過程中鉆壓過小，就會造成機械鉆速太低，從而會使施工時間過長，影響工期。

鉆壓的大小在一定程度上決定鉆頭的切削深度，鉆壓和鉆速存在一定的對應(yīng)關(guān)系，即隨著鉆壓逐漸增大，鉆速也隨之增加；但當(dāng)鉆壓增大到一定程度后，機械鉆速相反會呈下降趨勢，采用二次函數(shù)形式進行回歸擬合[4]，其關(guān)系近似如下：

v=αW2+βW+γ

(3)

式中，v——鉆速，m/s

W——鉆頭的鉆壓，N(實際工程中采用kN)

α,β,γ——回歸系數(shù)

本研究主要研究鉆壓正相關(guān)于鉆速時，液壓系統(tǒng)各參數(shù)的變化，即在誤差允許的范圍內(nèi)，可以視為與鉆速成線性關(guān)系[4]。即：

vt=k·W+M

(4)

式中,M為鉆速與鉆壓關(guān)系曲線在鉆壓軸上的截距，N(實際工程中采用kN)。

4) 轉(zhuǎn)速對推進阻力影響的計算

對于轉(zhuǎn)速而言，在海底地質(zhì)復(fù)雜的工作環(huán)境中，有諸多因素影響轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系。根據(jù)李娜[5]研究，在實際鉆井過程中，在井底凈化充分的軟底層，鉆速與轉(zhuǎn)速成正比；在硬地層及井底凈化不充分的地層，鉆速增大后鉆速的增長變慢，是以指數(shù)關(guān)系變化的?？紤]到海底地質(zhì)一般在50 kPa以下，此處按照軟底層計算和分析，其數(shù)學(xué)表達(dá)式近似為：

vt=k·vr

(5)

綜合上述，鉆壓和轉(zhuǎn)速對鉆速的影響關(guān)系：在一定海底地質(zhì)中，在不超過鉆機動力頭最大頂推力300 kN的情況下，鉆桿處于常轉(zhuǎn)速120 r/min，鉆速大約為60 m/h；當(dāng)鉆桿轉(zhuǎn)速適當(dāng)增加時，鉆速也有所提高，三者表達(dá)式為：

(6)

式中，vt——鉆頭鉆進速度，m/s

vr——鉆桿旋轉(zhuǎn)速度，r/min

W——鉆頭的鉆壓，N(實際工程中采用kN)

4.2 回轉(zhuǎn)阻力矩的計算和分析

動力頭的回轉(zhuǎn)扭矩是鉆桿在海底鉆進過程中，刀盤與鉆桿一同做回轉(zhuǎn)運動所需要的扭矩，需要克服刀盤的切削扭矩、鉆桿與海底泥的摩擦阻力矩。

1) 刀盤切削扭矩的計算

刀盤的切削扭矩與海底地質(zhì)有關(guān)，即鉆頭在旋轉(zhuǎn)過程中，達(dá)到海底泥的抗剪強度，在切削過程中刀盤各處的抗剪強度一致，在切削面D上進行二重積分可計算回轉(zhuǎn)阻力矩，計算公式為：

(7)

式中，T1——刀盤切削扭矩，kN·m

r——刀盤半徑，m

τf——海底地質(zhì)的抗剪強度，kN/m2

抗剪強度包括兩部分，一部分是地質(zhì)的黏聚力c(kN/m2)，它是由于黏性土顆粒間的靜電引力效應(yīng)和膠合作用引起的(無黏性土可計算為0)；另一部分與地質(zhì)的內(nèi)摩擦角成正比，它反映了土顆粒之間的摩擦阻力，一般來說，顆粒越小，內(nèi)摩擦角也越小。

在鉆進過程中，鉆桿前進方向與船體對地質(zhì)的壓力方向近乎垂直，取壓力作為滑動面上法向總應(yīng)力，得到不同海底地質(zhì)的抗剪強度如表4所示。

表4 不同地質(zhì)的抗剪強度 kN/m2

將上表的數(shù)值代入式(7)，求得刀盤在不同海底地質(zhì)工作中的切削扭矩。

2) 鉆桿與海底泥的摩擦阻力矩的計算

動力頭在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著鉆桿長度的增加，鉆桿與海底泥之間接觸面積不斷增大，對鉆桿回轉(zhuǎn)軸線進行一重積分，求得鉆桿回轉(zhuǎn)時的摩擦阻力矩，其計算公式為：

(8)

式中，r——鉆桿半徑，m

L——鉆桿在海底鉆進的長度，m

f——摩擦阻力，通常取值1 kN/m2

3) 鉆壓和轉(zhuǎn)速對阻力矩影響的計算

與鉆速類似，轉(zhuǎn)速和鉆壓同樣會對回轉(zhuǎn)阻力矩產(chǎn)生影響。如果在鉆進過程中鉆壓較大，或在承受載荷時轉(zhuǎn)速過高，鉆頭進入深度也隨之增大，鉆頭扭矩過大會發(fā)生斷裂。如果鉆進過程中鉆壓過小，或鉆桿轉(zhuǎn)速很低，就會造成機械鉆速太低，切削量小，實際工況中出現(xiàn)鉆而不動的現(xiàn)象。

為了更好地模擬海底地質(zhì)中鉆桿所受的回轉(zhuǎn)阻力矩，在鉆機動力頭計算扭矩不大于12 kN·m的情況下，鉆桿在正常轉(zhuǎn)速120 r/min時，鉆速大約為60 m/h；當(dāng)鉆桿鉆壓或轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低時，鉆桿的回轉(zhuǎn)阻力矩也有所減小，三者表達(dá)式為：

(9)

式中，T——鉆桿回轉(zhuǎn)阻力矩，kN·m

vr——鉆桿旋轉(zhuǎn)速度，r/min

W——鉆頭的鉆壓，N(實際工程中采用kN)

5 仿真結(jié)果與分析

利用AMESim所設(shè)計的仿真模型，可以模擬鉆頭在海底地質(zhì)下作業(yè)的負(fù)載狀況，得到其作業(yè)速度，并找出負(fù)載變化對液壓系統(tǒng)的影響。

表5 液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)

5.1 單一地質(zhì)中鉆頭仿真結(jié)果

1) 鉆壓對鉆速及轉(zhuǎn)矩的影響

對于單一地質(zhì)，以軟巖、固結(jié)石為例，假設(shè)鉆機動力頭的鉆壓或轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，液壓系統(tǒng)的壓力和流量也會相應(yīng)做出調(diào)整，進而使鉆速和回轉(zhuǎn)阻力矩快速做出響應(yīng)。

推進液壓系統(tǒng)采用比例溢流閥壓力控制，實現(xiàn)鉆壓調(diào)整。當(dāng)動力頭回轉(zhuǎn)速度保持在115 r/min左右時，仿真時間10 s，鉆壓在5 s時由29.5 t變成18.4 t，其鉆速和回轉(zhuǎn)阻力矩變化如圖6、圖7所示。

圖6 鉆壓對動力頭鉆速的影響

動力頭的推進力能夠破碎海底泥向前鉆進時，鉆壓會對動力頭的運動速度產(chǎn)生影響。動力頭鉆速降低，由1.00 m/min降為0.61 m/min，切入深度減小，鉆頭回轉(zhuǎn)阻力矩也從11.27 kN·m降為7.28 kN·m。所設(shè)計的液壓系統(tǒng)能保持恒流量，使動力頭回轉(zhuǎn)速度基本保持不變，沒有出現(xiàn)明顯波動。

圖7 鉆壓對動力頭回轉(zhuǎn)阻力矩的影響

2) 鉆壓控制性能仿真結(jié)果

當(dāng)動力頭回轉(zhuǎn)速度降低時，鉆頭在海底地質(zhì)中的鉆進速度也隨之降低，破碎量相對減小，所受的回轉(zhuǎn)阻力矩也隨之減小。如圖8所示，在PID調(diào)定下，液壓系統(tǒng)的鉆壓因比例溢流閥的壓力調(diào)定而不發(fā)生變化。但動力頭在實際地質(zhì)下工作時，由于回轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量和黏性阻尼發(fā)生變化，使得鉆壓有所上升，但遠(yuǎn)小于沒有比例溢流閥調(diào)定時的變化量。即液壓系統(tǒng)能靠比例溢流閥保持恒鉆壓，沒有出現(xiàn)明顯波動，符合設(shè)計要求。

圖8 不同條件下液壓系統(tǒng)的鉆壓變化量

5.2 不同地質(zhì)中鉆頭仿真結(jié)果

動力頭在不同地質(zhì)中鉆進時，因地質(zhì)條件發(fā)生改變，動力頭所受負(fù)載也隨之變化。

1) 地質(zhì)改變對鉆速及轉(zhuǎn)矩影響

假設(shè)在AMESim中仿真10 s，鉆機在第5 s從砂礫石層進入砂層，保持鉆頭恒轉(zhuǎn)速鉆進，其鉆速和回轉(zhuǎn)阻力矩變化如圖9、圖10所示。

鉆機從砂礫石層進入砂層，即從較硬地質(zhì)進入到較軟地質(zhì)，動力頭所受負(fù)載減小，液壓系統(tǒng)通過調(diào)定保證恒轉(zhuǎn)速鉆進。在PID調(diào)定下，鉆頭鉆速迅速增大到1.00 m/min，回轉(zhuǎn)阻力矩幾乎不變；而在實際比例溢流閥調(diào)定下，鉆頭鉆壓降低，鉆頭切入深度增大，鉆速由0.612 m/min提高為0.738 m/min，鉆頭回轉(zhuǎn)阻力矩也從3.28 kN·m減小到2.64 kN·m；而無比例溢流閥調(diào)定的動力頭鉆速幾乎不變，但轉(zhuǎn)矩變化量減小約1.0 kN·m，液壓系統(tǒng)的沖擊力較大，液壓元件壽命降低。

圖9 負(fù)載突變時動力頭鉆速變化情況

圖10 負(fù)載突變時動力頭回轉(zhuǎn)阻力矩變化情況

2) 鉆壓控制性能仿真結(jié)果

為了更好地驗證比例溢流閥的恒壓作用，假設(shè)在第8 s回轉(zhuǎn)速度由119 r/min降為96 r/min左右時，動力頭鉆壓變化如圖11所示。

圖11 動力頭鉆進過程中鉆壓變化情況

動力頭負(fù)載在第5秒突然減小時，液壓系統(tǒng)的鉆壓迅速降低，但在PID調(diào)定下很快調(diào)定到初始鉆壓，基本不發(fā)生變化；有比例溢流閥調(diào)定作用的液壓系統(tǒng)鉆壓變化量相對較小，相比于無比例溢流閥調(diào)定的液壓系統(tǒng)，元件所受沖擊力小。

之后第8秒通過調(diào)節(jié)比例換向閥的閥口開度，使進入回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的流量減少，回轉(zhuǎn)速度降低，有比例溢流閥調(diào)定作用的液壓系統(tǒng)鉆壓升高，且相比于無比例溢流閥調(diào)定的液壓系統(tǒng)，鉆壓變化量較小，液壓沖擊力小。

6 結(jié)論

(1) 動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)是水下非開挖定向鉆機電液驅(qū)動系統(tǒng)中的重要組成部分，將動力頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和推進系統(tǒng)獨立設(shè)計，二者之間互不影響，同時又在鉆進時保持協(xié)同工作；

(2) 對動力頭進行推進阻力和回轉(zhuǎn)阻力矩的計算，求得水平定向鉆機在固結(jié)土、砂礫石、沙土和黏土等不同地質(zhì)條件下作業(yè)時的負(fù)載，同時考慮鉆壓和轉(zhuǎn)速對其產(chǎn)生的影響；

(3) 利用AMESim仿真軟件對動力頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了建模和仿真，通過比例溢流閥的恒壓調(diào)定，得到負(fù)載變化對液壓系統(tǒng)的影響。