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1、动力头液压驱动系统设计
动力头液压系统如图1所示，由动力头回转系统和动力头推拉系统两部分组成。由于水平定向钻机的工况复杂，对液压元件的性能要求较高，所以选用了国际上先进成熟的力士乐产品。
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| 图1：动力头液压系统原理图 |
1.1动力头液压驱动系统选型
45t水平定向钻机动力头最大推拉力450kN，动力头最大转矩20kNm，最大推拉力时运动速度7.5m/min，动力头最高回转速度130r/min。根据以上技术参数经过综合计算考虑，发动机选用重庆康明斯NTA-855-C型发动机；回转系统采用单泵+双马达+减速机的驱动形式，其中液压马达选用力士乐公司生产的A6VM80斜轴式柱塞马达，液压泵选择力士乐A4VG125斜盘式轴向柱塞泵；推拉系统采用单泵+双马达+减速机+链传动装置的驱动形式，液压马达选择力士乐公司生产的A6VM55斜轴式柱塞马达，液压泵选择与回转系统选择相同；泥浆系统选择雷克有限公司的YWB-450/320型泥浆泵。
1.2动力头液压驱动系统调速控制
动力头作业速度的调节，主要通过调节变量泵或变量马达的排量来实现。在发动机转速恒定的情况下，调节变量泵的排量实际上是改变泵的输出流量。动力头驱动力主要通过调节变量马达的排量和有效工作压力来实现，而常见的动力头调速方法是容积调速回路，即改变泵或马达的排量来实现调速。根据动力头调速原理，变量马达采用HA(高压自动变量)控制，由于EP(电比例)控制便于实现自动化和智能化控制，所以变量泵采用EP控制。对动力头液压驱动系统来说，EP变量泵与HA变量马达结合使用，以改变工作压力作为排量的依据，发动机采用恒功率控制，对动力头进行调速控制是一种简单有效的方法。
2、动力头液压驱动系统的AMEsim仿真建模
动力头在实际工作中各参数是动态变化的，系统是否按照设计的结果去运行，可以利用AMESim高级建模和仿真软件对动力头液压驱动系统进行仿真建模，验证调速方案是否可行。
AMESim是法国IMAGINE公司于1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，2004年IMAGINE公司推出了该软件的最新版本AMESim4.2.0，在消除缺陷的同时，进一步扩展了仿真模型库，在航空航天、汽车制造和工程机械等行业中有着广泛的应用。AMESim软件的标准模型库包括机械和控制两个部分。根据实际需要可以选配液压、液压管路、液压元件没计、液压阻力、气动、热、热流体、冷却、动力传动、填注模型库。
水平定向钻机动力头的液压驱动系统主要由发动机、变量泵(自带补油泵)、变量马达、控制元件和保护装置组成，泵和马达的排量随工作压力的变化而变化。由于该系统的变量伺服机构中没有位置反馈环节，所以是一个不带位置环的闭环压力控制系统，如图2所示。
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| 图2：不带位置环的闭环压力控制系统 |
动力头液压驱动系统的AMEsim仿真模型如图3所示。利用AMEsim仿真的主要目是得到负载变化对液压系统的影响，所以对液压系统进行了简化：去掉厂换向阀，仅研究换向阀开启情况下发动机-液压系统的性能；去掉了变量伺服机构，改为加载信号控制泵和马达的排量；除泵和马达的损失之外，管路损失率取10% ；冷却冲洗阀的流量取为系统总流量的4% ；泥浆泵驱动系统消耗发动机的功率恒定，用一个常量信号模拟；在推拉系统中，去掉了链传动装置，将推进阻力折算为减速机输出轴上的转矩为314Nm。
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| 图3：动力头液压驱动系统的AMESim仿真建模 |
3、仿真结果分析
3.1不同地质条件下钻机作业速度
根据钻机在不同地质条件下作业时的负载状况，对模型加载仿真，可以得到负载变化对液压系统的影响。动力头的负载是变化的，同时由于不断添加钻杆，系统的转动惯量也在变化，这里仅给出最大值时的情况。利用AMESim仿真，可以得到水平定向钻机在不同地质条件下作业时动力头的运动速度，这里给出钻进长度为300m时的作业速度，如表1所示。
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| 表1：不同地质条件下动力头的运动速度 |
当推进力为450kN、转矩为20kNm，达到设计最大值时，动力头的推进速度和回转速度分别为7.13m/min和38r/min。
3.2负载变化对液压系统的影响
假定初始值：推进力225kN，转矩为10kN•m；突变后：推进力450kN，转矩20kN•m。AMESim仿真结果如图4―图8所示。
由图4可看出，在第5s时，负载突然增大1倍，动力头迅速作出响应，由于系统的转动惯量很小，加上变量泵和变量马达的变量伺服机构的响应也比较快，所以回转系统和推拉系统的响应时间很短。由图5看出，工作压力随负载的变化而变化，两者之间的匹配关系与设计值基本吻合，由于泵和马达同时改变排量，压力变化迅速平稳，没有出现上下波动。由图6看出，负载突然增大时，由于系统工作压力的增大，泵和马达的排量也迅速改变。
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| 图4：负载突变时动力头作业速度变化情况 |
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| 图5：负载突变时系统压力变化情况 |
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| 图6：负载突变时泵和马达的排量变化情况 |
由图7看出，负载变化时，回
