微型定向钻动力装置微型化与节能研究

【摘要】：非开挖地下管线施工技术是一项新崛起并迅速发展的产业，在城市和许多其他场合，采用非开挖技术进行地下管线施工是现代文明发展的需要，因而非开挖方法迅速得到应用和推广是当今世界发展趋势。 随着我国经济建设的不断发展，市政建设需要的不断扩大，以及国内对施工环境要求不断提升，微型水平定向钻进技术逐步得到广泛应用。但是目前微型定向钻的动力源重量和体积均较大，在施工中运送不方便、不灵活，在很大程度上影响了施工进度和工作效率，因此，微型定向钻动力装置的进一步微型化是该行业发展的必然趋势。其次，在微型定向钻的节能研究方面，目前国内外都尚属于起步阶段，微型定向钻节能方面的研究成果在国内外也同样是一片空白。对于能源稀缺的当今社会，微型定向钻节能研究也必将在今后成为人们研究的一个重要方向。 本课题是上海市教委重点学科资助项目“微型定向钻的研制与开发”的子项目。本课题首先对微型定向钻动力装置微型化做了深入研究，在其液压系统中使用单泵加可控单路稳流阀形式代替双泵动力源，并利用计算机控制其旋转和推进系统的速度，从而使微型定向钻的尺寸减小、重量减轻，同时又满足其旋转扭矩、推拉力及调节钻进速度的正常工作的要求。 其次，本课题对微型定向钻的动力装置节能研究做了深入探索。在研究土力学的基础上，对微型定向钻在钻进过程中所受的旋转阻力及推进阻力进行受力分析，建立数学模型，推导出推进速度与推进阻力，旋转速度与旋转阻力，回拖速度与回拖阻力之间的关系，建立通过改变推进速度、旋转速度的方式来改变微型定向钻钻进阻力的理论，为节能研究提供理论依据。 此外，由于本课题在对微型定向钻动力装置微型化过程中采用可控单路稳流阀对液压油进行分流，因此在一定程度上造成了功率损失。本课题在根据土力学研究建立的微型定向钻在钻进过程中所受的阻力与其速度关系的基础上，对如何进行可控单路稳流阀的节能也展开了具体分析。 本课题设计的微型定向钻动力装置微型化方案，经过实验验证完全符合实际要求，此外，本课题对微型定向钻的动力装置节能的研究成果，对中、大型定向钻也具有很大的借鉴和应用意义。 【关键词】：非开挖技术 微型定向钻 动力装置 可控单路稳流阀 节能
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TU69
【目录】：

• 第1章 绪论13-19
• 1.1 非开挖施工技术简介13
• 1.2 国内外非开挖技术的发展状况13-15
• 1.2.1 国外发展概况14
• 1.2.2 国内发展概况14-15
• 1.3 定向钻进概述15-17
• 1.3.1 定向钻基本组成16
• 1.2.2 定向钻进施工法简介16-17
• 1.4 课题的选题意义及研究内容17-19
• 1.4.1 课题的选题意义17-18
• 1.4.2 课题的研究内容18-19
• 第2章 微型定向钻动力装置微型化19-26
• 2.1 微型定向钻概述19-20
• 2.2 微型定向钻动力装置概述20-21
• 2.3 微型定向钻动力装置微型化方案设计21-26
• 2.3.1 目前微型定向钻动力装置设计方案简介21-23
• 2.3.2 本课题动力装置微型化方案设计23-26
• 第3章 可控单路稳流阀的设计26-36
• 3.1 单路稳流阀工作原理26-27
• 3.2 可控单路稳流阀工作原理27-28
• 3.3 主要计算和结构设计说明28-36
• 3.3.1 管道直径的确定29
• 3.3.2 减压阀芯运动的原则29-30
• 3.3.3 A／B口直径的确定30-31
• 3.3.4 弹簧的设计计算31-32
• 3.3.5 节流口do的形状尺寸设计计算32-33
• 3.3.6 节流阀芯摩擦阻力计算33-34
• 3.3.7 传动组件的设计计算34-36
• 第4章 步进电动机的控制36-50
• 4.1 步进电动机的结构及工作原理36-38
• 4.1.1 四相反应式步进电动机的结构36-37
• 4.1.2 四相反应式步进电动机的工作原理37-38
• 4.2 步进电动机主要特性38-40
• 4.2.1 步进电动机的矩角特性和最大静转矩38-39
• 4.2.2 启动转矩Tq和启动频率fq39-40
• 4.2.3 运行频率fy和运行矩频特性40
• 4.3 步进电动机的选取40-41
• 4.4 步进电动机的驱动41-43
• 4.4.1 步进电动机驱动器41-42
• 4.4.2 步进电动机与驱动器的连接42-43
• 4.5 步进电动机的控制系统硬件设计43-46
• 4.5.1 硬件设置43-44
• 4.5.2 控制系统电路原理图44-46
• 4.6 步进电动机的控制系统程序设计46-49
• 4.6.1 步进电动机的控制流程46
• 4.6.2 控制程序编写46-48
• 4.6.3 控制程序写入单片机48-49
• 4.7 控制系统实验49-50
• 第5章 微型化动力装置通讯系统50-68
• 5.1 串行通讯与RS-23250-52
• 5.1.1 串行通讯的工作原理50
• 5.1.2 RS-23250-52
• 5.2 通讯系统硬件电路设计52-53
• 5.3 单片机通讯系统软件设计53-58
• 5.3.1 单片机通讯程序流程图54-55
• 5.3.2 单片机通讯程序编写55-58
• 5.4 计算机通讯系统软件设计58-68
• 5.4.1 VB简介58-59
• 5.4.2 计算机通讯程序流程图59
• 5.4.3 用户交互界面的设计59-60
• 5.4.4 计算机通讯程序编写60-68
• 第6章 节能理论研究68-95
• 6.1 只推进不旋转工况69-74
• 6.1.1 土壤阻力的计算69-72
• 6.1.2 土壤阻力合力的计算72-73
• 6.1.3 只推进不旋转工况的节能研究73-74
• 6.2 边推进边旋转工况74-81
• 6.2.1 扭矩的确定74-77
• 6.2.2 轴向土壤阻力的确定77
• 6.2.3 总推进阻力和总旋转扭矩的合成77-78
• 6.2.4 边推进边旋转工况的节能研究78-81
• 6.3 回拖铺管工况81-92
• 6.3.1 轴向阻力的计算81-85
• 6.3.2 旋转阻力矩的计算85-88
• 6.3.3 总推进阻力和总旋转扭矩的合成88-89
• 6.3.4 回拖铺管工况的节能研究89-92
• 6.4 可控单路稳流阀的节能研究92-95
• 第7章 实验95-102
• 7.1 实验方案95-96
• 7.2 实验装置及实验现场96
• 7.3 实验数据测量及分析96-101
• 7.3.1 实验数据测量96-99
• 7.3.2 实验数据分析99-101
• 7.4 实验结论101-102
• 第8章 结论102-104
• 8.1 创新102
• 8.2 展望102-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-111
• 附录 传动组件111-112
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果112

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