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微型定向钻动力装置微型化与节能研究

作　者: 姜涛
导　师: 陆敏恂
学　校: 同济大学
专　业: 机械电子
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
分类号: TU69
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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。

全文目录

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fq  39-40
    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-232  50-52
    5.1.1 串行通讯的工作原理  50
    5.1.2 RS-232  50-52
  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

微型定向钻动力装置微型化与节能研究

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