150kNm旋挖钻机液压系统仿真与实验研究

分类号:TH12
10710-2009125046
硕士学位论文
150kNm旋挖钻机液压系统仿真与实验研究
李兆凯
导师姓名职称焦生杰教授
申请学位级别工学硕士学科专业名称机械电子工程论文提交日期2011年12月1日论文答辩日期2011年12月16日学位授予单位长安大学
答辩委员会主席李炳寅教授级高工
学位论文评阅人李炳寅教授级高工
王欣副教授
S imulation and E xperimental S tudy of Hydraulic System of150kNm R otary D rilling R ig
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
okai
Candidate：Li Z ha haokai
Supervisor：Prof.Jiao Shengjie
Chang’an University,Xi’an,China
摘要
旋挖钻机是一种以动力头带动钻具旋挖为主，配以起吊、回转、行走、变幅等作业装置，广泛应用于灌注桩作业中的施工机械。

近年来，旋挖钻机的各项技术指标在工程机械领域中有了长足的发展，液压系统作为多项技术指标中最重要的指标之一，其优劣性对系统工作的稳定性有重要的影响。

本文对该型号旋挖钻机的主要液压回路即主卷扬回路、动力头回路、加压油缸回路等进行了工作参数核算和发热功率校核，计算结果表明该系统工作参数都在系统元件的额定范围之内，与其他工况相比较，主卷扬下放工况中，钻杆重力势能全部转化为热能，发热严重；建立了基于AMESim的液压系统仿真模型，对主卷扬下放工况和旋挖加压复合动作两种工况进行了仿真，仿真结果表明主卷扬下放工况和动力头旋挖复合动作工况为系统节流压力损失最大工况；对旋挖钻机液压系统进行了实际作业工况下的实验，结果与理论计算、仿真保持一致，说明了理论计算和建立的仿真模型是正确的；对比计算、仿真和实验的结论，针对动力头旋挖及加压油缸加压的复合动作过程中存在的发热问题，提出了改进方案，给出了液压系统原理图，利用AMESim进行了建模仿真，并且与原系统仿进行了对比，证明了改进方案的可行性，为进一步的研究提供了理论基础。

关键词：旋挖钻机；液压系统；实验研究；AMESim仿真
I
Abstract
Rotary drilling rig,matching with hoisting,rotary,walk and changing amplitude operation device and widely used in filling pile the homework construction machinery,is a machine that used rotating drill head drive screw for digging primarily.In recent years, technical indexes of the rotary drilling rig were made a good progress,and the hydraulic system as a number of the indicators of the most important indicator,its advantages and disadvantages has important implications for the stability of the system of work.
Indexes of the system of work was accounting and the heating power was accounting for this model of rotary drilling rig main hydraulic system,such as the main winch,the rotary drive,the pull-down cylinder,and the result showed that all the parameter of this hydraulic system are in the nominal range,comparing with the other working condition,the gravitational potential energy of the drill rod will transfer to heat mostly in the condition that the main winch makes falling action;the hydraulic simulation models were build for situation that rig making a rotary drilling and depressing composite motion in two conditions and main winch falling down by AMEsim and the results of the simulation shows that this two conditions are the biggest throttling pressure loss working conditions of system;experimental research on this type of the rig was done and the result was consistent with the rationality of the calculation and the simulation mentioned above,means that the rationality of the calculation and the simulation mentioned above are correct;comparing with the results of the calculation,simulation and experiment,for the overheating problem in the rotating drill head digging and pressurized cylinder pressing,the solution was employed,the schematic diagram of hydraulic system was giving,modeling simulation was done,and feasibility of the new plan was proved by results of simulation which compared with the hydraulic system used before,and provide a theory for the further research.
Keyword:rotary drilling rig;hydraulic system;experimental study;simulation by AMESim
II
目录
第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2旋挖钻机发展现状及技术特点 (1)
1.2.1旋挖钻机的发展现状 (1)
1.2.2旋挖钻机液压系统概述 (3)
1.2.3旋挖钻机工作装置工作原理及技术特点 (4)
1.3本论文研究的目的意义、背景及研究内容 (7)
1.3.1本论文研究的目的意义及背景 (7)
1.3.2本论文主要研究内容 (8)
第二章150kNm旋挖钻机主要液压回路计算分析 (10)
2.1150kNm旋挖钻机液压系统技术特点 (10)
2.2150kNm旋挖钻机主要液压回路参数计算 (12)
2.3150kNm旋挖钻机工作流程及各流程工作时间分析 (16)
2.3.1工作流程图 (16)
2.3.2各流程工作时间及影响因素分析 (16)
2.4150kNm旋挖钻机发热影响因素分析 (17)
2.4.1施工工况分析 (17)
2.4.2发热功率示意图 (18)
2.4.3150kNm旋挖钻液压系统分工况发热功率计算 (18)
2.5本章小结 (23)
第三章基于AMESim软件的液压系统建模与仿真 (25)
3.1AMESim仿真软件简介 (25)
3.2Hydraulic库和HCD库简介 (26)
3.2.1Hydraulic库简介 (26)
3.2.2HCD库简介 (27)
3.2.3AMESim软件的建模仿真流程 (28)
3.3基于AMESim的旋挖钻机液压系统仿真 (30)
III
3.3.1AMESim模型搭建 (30)
3.3.2模型参数设定 (32)
3.3.3仿真及结果分析 (35)
3.4本章小结 (44)
第四章150kNm旋挖钻机液压系统实验研究 (45)
4.1实验目的 (45)
4.2实验方法与工况分析 (45)
4.2.1实验准备 (45)
4.2.2实验步骤 (48)
4.3实验数据统计 (48)
4.3.1实验曲线汇总 (48)
4.3.2实验数据汇总 (50)
4.3.3实验结论 (51)
4.4本章小结 (52)
第五章150kNm旋挖钻机液压系统改进研究 (53)
5.1动力头与加压油缸复合动作工况分析与液压系统改进 (53)
5.1.1动力头加压油缸复合动作工况分析 (53)
5.1.2动力头及加压油缸回路改进方案 (54)
5.1.3基于AMESim的改进方案建模仿真 (54)
5.2其他改进措施 (56)
本章小结 (57)
结论与展望 (59)
结论 (59)
问题与展望 (60)
参考文献 (61)
致谢 (65)
附录一 (66)
附录二 (67)
附录三 (68)
IV
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第一章绪论
1.1引言
旋挖钻机是灌注桩成孔设备，具有施工时噪声小、无振动、无土体变形和移位，对周围建筑物影响小，钻孔深度可以自由选择，并且具有制桩成本低，多功能、高效率等优点，在基础工程施工中有着广泛的应用。

在国外发达国家中早已成为灌注桩施工机械中的主力机种。

目前来说，大规模城市化建设在我国正如火如荼的进行，这点为旋挖钻机提供了广阔的市场需求。

可以看出其在我国有很好的发展前景，外国进口的产品正大量涌入我国市场，就现在来看，虽然近几年譬如三一，徐工，山河智能，北京经纬巨力等公司在旋挖机方面也有了较大的进步，但总体来说我国的同类项目发展还是较为缓慢的，未来几年与此有关的项目将处于一个高速密集发展阶段。

种种迹象表明，旋挖钻机的巨大市场轮廓已经在我国逐步显现[1]。

1.2旋挖钻机发展现状及技术特点
1.2.1旋挖钻机的发展现状
（1）旋挖钻机研究背景
旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展，1948年意大利迈特公司首先开始研制，接着意大利、德国开始发展，到了70～80年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（EarthDriII），在德国、日本这类工法相当普遍。

80年代初，我国从日本引进过该类型工作装置，在KH-125型履带式起重机上配装。

美国RDI公司的产品在1984年由天津市探矿机械厂引进，并进行了消化吸收和改进。

1987年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司生产的旋挖钻机，北京城建机械厂1988年根据意大利土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。

郑州勘察机械厂1994年引进了英国BSP公司得附着式旋挖钻机生产技术，但最终都没有量产化。

宝峨公司于1992年在北京设立了旋挖钻机代表处，开始对华业务，并于1995年成立了天津的独资子公司（宝峨天津机械工程有限公司），该公司的主要业务
第一章绪论
是组装适合于中国市场的宝峨BG20型的旋挖钻机。

中德合资于1998年在上海成立了上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装的旋挖钻机型号包括BG15型、BG24型。

徐工集团1998年开始自主开发研制生产RD18型旋挖钻机，并于1999年试制成功投入量产，作为中国旋挖钻机生产的一个代表，我国旋挖钻机最近几年取得了快速发展。

后来，三一重机、北京经纬巨力等公司也纷纷开始旋挖钻机的生产，目前国内外拥有生产旋挖钻机业务的厂商有近二十家[1][2][4]。

（2）旋挖钻机发展趋势
A.据统计，国内80%的桩基础桩直径在1.2m以下，深度不超过40m，故20吨级以下的中、小型旋挖钻机的市场容量较大。

所以应该从实际出发，开发不同档次不同型号的旋挖钻机。

B.致力于旋挖钻机施工工法的研究。

结合工法开发新产品，实现产品系列化，通过产品的个性化、差异化来满足客户的各种需求，并大力发展旋挖钻机品种。

C.借鉴国外先进技术，如采用电液比例伺服控制系统、PLC、CAN总线控制等，提高定位钻孔精度，使钻机具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能，通过大量的实验使液压参数匹配更合理等。

总之，使之更智能，更节能。

（3）旋挖钻机国内外技术对比
A.目前国产的旋挖钻机的各项指标，尤其液压系统的配置还达不到国外先进水平，特别是与代表世界最先进水平的宝峨钻机相比，还有很大差距。

国外旋挖钻机的液压系统采用负荷传感系统或恒功率系统，配置合理，技术成熟。

液压元件也采用了国际先进成熟的产品。

近几年来，随着国外先进技术的引进，国内有些厂家也基本可以达到此水平。

不过，要以长远的目光看待问题，发展民族工业还是要有自己的技术，这点是我们的薄弱环节。

B.国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主机的要求，主要原因是钢管和钻杆加工工艺还不够成熟。

C.近几年来，国产的旋挖钻机，借鉴国外一些先进生产厂家的技术，也在走智能化的路线，有的装有全电脑操作系统，操作手可以对钻进深度、钻架垂直度进行实时检测。

D.产品缺乏多样化和系列化，机型过于集中在扭矩为200kNm左右级别[2]。

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目前来看，国内产品和外国同类型产品还有一定差距，无论是功能上，还是技术上都相对落后一些。

所以我们应当借鉴国外的先进技术，改进我们的产品，淘汰落后产能，提高发展我们自己的技术。

才能在形势越发严峻，竞争越发激烈的旋挖钻机市场站稳脚跟，才能使我们的民族工业蒸蒸日上。

1.2.2旋挖钻机液压系统概述
和其他液压驱动的工程机械一样，旋挖钻机液压系统是旋挖钻机所有工作系统中最为重要的部分，如今，国内外旋挖钻机生产厂家的所有产品都在向着全液压驱动的方向发展，其重要性可见一斑。

旋挖钻机液压系统包括两个主要部分，即液压系统组成元件及管路和控制方式[5][37]。

（1）旋挖钻机液压系统组成
图1.1旋挖钻机液压系统组成图
和所有液压驱动的工程机械一样，旋挖钻机液压系统组成如上图所示，液压油泵在发动机的带动下，从油箱得到液压油，输出高压油，经过管路及各种控制阀，最好道道执行机构油缸或者马达，驱动其进行施工作业，最后经过散热器降温回到油箱。

完成一次工作循环[37][39][45]。

（2）旋挖钻机液压系统三大控制方式
纵观国内外旋挖钻机生产厂家的产品样本资料，其液压系统控制方式主要包括以下
第一章绪论
三种。

A.负流量控制
在负流量控制中，操作手柄控制的二次先导压力越大，由二次先导压力控制的主阀芯的开启度也会越大，与之对应，主阀芯的开启度越大，主油路分向执行元件的油越多，执行元件的速度就会越快，通过中位流经负压信号发生装置的油越少，负压信号的压力值就会越小；反之如果手柄行程越小，对应的二次先导压力也会越小，由二次先导压力控制的主阀芯的开启度也会越小，与之对应，主阀芯的开启度越小，主油路分向执行元件的油越少，执行元件的速度就会越慢，通过中位流经负压信号发生装置的油就越多，负压信号的压力值就会越大。

液压泵根据负压信号的压力值的大小来对其排量进行控制。

负流量控制信号采集点是主油路中主控制阀的出口处。

B.正流量控制
操纵手柄的先导压力不仅控制换向阀，还用来调节油泵的排量。

执行元件不工作的时候，油泵上的先导压力为零，斜盘摆角也在最小状态，油泵输出流量很小，只有少量备用流量。

对先导手柄进行操纵，则于液压先导回路中建立起与手柄偏转量成比例的压力来控制泵的排量和换向阀阀芯的位移。

由此产生的执行元件的工作速度和油泵的流量与先导压力控制的控制压力成正比例。

在正流量的主控制阀上没有负压信号发生装置,他的信号采集于二次先导.其它部分与负流量没有什么区别。

C.负载敏感控制
简而言之，伏在敏感是一种感受压力—流量需求，且仅提供需求的流量和压力的液压回路，当系统不工作时，变量泵的压力补偿器使其在低压下保持待机状态，当系统工作时，压力补偿器感受系统流量需求，并在工况发生改变时，根据系统流量需求提供可调流量。

由于多数液压系统不在恒定压力下工作，载荷变化时，工作压力是不同的，因此需要一个具有特殊感应油路和阀口开度的控制阀，来实现负载敏感控制的完整特性。

阀工作时，先从执行装置马达（或油缸）取得压力需求，将压力信号传递给泵，让泵做出响应，系统所需流量由滑阀开度控制，系统流量需求通过控制阀反馈给泵，这种液压泵与阀的组合使得液压系统具有了通过载荷情况向系统提供流量的特性[8][19][43]。

1.2.3旋挖钻机工作装置工作原理及技术特点
旋挖钻机结构主要包括一下几个方面：变幅机构，桅杆，动力头，主卷扬，加压装
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置及钻杆钻具。

以下是各主要工作装置工作原理介绍。

（1）旋挖钻机工作装置结构之变幅机构：
一种为平行四边形小三角结构，由动臂、三角架、支撑杆、变幅油缸组成，其特点是变幅范围大，桅杆可后落桅，折叠，降低运输高度和长度。

缺点是前面机构的重量偏重，稳定性相比较差，超大扭矩下不能承受。

另外一种是大三角结构，以宝峨公司产品为代表结构简单，稳定性好，能承受大扭矩是其最为突出的特点。

缺点是运输状态下需要要拆开，浪费时间，并且需要辅助起重的设备；
第三种以意大利的安特高和西班牙的拉马达公司为代表，该机型虽然也是属于大三角支承结构，但是由于装有辅助的起架油缸，整机可以放倒折叠，具有以上两种结构的优点，结构新颖，经济实用。

（2）旋挖钻机工作装置结构之桅杆：
桅杆作用：安装动力头，承重钻杆以及固定前置主卷扬。

桅杆一般多采用箱式结构，分为上桅杆、中桅杆、下桅杆。

（3）旋挖钻机工作装置结构之动力头：
动力头是钻机重要部件，作用是输出扭矩，由变量液压马达、行星减速机、动力箱和一些辅助部件组成，工作原理：通过液压泵输送的高压油驱动液压马达输出扭矩，通过行星减速机和动力箱减速并增大扭矩。

（4）旋挖钻机工作装置结构之主卷扬：
主卷扬是钻机重要组成部件，作用是提升或下放钻杆，由液压马达、行星减速机、制动器、卷筒及钢丝绳组成，工作原理：由液压泵输出高压油驱动主卷马达，同时打开油路和机械制动，通过减速机减速增大扭矩，驱动卷筒旋转来提升或下放主卷。

主卷扬对钻孔效率的高低、钻孔事故发生的几率，钢丝绳寿命的长短都密切相关。

（5）旋挖钻机工作装置结构之加压装置：
加压装置作用：给动力头施加压力，压力由加压装置传递→动力头→钻杆→钻头→齿尖，实现切削、破碎或碾磨的目的。

加压形式分为两种：油缸加压、卷扬加压。

油缸加压：加压油缸固定在桅杆上，加压油缸活塞连接动力头滑架上，工作原理由
第一章绪论
钻机液压泵提供高压油，进入油缸无杆腔，推动油缸活塞运动，给动力头施加压力，停止时由单项平衡阀锁油，防止动力头下滑。

优点：结构简单，维修方便。

卷扬加压：在桅杆上安装一个卷扬总成，卷筒上对置缠绕两根钢丝绳，一根为加压，一根为提升，通过桅杆上定滑轮与动力头动滑轮连接，然后分别固定在下桅杆和上桅杆，实现提升或加压工况。

优点：通过动滑轮可实现更大的加压力，可实现长螺旋工法，缺点：结构有点复杂，组装拆卸麻烦，操作时增加注意事项。

无论是加压油缸还是卷扬加压，都是实现加压工况，只是加压形式不同而已。

（6）旋挖钻机工作装置结构之钻杆：
钻杆作用：向钻具传递扭矩和压力的部件。

由钻杆体、内键、外键、挡环、方头、缓冲弹簧、托盘、钻杆销轴组成。

钻杆类型：摩阻式、机锁式又分为间断式和齿条式。

摩阻式钻杆加压力是靠内外键摩擦传递，因此钻杆有负载便产生摩擦力，摩阻式钻杆适合普通地层钻进。

摩阻式钻杆结构简单，维修方便，造价低，提高效率。

机锁式又分为间断式和齿条式：机锁式用于坚硬地层钻进。

（7）旋挖钻机工作装置结构之钻具：
钻具作用：旋挖切削、破碎、碾磨、扩孔并把渣土取出的作用。

钻具多种类型，适合不同地质钻进，大致包括：捞砂斗、螺旋斗、筒钻、清底斗及扩孔钻斗[1][2][4]。

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图1.2旋挖钻机结构示意图
1.3本论文研究的目的意义、背景及研究内容
1.3.1本论文研究的目的意义及背景
（1）本文研究目的及意义
旋挖钻机以其高效、环保的施工作业优势，已在业界取得了广泛的应用。

由于我国旋挖钻机的起步应用与大型重点建设工程关系紧密，加之对灌注桩工法的认知有一个过程，我国的旋挖钻机应用和研发一直处于较偏重中大功率机型。

但是随着旋挖钻机普及性应用所面对的更大量的中小规格桩工需求，对着实践和工法认识的不断加深，以及由设备保有量提高带来的市场竞争加剧，关注旋挖钻机在施工应用中的最佳经济性，尽快实现国产旋挖钻的产品系列化变得非常迫切。

尤其随着能源短缺和燃油提价，旋挖钻应用和系统设计中的能耗及发热问题日益成为影响市场销售、效益评估和设备综合性能评价的重要因素。

本文的研究方向对于旋挖钻机本身来说，也是非常重要的。

由于工程机械液压系统的效率较低加之某些机型元器件选择及系统设计不够合理，必然引起机器在施工中发热严重，能耗严重，稳定性差的情况，针对如此现状，本文的研究旨在降低系统的发热，
第一章绪论
简化系统设计，提高系统设备的可靠性和工作寿命，降低系统的装机功率，从而在一定程度上有助于节约设备的制造和维护成本。

对于旋挖钻机的制造商和用户来说，将为其带来可观的经济效益。

（2）课题的提出
某厂家开发的150kNm系列旋挖钻机，该机型液压系统参数设置比较合理，产品智能化程度较高，但是由于系统配置不合理，一些型号的机型仍存在或多或少的问题，比如起步停车冲击较大，大负荷连续工作液压系统发热严重就是两个最主要的特点。

这些年来，随着科学技术的发展，我国旋挖钻机产业有了长足的进步，但技术确实还是跟国外先进的产品有差距。

鉴于此，考虑到厂家自己的科研力量相对较为薄弱，2010年，该旋挖钻机生产厂家与长安大学工程机械学院展开了该型号旋挖钻机液压系统研究的合作，校企合作，共克难关，对其液压系统进行优化和深入研究，结合实验以及仿真数据，在全面提升其产品液压系统技术水平的同时，最大程度的压缩其科研成本及研究周期。

图1.3150kNm旋挖钻机
1.3.2本论文主要研究内容
（1）对150kNm旋挖钻机现有液压系统进行完整的计算分析。

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（2）对150kNm旋挖钻机现有液压系统进行基于AMESim软件的仿真分析。

（3）对150kNm旋挖钻机现有液压系统进行实地实验分析，后期进行数据处理。

（4）对比计算结果，仿真结果以及实验所得结果，得出结论，为进一步改进该液压系统提供理论参考。

（5）提出150kNm旋挖钻机液压系统的改进方案，对改进方案进行建模仿真并与原有方案进行对比。

第二章150kN.m旋挖钻机主要液压回路计算分析
第二章150kNm旋挖钻机主要液压回路计算分析本章对扭矩150kNm旋挖钻机主要回路包括动力头，加压油缸和主卷扬现有液压系统进行完整的计算分析，该计算分析主要分为三个部分。

包括扭矩150kNm旋挖钻机主要液压回路参数计算，旋挖钻机工作流程及工作时间核算和旋挖钻机系统发热功率计算。

2.1150kNm旋挖钻机液压系统技术特点
150kNm旋挖钻机液压系统主要包括三个方面：泵组，主阀组和执行装置。

泵组有两个主泵和一个冷却泵，一个先导泵组成，这四个泵跟发动机同轴连接。

主泵由两个105ml/r的变量泵组成，两个主泵采取集成的方式布置，分别向两个主阀供油。

冷却泵为一个14.5ml/r的定量泵，其带动一个冷却马达对油散进行降温。

先导泵为一个10ml/r的定量泵，带动先导油路动作。

主阀组包括两个主阀，该机型主阀采用哈维(HAWE)PSV阀，主阀一为七联阀，主阀二为六联阀。

该主阀可以单独控制一个执行元件，也可以同时控制多个执行元件，完成多项复合动作，并可实现动力头、主卷扬合流等功能。

主阀一控制的执行机构包括右行走马达，副卷马达，动力头马达，加压油缸，左倾缸，右倾缸。

主阀二控制的执行机构包括主卷马达，左行走马达，回转马达，变幅油缸，以及左右履带伸缩缸。

哈维的PSV阀包括三个主要油口，即进油口，回油口及LS压力口，主泵将压力油从进油口输送到主阀中，供给各个工作装置回路，完成动作后从回油口经过油散回到油箱，S油口作用是，各个工作装置回路的LS压力分别经过梭阀后，取出所有工作回路中LS压力最大的回路信号，从LS口输出，由于本系统选取了两个主阀，所以两个主阀的LS口输出压力还要再经过一次梭阀，以保证得到的LS压力信号是所有执行装置工作回路中最大的，所得到的最大LS压力用来通过液压缸控制变量泵的斜盘倾角。

图2.1150kNm旋挖钻机液压系统简图
由于旋挖钻机所要求做的动作比较复杂，所以其执行装置数量比较多，包括各种马达及液压缸，相对于其他类型的工程机械，比较复杂。

旋挖钻机在施工过程中，所做的比较重要的动作包括动力头的旋挖，主卷扬的提升、下降，及加压油缸的加压。

150kNm 旋挖钻机主要液压回路原理图为图2.2和图2.3，包括主卷扬回路和动力头加压油缸复合动作回路，见附录一和附录二。

（1）动力头回路
动力头是旋挖钻机的主要工作机构，150kNm旋挖钻机的动力头采用双马达形式驱动，动力头液压马达高速旋转通过减速器减速以后，减速器输出端的小齿轮和主减速器的大外齿轮啮合，形成终极减速。

动力头变量马达通过与变量泵相匹配，使钻杆转速可在设计范围内根据工作载荷自动调整。

如图2.3所示，当合流关闭，即单阀给动力头马达供油，且主阀处于右位时，动力头顺时针转动，通过减速机带动钻具正常旋挖。

当主阀处于左位时，动力头反转抛土。

打开合流，通过动力头合流，在系统压力不变的情况下，动力头马达流量成倍增加，使马达高速旋转。

工作时，在恒定转速下，若变量泵以高压小排量向变量马达供油，变量马达以低速大转矩输出，完成动力头大转矩钻进的动作；当变量泵以低压大排量向变量马达供油，变量马达以高速小转矩输出，可满足动力头快速抛土要求。

动力头液压回。