水平定向动力头式全液压钻机节能设计方案研究

郭旭 叶茂盛 晏剑波

（湖北地建集团神龙市政建设工程有限公司 湖北武汉 430000）

1 引言

钻机的结构与其所采用的钻进工艺相关联。目前国内外都正在研制和应用全液压钻机。全液压钻机同传统钻机一样，都是用来完成钻进和升降钻具等基本工序，以实现采取岩心，达到探矿的目的。从结构上看，全液压钻机可以分为立轴式全液压钻机和动力头式全液压钻机。二者相比较，动力头式全液压钻机具有结构简单、重量轻、操作简便、可以实现无级调速、加压给进等优点，工作效率大大改善。并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展方向之一。综合各方因素，我选择设计水平定向动力头式全液压钻机。

考虑到此钻机常用于户外作业，动力可选柴油机。钻机应用螺纹连接钻头精简结构，节约时间，提高有效钻进速度。动力头采用单极齿轮减速器，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用不同的钻进速度。在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化、通用化、系列化。

2 主机部分方案确定

一台全液压钻机主要包括主机、动力设备和操纵台三个部分。水平定向全液压钻机的主机包括回转机构、给进机构等基本部件。

2.1 回转节能机构选择

全液压节能动力头式节能钻机的回转机构，就是移动式回转器，亦称为动力头。动力头是钻机的重要组成部分，主要由回转马达、减速器、水接头组成。它的功能有二：（1）传递扭矩，以带动钻具旋转钻进或拧卸钻杆；（2）动力头由给进机构带动，以传递向上或向下的轴向力及其运动，用来实现加减压给进。

本全液压钻机通常采用导向钻杆，其钻进工艺对动力头的基本要求有下列几点：动力头的钻数和扭矩应是可调的，最好的方案是无级调速，以适应钻进工艺的需要；转数调节范围应满足钻进工艺的需要；具有正反转的能力。

回转平稳、振动少和噪音不大等。

动力头转速调节范围，取决于地质条件、钻头直径以及钻进方式。由于是全液压钻机可以实现无级调速，马达的调速范围在8r/min～300r/min之间完全满足钻机的要求。采用导向钻杆钻进时，要求高转速。国外的最高转速以达2000r/min～3000r/min；国内大致在1000r/min～1500r/min，而从处理事故和拧紧钻杆的要求，则需要低速档，一般为200r/min～300r/min。本设计动力头的转速范围为1r/min～60r/min、1r/min～120r/min。本设计的动力头主要特点如下：油马达上装有安全阀，可自动进行过载安全保护；无液压卡盘，采用螺纹连接结构，使整体结构简单化。结构紧凑，节省原材料；壳体由铸铁制成，故有良好的工艺性。

动力头按照回转油马达的安装位置不同，可分为装有油马达的动力头A型和不装油马达的动力头B型两类。A型动力头与B型动力头相比，具有结构简单紧凑、工作可靠、重量轻和搬运方便等优点。目前，国内外全液压节能动力头式钻机的大多数均采用A型动力头。本设计也采用A型动力头。

A型动力头的工作原理（图1所示）：油马达2经齿轮传动箱带动输出轴回转，从而使钻具回转。

图1 节能钻机动力头原理示意图

2.2 给进节能机构确定

给进节能机构是钻机的工作机构之一，它对钻机的技术性能、工作效率以及其应用范围有着极大的影响。全液压节能动力头式钻机给进机构的功用有二：（1）用来保证钻头具有所需压力，（2）实现进给；二是用来“倒杆”。

一个完善的给进机构应满足下列要求：（1）能调节钻头压力，浅孔时加压、深孔时减压，故要求给进机构具有加压和减压等机能，压力调定后就应保持恒定不便。（2）给进速度是可以调节的，并应能无级调速，使钻头给进速度能与机械钻速相适应。（3）给进行程应尽可能的长，且结构简单、工作可靠、操作灵活安全。并应配备有仪表来观测钻头压力、进尺和钻速等。

目前，全液压节能动力头式钻机的给进机构有油缸液压给进机构和油马达—链条给进机构两种。大多数钻机采用油缸给进机构。

油缸给进机构又分为一般油缸给进机构和油缸—链条倍速给进机构两种。一般油缸给进机构是油缸的液压力或运动直接作用于动力头和钻具；油缸的行程和动力头的给进行程相等，故又称为非倍数油缸给进机构。油缸—链条倍速给进机构是动力头的给进行程等于活塞行程的两倍。本设计选用单油缸—链条给进机构。

图2 给进节能机构示意图

单油缸—链条给进机构工作原理（图2）：给进油缸缸体固定在机架上，活塞杆的前端与带有链轮的连接轴相连接。拖板向后移动。每根链条的一端都是绕过链轮之后固定在给进机架上，而另一端绕过链轮之后分别与拖板相连接，组成为一个封闭的倍增传动链，拖板行程比活塞行程增大一倍。

3 节能动力设备部分

全液压钻机的动力设备，包括动力机、油泵、油箱、过滤器、冷却器等。

3.1 动力机选择

驱动油泵的动力机，一般采用电动机或柴油机。在坑道钻探中，也有采用风马达的。动力机的转数，一般为1460r/min～1800r/min，国外钻机有增高动力机转数的趋势，高达2400r/min～3600r/min。这样可以大大提高油泵排油量，或缩小油泵尺寸和重量，使动力机和油泵小型化。

动力机的功率是设计钻机的依据。钻机的功用主要是用来完成钻进工序。回转钻进所需的功率包括破碎孔底岩石和回转钻具等所需功率，前者基本上不受孔深的影响；后者当转数不高时随孔深的变化也不大，当转数较高时随孔深增加而增大。本设计采用柴油机作为动力机。

3.2 油泵选择

油泵是将动力机的机械能转换成液压能的一种装置，它是液压传动中的动力源。目前，每台全液压钻机的油泵站通常有两个油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油；另一个为辅助油泵，它向给进机构供油。但有的钻机只有一个油泵，它向油马达及各油缸供油。

油泵类型的选择应能满足钻机工作的特点和要求。由于钻机的回转速度有高有低，一般主油泵选用变量油泵，并且都用轴向柱塞式变量油泵，它能使液动机实现无级容积调速；辅助油泵多用齿轮油泵，也有选用轴向柱塞式变量油泵的。这时因为轴向柱塞式变量油泵具有重量轻、体积小、调速方便、压力大、转速高等特点，它较适用于钻机的工作需要。但定量油泵价格比较便宜。本设计采用双油泵，主油泵采用变量泵，辅助油泵采用定量油泵。

3.3 油箱选择

油箱是用来储油、散热、分离油中杂质和空气的装置。它的形状和尺寸要根据钻机的总体布置及散热的需要来决定。按一般机械要求，油箱的有效容积为油泵的每分钟流量的三倍以上。但是，考虑野外工作条件的需要，钻机的油箱容积不能太大。而且多数钻机在油箱里装有冷却器，因此油液的发热大为改善。本钻机也采用这种结构。

4 操纵台部分设计

“集中手柄操纵”这是全液压钻机的特点之一。钻机的所有控制阀、各种仪表等都集中装在操纵台的控制面板上。从油泵输出的压力油经高压橡胶管到各控制阀，操纵控制阀手把的各种不同位置，使压力油经阀板下的软管分配给各个液动机，根据钻探工艺的需要来驱动油马达、给进油缸等，从而完成钻探各工序的动作。因此，操作台是钻机的操纵驱纽。本钻机也采用“集中手柄操纵”。

[1]邵春,卢春华,鄢泰宁.一种基于地矿钻机的智能化钻参仪[J].地质与勘探,2010(05）.

[2]方俊,鄢泰宁,卢春华.钻参仪参数检测原理及传感器选型安装[J].探矿工程(岩土钻掘工程）,2010(04）.

[3]魏景斌,刘俊峰,钱稷,陈其林基于CH375的USB数据传输[J].微计算机信息,2010(02）.

[4]董玮,周鲁宁.基于USB的无线传输系统设计与实现[J].通信技术,2010(01）.