GYD－20型全液压动力头工程钻机的研制

杨付伟，鲁建军

（连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222062）

0 前言

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，对于公路、桥梁、高层建筑的施工，特别是大口径基础桩孔施工尤为重要。为了适应市场需要，研制一种新型高效的工程钻机已迫在眉睫。针对传统工程钻机，其生产制造周期长，自动化程度低，操作者劳动强度大，施工效率低等弊端。我公司根据现有市场需要，在多年全液压岩心钻机和传统工程钻机生产制造经验的基础上，同时结合全液压煤层气钻机的设计理念，研制设计成功GYD－20型全液压动力头工程钻机。该钻机设计合理，自动化程度高，操作者劳动强度低，性能优越，钻机易于操作，便于维修。

1 设计思路

通过市场调研，根据用户需要，我公司对现有GM－20A、GQ－15A工程钻机的结构、性能做利弊分析，充分利用成熟的结构和技术，设计出了GYD－20型全液压动力头工程钻机。钻机的设计定位型式为动力头在0～5m范围内滑移，其工作能力为：最大钻孔直径2m，最大钻孔深800m，立轴最大回转扭矩为36kNm。该钻机按全液压钻机基本构架型式设计。

GYD－20型全液压动力头工程钻机构成部件有：动力头、左右桅杆、中机架、底座、夹持卸扣器、给进油缸、步履油缸、吊具、动力、操作柜等部分（详见图1）。

2 钻机重要部件的设计

2.1 全液压动力头

全液压动力头为两变量马达驱动，由马达将动力传递至一级齿轮，大齿轮与主轴通过键联接，使主轴输出扭矩。在动力头箱体两端通过联接盘分别安装一个大行程的给进油缸，给进油缸安装有平衡阀，可以保证两个给进油缸同步运动，同时利用阀组与先导手柄的配合来控制液压油进入油缸流量的大小，从而实现动力头的快速提升以及工作给进。

在两给进油缸驱动下，动力头沿左右桅杆导轨面滑移，动力头的给进行程为5m。

动力头主要由输入齿轮、输出大齿轮、两个变量马达、主轴及箱体等组成（见图2）。在两个变量马达的驱动下，使动力头箱体内输入轴齿轮与输出大齿轮形成一级齿轮减速装置。通过两齿轮啮合传动将来自两个变量马达的动力传至主轴，从而主轴输出扭矩。主轴带动钻杆，实现钻机钻孔。由于采用了变量马达，可实现主轴无级调速，从而满足不同工况的需求。为了使钻机承载能力高，齿轮使用寿命长，两传动齿轮齿面采用渗碳等热处理技术。

2.2 液压吊车组件

液压吊车由卷筒、吊臂、吊钩、滑轮、摆角油缸等部件组成，卷筒由马达驱动，在钻机施工中，通过吊臂前推油缸与吊臂摆角油缸相互配合，可实现吊钩对正孔口中心，马达带动卷筒转动，从而实现钻具的吊装，具体结构见图3。

图1 GYD－20型钻机装配图

图2 全液压动力头结构示意图

图3 液压吊车组件示意图

2.3 液压系统

钻机液压系统由双联泵、液压马达、液压油缸、各换向控制阀组、液压油箱、高压油管、压力表及液压操纵柜等组成。配置液压泵组、阀组、马达均选用知名进口品牌，各液压油缸均由专业公司设计制造，保证了安全性、可靠性，具体结构见图4。

3 钻机主要技术参数

最大钻孔直径达2000mm，最大钻孔深度800m，主轴最大回转扭矩36kNm，最大提升力1000kN，给进油缸行程5000mm，移开孔口距离1500mm，液压系统额定压力28MPa，电动机功率110kW，转速1480r／min，外形尺寸工作状态5760mm×2500mm×10370mm，运输状态10580mm×2500mm×2810mm，钻机质量17500kg。

4 钻机的优点

（1）液压传动的动力头可实现无级调速，操作性好，钻机操作手柄均集中安装于操作柜上，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

（2）左右桅杆代替传统工程钻机钻塔，左右桅杆下端与桅杆支座铰链连接同时配有起塔油缸（带平衡阀）保证左右桅杆起落同步，方便钻机运输和施工。

（3）配有可以滑移的夹持卸扣器，钻机工作时夹持卸扣器离开孔口位置，当换钻杆时，在滑移油缸作用下，使其沿滑道前移至孔口中心，四个夹紧油缸同时作用，通过卡瓦将上下两根钻杆分别夹紧，此时操纵卸扣手柄，在卸扣油缸作用下，松开钻杆，实现卸扣目的，减轻了操作者劳动强度。

（4）钻机的中机架及底座均用槽钢与钢板组焊而成，承重能力强，其上固定着钻机上所有部件（见图1）。

图4 液压系统示意图

（5）通过安装于中机架与底座之间的移动油缸与钻机上步履油缸总成相互配合，使钻机可完成前进，动力头离开孔口中心的动作。钻机单步行走可达1.5m。方便了钻机移孔，降低了生产成本及工人的劳动强度。

（6）吊具组件上端通过过渡接头安装于动力头主轴上，下端用于连接钻杆，配合液压动力头、给进油缸的动作，来完成钻具的吊装，取代传统工程钻机的机械主卷扬机和滑轮组件。

（7）左右桅杆均由型钢和钢板焊接而成，桅杆上有全液压动力头滑移的轨道，轨道面经淬火处理，保证轨道面硬度和耐磨性。在给进油缸（最大行程5m）作用下，全液压动力头可在桅杆轨道面上滑移，使动力头一次完成钻进深度达5m。为了保证动力头在左右桅杆上滑移顺畅，左右桅杆之间有连接横承（三个腰带）组件。为了减少两个给进油缸工作时振动，在两油缸缸体间设置夹紧组件（两个）及副支撑（两个）。

（8）GYD－20型全液压动力头工程钻机结构简单，可操作性好，操作者的劳动强度低，安全性高，生产制造成本低，生产周期短。

5 结论

GYD－20全液压动力头工程钻机在神华矿业集团大口径煤层通风孔的施工中，经受了实际考验，性能达到了设计要求，用户反映良好。

［1］成大先.机械设计手册（第5卷）［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］颜荣庆、李自光、贺尚红.现代工程机械液压与液力系统［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［3］王积伟.液压传动［M］.北京：机械工业出版社，2006.