ZTSPZ-800水平定向螺旋钻机的开发研制

2017-07-18董志伟徐彬彬

地质装备 2017年3期

关键词：顶管机架导轨

董志伟，徐彬彬

(无锡市钻通工程机械有限公司，江苏无锡 214161)

ZTSPZ-800水平定向螺旋钻机的开发研制

董志伟，徐彬彬

(无锡市钻通工程机械有限公司，江苏无锡 214161)

本文介绍了ZTSPZ-800型全液压分体式水平定向螺旋钻机的主要结构和施工案例。该钻机可实现扩孔与顶管同步进行，降低了施工成本，提高了施工效率，无须泥浆水循环，高效、节能、环保、施工精度高，施工区域不会引起地面沉降。

螺旋钻机;扩孔；顶管；导向

1 设计背景

随着国家对环境治理的大力提倡、环保要求的提出，环境、灾害治理工程的上马以及高效率施工要求，采用非开挖定向铺管钻机，通过多次回扩导向孔至管线要求后，再回拉管线的传统工艺已不能满足如今快速发展的社会要求。面对这一新兴的市场需求，在借鉴水平定向钻机主体传动机构的基础上，参考国外新兴施工工艺，作者设计研发了ZTSPZ系列水平螺旋定向顶管钻机。

1.动力头；2.机架；3.给进机构；4.前导正；5.托管架。图1 钻机结构示意图

2 钻机的主要结构

ZTSPZ-800水平螺旋定向顶管钻机可分为九部分，即动力头、机架、给进机构、前导正、托管架、钻具、动力站、液压系统、电路系统，见图1。结构形式是在非开挖定向钻机的基础上，参照国外水平定向螺旋钻机的技术，进行改进、优化设计，使其更适应国内市场的需求。

2.1 动力头

动力头采用整体封闭齿轮箱体式结构，润滑方式为飞溅润滑，主轴为空心轴便于激光信号的传输实现导向工作的完成；驱动方式采用双速柱塞马达，通过行星减速机和齿轮传动，转速高、调节范围宽；动力头配备箱体浮动机构，通过液压缸连接前顶盘与箱体，油缸的伸缩实现箱体相对于顶架的浮动；主轴前端与动力头短节后端通过凹凸面法兰连接。

2.2 机架

机架包括固定支腿、调节支撑和架体。架体为焊接结构，整体刚性较好，采用对称结构，便于加工制造。钻机机架导轨分为上、下导轨与内侧导轨，上导轨主要是支承给进机构并为其滑动提供导向，下导轨主要用于固定给进机构；内侧导轨面上加工有长圆孔，为给进机构提供定位作用。

2.3 给进机构

给进机构包括前顶架与后支撑两部分，采用液压缸传动，传动简便、安全、可靠，给进行程可根据设计要求确定，更适合扩孔顶管同步进行的工况。本机采用两组液压缸传动，液压缸连接前顶架与后支撑，后支撑主要为给进机构提供定位作用，使前顶架在导轨上实现给进/回拉动作。其内设有两组伸缩液压缸，此组液压缸连接锁定销轴，使销轴可以运动于机架内侧导轨面的长圆孔内，实现后支撑的定位，从而实现前顶架的给进/回拉动作。

2.4 前导正机构

前导正机构安装于机架的机头端，由导正内套、导正外套、导正轮和调节螺套组成。导正外套安装固定在机头的前端，内套上有滑轨置于外套内，可通过调节螺套调节内套的高度使其中心高度与动力头主轴的中心高度一致；导正轮内径与导向钻杆的外径一致，防止因导向杆自重而产生的中心下移，从而保证了导向孔的精度。

2.5 托管架

托管架置于机架前方与管道入口中间，托管架由固定座、调节螺套、支臂和托轮组成，通过调节螺套来改变支臂的角度从而改变托管尺寸，避免了顶管过程中因工作管自重而产生的下沉现象，保证了顶管精度。

2.6 钻具

钻具分为导向钻头、螺旋钻杆以及挤扩钻头。单根导向钻杆长度为1m，采用八方连接，弹性圆柱销固定，更换方便快捷；螺旋钻杆分为螺旋杆与螺旋叶片，螺旋杆由公母连接头、无缝钢管焊接而成，公母接头采用八方连接、螺丝堵固定，螺旋叶片由冲压机压制后焊接而成；挤扩钻头为三瓣式，切削头采用专用高强度、耐磨截齿焊接而成，可适用于多种地层工况。

2.7 动力站

动力站由柴油发动机﹑液压油泵﹑液压油箱﹑柴油箱及液压附件组成；发动机采用美国进口康明斯品牌，动力强劲；液压油泵采用国外进口产品，质量高、功能安全可靠。动力站与主机分体，动力站置于地面，主机放置于工作坑内。配备独立有线控制盒，操作简便、安全可靠。

2.8 液压系统

液压系统主要包括：控制动力头回转的闭式回路、给进/回拉以及辅助动作的负载敏感控制回路。回转采用闭式系统，单独使用不会与其他系统有任何干涉，功率满足性能要求。给进/回拉以及辅助动作采用开式负载敏感系统，此负载敏感回路包括轴向柱塞变量泵，负载感应驱动机构和配置有负载感应梭阀油路的比例多路换向阀构成。

3 导向接收装置

导向接收装置——光学导向仪具有数据采集存储智能控制功能，为钻通公司单独研发制造的专利产品，精度高，反馈速度快。该导向仪主要包括：LED发光器、接收装置、输出装置和显示装置，见图2。

1.LED发光器；2.接收装置；3.输出装置；4.显示器；5.传输信号线。图2 导向接收装置

导向接收装置工作原理：LED发光器由LED二极管连接线束板发射光源信号传射到接收装置上，接收装置为可32倍高清变焦的水准仪，物镜接受光源通过变焦处理传入输出装置，输出装置为电子目镜摄像机，电子目镜所拾取的信号,通过摄像机的处理，由传输线传输到显示装置上形成图像，显示装置为带十字刻线高清显示器，根据显示器图像可观察到工作钻进情况，从而实现所需目的。

4 钻机的工作原理和主要技术参数

钻机的工作原理如图3所示。

1.导向钻头；2.导向钻杆；3.固定支腿；4.前导正；5.机架；6.前顶架；7.调节支撑；8.后支撑；9.动力头；10.挤扩头；11.螺旋钻杆；12.工作管；13.托管架；14.顶管盘。图3 施工示意图

根据施工设计轨迹，首先挖好工作坑与接收坑，确定入口点，然后将钻机校正摆放好，调节支撑把钻机中心点调至设计入口点中心处，调节固定支腿固定钻机。

动力头主轴输出的接头连接导向钻杆，导向钻杆前端连接导向钻头，导向钻头前端有斜掌可调节导向角度，导向钻头上安装有LED发光器，通过导向接收装置来控制导向轨迹与精度；机架前端有导正机构，防止导向过程中因导向钻头和导向钻杆自重而产生的下沉现象；前顶架与后支撑由两个给进油缸连接，后支撑内置伸缩缸带动定位销轴于导轨内侧长圆孔内伸缩运动。后支撑锁死时，给进油缸伸出时前顶架随着一起前进实现了给进的动作，当给进油缸全部伸出时，收回后支撑内的定位销轴，此时给进油缸收回带动后支撑前移，使后支撑内销轴中心正好对准机架前一组长圆孔。重复上述动作就实现了钻机的给进动作，相反的回拉动作原理跟给进动作一样，由给进油缸的伸缩协同后支撑和机架的锁死与松开来实现。

导向孔打完后，主轴短节更换可与螺旋钻杆连接的接头，前顶架装上顶管盘，挤扩头与导向钻杆尾端相连接，螺旋钻杆套在工作管内，螺旋钻杆一端与主轴短节连接，另一端连接扩孔钻头。动力头旋转带动扩孔钻头切削钻头四周泥土，形成稍大于扩孔钻头外径的管道，然后钻机推进工作管进入所成管道内。切削下来的土由螺旋钻杆的叶片与工作管内壁形成的传输通道，传送至管道尾部排出。不停的旋转与给进就完成了铺设工作管的任务。同时当工作管顶进的过程中，导向钻杆不断的被顶出至接收坑内，然后一根根的把导向钻杆拆卸下来。

该钻机可实现扩孔与顶管同步进行，无须泥浆循环，高效、节能、环保、施工精度高，施工区域不会引起地面沉降，适用于中、大直径钢管、水泥管等材质的管道铺设。

钻机的主要技术参数如下：

发动机功率 160 kW

回转转速 0～30，0～90 r/min

回转扭矩 40 kN·m

给进/回拉力 1520 kN

给进行走速度 0～3 m/min

箱体浮动距离 250 mm

中心高 1000 mm

导向钻杆 ∅114 mm×1000 mm

外形尺寸 8000 mm×2500 mm×1350 mm

5 施工案例

(1)西安高新区锦业路-丈八六路十字热力管道：直径400 mm钢管，加保温、防腐层后外径776 mm，长40 m，孔心离地面深7 m，过丈八六路马路。土质为纯黄土，硬度适中成孔较好，含水量较大，施工过程需排水，由于管道内径小，切削外径大，故传输土量大，顶管速度慢，传输出来的土成块状；施工过程扭矩在10～15 kN·m，推管力最大在500～600 kN，施工时间总计60 h。导向孔入土点与出土点上下偏差20 mm，左右偏差15 mm，施工精度较高。

(2)西安雷家寨沣惠渠段：∅820 mm×10 mm钢管，加保温、防腐层后外径960 mm，长68 m，孔心离地面8 m，管道穿过水渠，水渠深5 m、宽8 m，水渠两侧水泥护壁，入土点离水渠18 m，土质泥沙混合含少量黏土，湿度偏高，由于含沙量较高，顶管过程中添加了泥浆，顶管速度较慢，扭矩与推力较高，分别在20 kN·m、1000 kN左右。穿过水渠过程中出现轻微塌方现象，采取快速推进多注泥浆成功穿越。导向孔入土点与出土点上下偏差40 mm，左右偏差25 mm。