水平定向動力頭式全液壓鉆機節能設計方案研究

郭旭 葉茂盛 晏劍波

（湖北地建集團神龍市政建設工程有限公司 湖北武漢 430000）

1 引言

鉆機的結構與其所采用的鉆進工藝相關聯。目前國內外都正在研制和應用全液壓鉆機。全液壓鉆機同傳統鉆機一樣，都是用來完成鉆進和升降鉆具等基本工序，以實現采取巖心，達到探礦的目的。從結構上看，全液壓鉆機可以分為立軸式全液壓鉆機和動力頭式全液壓鉆機。二者相比較，動力頭式全液壓鉆機具有結構簡單、重量輕、操作簡便、可以實現無級調速、加壓給進等優點，工作效率大大改善。并且動力頭式全液壓鉆機也是鉆機的發展方向之一。綜合各方因素，我選擇設計水平定向動力頭式全液壓鉆機。

考慮到此鉆機常用于戶外作業，動力可選柴油機。鉆機應用螺紋連接鉆頭精簡結構，節約時間，提高有效鉆進速度。動力頭采用單極齒輪減速器，減少變速箱體積，根據不同的地質條件，選用不同的鉆進速度。在滿足上述要求的同時，盡量結構簡單，操作方便，適于整體或解體搬運。盡量做到標準化、通用化、系列化。

2 主機部分方案確定

一臺全液壓鉆機主要包括主機、動力設備和操縱臺三個部分。水平定向全液壓鉆機的主機包括回轉機構、給進機構等基本部件。

2.1 回轉節能機構選擇

全液壓節能動力頭式節能鉆機的回轉機構，就是移動式回轉器，亦稱為動力頭。動力頭是鉆機的重要組成部分，主要由回轉馬達、減速器、水接頭組成。它的功能有二：（1）傳遞扭矩，以帶動鉆具旋轉鉆進或擰卸鉆桿；（2）動力頭由給進機構帶動，以傳遞向上或向下的軸向力及其運動，用來實現加減壓給進。

本全液壓鉆機通常采用導向鉆桿，其鉆進工藝對動力頭的基本要求有下列幾點：動力頭的鉆數和扭矩應是可調的，最好的方案是無級調速，以適應鉆進工藝的需要；轉數調節范圍應滿足鉆進工藝的需要；具有正反轉的能力。

回轉平穩、振動少和噪音不大等。

動力頭轉速調節范圍，取決于地質條件、鉆頭直徑以及鉆進方式。由于是全液壓鉆機可以實現無級調速，馬達的調速范圍在8r/min～300r/min之間完全滿足鉆機的要求。采用導向鉆桿鉆進時，要求高轉速。國外的最高轉速以達2000r/min～3000r/min；國內大致在1000r/min～1500r/min，而從處理事故和擰緊鉆桿的要求，則需要低速檔，一般為200r/min～300r/min。本設計動力頭的轉速范圍為1r/min～60r/min、1r/min～120r/min。本設計的動力頭主要特點如下：油馬達上裝有安全閥，可自動進行過載安全保護；無液壓卡盤，采用螺紋連接結構，使整體結構簡單化。結構緊湊，節省原材料；殼體由鑄鐵制成，故有良好的工藝性。

動力頭按照回轉油馬達的安裝位置不同，可分為裝有油馬達的動力頭A型和不裝油馬達的動力頭B型兩類。A型動力頭與B型動力頭相比，具有結構簡單緊湊、工作可靠、重量輕和搬運方便等優點。目前，國內外全液壓節能動力頭式鉆機的大多數均采用A型動力頭。本設計也采用A型動力頭。

A型動力頭的工作原理（圖1所示）：油馬達2經齒輪傳動箱帶動輸出軸回轉，從而使鉆具回轉。

圖1 節能鉆機動力頭原理示意圖

2.2 給進節能機構確定

給進節能機構是鉆機的工作機構之一，它對鉆機的技術性能、工作效率以及其應用范圍有著極大的影響。全液壓節能動力頭式鉆機給進機構的功用有二：（1）用來保證鉆頭具有所需壓力，（2）實現進給；二是用來“倒桿”。

一個完善的給進機構應滿足下列要求：（1）能調節鉆頭壓力，淺孔時加壓、深孔時減壓，故要求給進機構具有加壓和減壓等機能，壓力調定后就應保持恒定不便。（2）給進速度是可以調節的，并應能無級調速，使鉆頭給進速度能與機械鉆速相適應。（3）給進行程應盡可能的長，且結構簡單、工作可靠、操作靈活安全。并應配備有儀表來觀測鉆頭壓力、進尺和鉆速等。

目前，全液壓節能動力頭式鉆機的給進機構有油缸液壓給進機構和油馬達—鏈條給進機構兩種。大多數鉆機采用油缸給進機構。

油缸給進機構又分為一般油缸給進機構和油缸—鏈條倍速給進機構兩種。一般油缸給進機構是油缸的液壓力或運動直接作用于動力頭和鉆具；油缸的行程和動力頭的給進行程相等，故又稱為非倍數油缸給進機構。油缸—鏈條倍速給進機構是動力頭的給進行程等于活塞行程的兩倍。本設計選用單油缸—鏈條給進機構。

圖2 給進節能機構示意圖

單油缸—鏈條給進機構工作原理（圖2）：給進油缸缸體固定在機架上，活塞桿的前端與帶有鏈輪的連接軸相連接。拖板向后移動。每根鏈條的一端都是繞過鏈輪之后固定在給進機架上，而另一端繞過鏈輪之后分別與拖板相連接，組成為一個封閉的倍增傳動鏈，拖板行程比活塞行程增大一倍。

3 節能動力設備部分

全液壓鉆機的動力設備，包括動力機、油泵、油箱、過濾器、冷卻器等。

3.1 動力機選擇

驅動油泵的動力機，一般采用電動機或柴油機。在坑道鉆探中，也有采用風馬達的。動力機的轉數，一般為1460r/min～1800r/min，國外鉆機有增高動力機轉數的趨勢，高達2400r/min～3600r/min。這樣可以大大提高油泵排油量，或縮小油泵尺寸和重量，使動力機和油泵小型化。

動力機的功率是設計鉆機的依據。鉆機的功用主要是用來完成鉆進工序。回轉鉆進所需的功率包括破碎孔底巖石和回轉鉆具等所需功率，前者基本上不受孔深的影響；后者當轉數不高時隨孔深的變化也不大，當轉數較高時隨孔深增加而增大。本設計采用柴油機作為動力機。

3.2 油泵選擇

油泵是將動力機的機械能轉換成液壓能的一種裝置，它是液壓傳動中的動力源。目前，每臺全液壓鉆機的油泵站通常有兩個油泵，一個為主油泵，它向回轉馬達供油；另一個為輔助油泵，它向給進機構供油。但有的鉆機只有一個油泵，它向油馬達及各油缸供油。

油泵類型的選擇應能滿足鉆機工作的特點和要求。由于鉆機的回轉速度有高有低，一般主油泵選用變量油泵，并且都用軸向柱塞式變量油泵，它能使液動機實現無級容積調速；輔助油泵多用齒輪油泵，也有選用軸向柱塞式變量油泵的。這時因為軸向柱塞式變量油泵具有重量輕、體積小、調速方便、壓力大、轉速高等特點，它較適用于鉆機的工作需要。但定量油泵價格比較便宜。本設計采用雙油泵，主油泵采用變量泵，輔助油泵采用定量油泵。

3.3 油箱選擇

油箱是用來儲油、散熱、分離油中雜質和空氣的裝置。它的形狀和尺寸要根據鉆機的總體布置及散熱的需要來決定。按一般機械要求，油箱的有效容積為油泵的每分鐘流量的三倍以上。但是，考慮野外工作條件的需要，鉆機的油箱容積不能太大。而且多數鉆機在油箱里裝有冷卻器，因此油液的發熱大為改善。本鉆機也采用這種結構。

4 操縱臺部分設計

“集中手柄操縱”這是全液壓鉆機的特點之一。鉆機的所有控制閥、各種儀表等都集中裝在操縱臺的控制面板上。從油泵輸出的壓力油經高壓橡膠管到各控制閥，操縱控制閥手把的各種不同位置，使壓力油經閥板下的軟管分配給各個液動機，根據鉆探工藝的需要來驅動油馬達、給進油缸等，從而完成鉆探各工序的動作。因此，操作臺是鉆機的操縱驅紐。本鉆機也采用“集中手柄操縱”。

[1]邵春,盧春華,鄢泰寧.一種基于地礦鉆機的智能化鉆參儀[J].地質與勘探,2010(05）.

[2]方俊,鄢泰寧,盧春華.鉆參儀參數檢測原理及傳感器選型安裝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2010(04）.

[3]魏景斌,劉俊峰,錢稷,陳其林基于CH375的USB數據傳輸[J].微計算機信息,2010(02）.

[4]董瑋,周魯寧.基于USB的無線傳輸系統設計與實現[J].通信技術,2010(01）.