ZDY1000G型全液压坑道钻机的设计.pdf

第 3 9卷 第 1 期 2 0 1 1 年 2月 煤 田地质与勘探 C ALGE 0]L Xj Y E XP 1 0R r l ON Vb1 ．3 9NO ． 1 Fe b ．2 Ol l 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 1 0 1 0 0 7 8 - 0 3 Z D Y1 0 0 0 G型全液压坑道钻机的设计 凡 东， 殷新胜，常江华， 王贺剑 煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘 要 Z D Y1 0 0 0 G型全液压 坑道钻机 是一 款主要 面 向坑 道勘探 而设计 的装备 ， 可用 于煤矿 瓦斯 抽放 孔 、探放 水孔 和其他 工程钻 孔 的施 工 。介绍 了该钻机 的设 计 思路 、机 械 系统和 液压 系统 ，并对具 有复合缓冲张紧装置的双油缸链条倍速给进机构和具有减压钻进功能的双泵液压 系统进行 了详细 描 述 。 关键词 钻 机 ；勘 探 ；坑 道 ；全 液压 中图分 类号 P 6 3 4 文献标 识码 A DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 1 9 The d e s i g n o f ZDYI O O O G t y pe a I l h y dr a u l i c t un ne l dr i l l i ng r i g F AN Do n g ， YI N X i n s h e n g ， C HA NG J i a n g h u a ， WAN G H e j i a n x ／ “a n B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Xi “a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e d e ma n d o f d e e p a n d p e r i p h e r a l r e s o u r c e e x p l o r a t i o n o n c r i s i s mi n e i s m o r e a n d mo re a l o n g wi t h t h e d e c r e a s e o f l o we r r e s o urc e ． Tu n n e l e x p l o r a t i o n i s a k i n d o f me t h o d wi t h h i g h e ffic i e n c y a n d e c o n o my ,b u t s p e c i a l t u n n e l e x p l o r a t i o n d r i l l i n g r i g s a r e s c a r c e ．Z DY1 0 0 0 G t y p e a l l h y d r a u l i c t u n n e l d r i l l i n g r i g i s a k i n d o f e q u i p me n t d e s i g n e d f o r t u n n e l e x p l o r a t i o n ，a l s o c a n b e u s e d t o d r i l l g a s d r a i n a g e h o l e s ，wa t e r e x p l o r a t i o n h o l e s a n d o t h e r e n g i n e e r i n g h o l e s ． Th e d e s i g n a p p r o a c h ， me c h a n i c a l s y s t e m a n d h y d r a u l i c s y s t e m for t h e d r i l l i n g r i g we r e i n t r o d u c e d ， d o u b l e ． p u mp h y d r a u l i c s y s t e m wi t h t h e f u n c t i o n o f p r e s s u r e r e d u c t i o n d r i l l i n g ．Du a l - c y l i n d e r a n d c h a i n s p e e d mul t j pl e me c h an i s m wi t h c omp ou nd c us hi oni ng an d t e n s i on d ev i c e we r e de s c r i b e d i n de t a i l e d． Ke y wo r d s d r i l l i n g rig ； e x p l o r a t i o n ； t u n n e l ； a l l h y d r a u l i c 坑道勘探是利用地下井 、 巷进行勘探 ， 相对于地 表勘探能节省大量的钻探工作量， 并方便实现坑道内 多角度钻探施工， 达到沿矿床层带钻探的目的， 是在 老矿 区对 深部 资源进行 勘探 的理想方 法 。 目前坑道勘 探施工 的钻机 主要有 A t l a s 公 司 的 D i a me c系列钻机 和国产的 xY系列岩心钻机 。D i a me c系列钻机采用 分体式和全液压动力头的结构 ， 结构紧凑 、 性能可靠 ， 并可满足坑道内多角度的钻进要求 ，但其售价昂贵 、 配件服务周期长 ，限制了其在 国内的大规模推广应 用 ；XY系列岩心钻机采用机械 回转 、液压给进的传 动方式和整体式的结构，传动效率高 、 性价比高，是 目前国内岩心钻机的主导机型， 但其钻进角度范围有 限、 坑道中起下钻具困难制约了其在坑道勘探中的应 用。因此 ，目前国内缺乏性价比合理、施工效率高的 的坑道勘探专用钻机。为此研制了 Z D Y1 0 0 0 G 型全 液压坑 道钻机 ， 主要用 于坑道 勘探领 域 ， 还 可用于煤 矿瓦斯抽 放孔 、探放水 孔和其他 工程钻 孔 的施 工 。 1 总体方案设计 Z DY1 0 0 0 G 型全液 压坑 道 钻机 主要 用 于坑道 勘 探孔的施工。 为了更好地满足在坑道狭小空间内施工 勘探孔的要求 ，确定钻机的总体结构特征如下 a ．钻机采用液压传动方式。全液压钻机结构紧 凑 ，布局灵活，解体性好 ，还可以实现远距离操作。 b ． 钻机采用适宜坑道狭小空间使用的分体式结 构。整机 由主机 、泵站和操纵台 3部分组成 ， 各部分 之间用软管连接 ， 摆布灵活 ， 便于搬迁运输 ， 在运输 条件较差 的地区，主机还可以进一步解体。 c ．主机采用动力头式结构。动力头式结构具有 立轴式和转盘式钻机的优点 ， 其动力头可以在给进机 构 带动下沿 桅杆 或 导 向架 移动 ，并 可进行加 减压钻 进 ， 具有给进行程长、起下钻速度快 、可以满足全方 位钻 进要求 【 l 】 ，是 坑道勘 探钻机 的理想 结构类 型 。 根据 目前坑道勘探孔施工要求和类 比目前坑道 勘探施工的钻机 ，确定 Z D Y1 0 0 0 G 型坑道勘探钻机 的 主要 能力 参数参 数如下 钻孔深 度 4 5 0 m； 终孔直 径 7 8 ． 5 mm； 最 大转 矩 1 0 0 0 N m； 收稿 日期2 0 1 0 ． 0 7 ． 1 9 作者简介 凡 东 1 9 8 0 一 ，男 ，湖北枣阳人 ，工程师，从事钻探机具的研制与推广工作 第 1 期 凡 东等 Z DY1 0 0 0 G型全液压坑道钻机 的设计 7 9 最 高转 速 1 0 0 0 r ／ mi n ； 主轴倾角一 9 0 - 3 0 。 ； 最 大 给进／ j起拔力 8 5 k N； 电动机 额定 功率 5 5 k W 。 2机械 系统 的设计 钻 机 由主机 、 泵 站 和操纵 台 3部分 组成 ， 其 中泵 站是整 机 的动力 源 ， 将 电能转换 为驱 动 钻机所 需 的液 压能 ； 操纵台是整机的控制核心， 对各执行机构的动 力 输 出和逻 辑 功 能进 行 控 制 ；主 机是 钻 机 的 执行 机 构 ，实 现钻进 所需 的 回转 、给进 和辅助 功 能 ，也 是钻 机 机械 系统 最复 杂 的部分 ，由动 力头 、给进 装置 、夹 持器、机架 、 绳索取心绞车及提升架组成 ， 各部分间 采 用螺 栓或 铰轴 连接 ，装 拆方便 图 1 。 图 l 主机结构图 F i g ． 1 S t r u c t u r e o f d r i l l i n g r i g 1 升架 ；2 给进装置 ；3 动力头 ；4 夹持器 5 机架 6 绞车 2 ． 1动 力 头 动力头是主机的核心部件， 可将液压马达输出的 回转运 动传 递给 钻杆 ， 然后 带 动钻 头实 现钻进 的 回转 运动。因此 ， 动力头应具备将液压马达输 出的转速和 转矩转换 为适合钻进范围的功能。 该机采用一级斜齿 轮 减速 机构 来实 现此 功能 ； 并采 用 变量 马达 ， 在变 量 泵 的配合 下 动力 头 的输 出转 速 可 以实现无 级调 节 ， 工 艺 适应性 强 。 另 外主轴 采 用通孔 式结 构 ， 钻杆 的长 度 不 受钻 机 给进行 程 的限制 ，起 下钻速 度快 。 2 ． 2 给进装置 给进装置采用油缸链条倍速传动机构， 在有 限机 身 长度 的情 况下使 给 进行程 最 大化 。目前 油缸链 条倍 速传动机构又可分为单油缸链条和双油缸链条两种 形式。其中双油缸链条传动具有导向性好 、 机身刚度 好和运动平稳等优点 。由于该机给进行程相对较长 ， 因此采用 了双油缸链条的传动方式。 2 ． 3 链 条张紧缓冲装 置 链条传动机构在使用过程 中， 由链条传动的多边 形效应和使用过程中载荷的变化， 造成传动的冲击较 大， 影响设备和链条本身的使用寿命 ； 链条传动时存 在紧边和松边 ， 松边受力小易造成链条松弛，降低工 作效率并容易造成链条从传动轮上脱落 ， 因此需要在 链条传动机构上设置链条张紧缓冲装置。 传统 的链条张紧缓 冲装置是在链条端部设置弹 簧和调节螺杆 ， 其调节能力有限， 链条磨损的松弛不 能 自动补偿 。 该机设计 了复合式张紧缓冲装置 图 2 ， 其 工作 原理 为 给进 、 起 拔压 力油通 过单 向阀进入 张 紧缓冲装置油缸 中， 带动大链轮往外侧移动 ， 张紧链 条 ； 当给进 油 缸带 动托 板运 动时 ， 会 形成 紧边 和松边 ， 紧边的张紧缓冲油缸会逐渐收缩 ，起到缓 冲的 目的； 此时 ， 紧边的张紧缓冲油缸液压油会 自动补充到松边 的张 紧缓 冲油缸 ， 起 到张 紧松边 链 条 的 目的 。复合 式 张紧缓 冲装 置张 紧补 偿量 大 ，不需要 人工 调整 ， 能 够 自动补偿链条的磨损量 ，使用方便。 图 2 复合式张紧缓冲装置示意图 Fi g． 2 Sk e t c h o f c o mpo un d t e ns i o n buf f e r d ev i ce l 堵板 ；2 导轨 ；3 链条 l；4 双轮架 ；5 拖板 ；6 链条 2；7 张 紧缓 冲装置 ；8 给进油缸 ；9 张紧缓冲油缸 l 0 限位板 ；1 1 琏 接板 ；1 2 _ 钡0 板 ；l 3 销轴 ；1 4 大链轮 8 0 煤 田地质 与勘探 第 3 9卷 2 ． 4 夹持装置 钻机的夹持装置包括卡盘与夹持器。 卡盘设置在 动力头上 ， 负责将 动力头 和给进装 置输 出 的回转和 给 进 运动传 递给钻具 。 夹 持器用 于夹持 孔 内钻 具，防止 孑 L 内钻具 滑移 ， 还 可与动力 头配 合进行 钻杆 的 自动拧 卸。 卡盘选用胶囊式结构 ， 具有夹持力大、 体积紧凑、 反应 快速 等优点 。夹持器选 用复合 式夹 持器 ， 起 下钻 速度快，在突然断电时可以有效地避免跑钻事故，特 别是在钻机反转拧卸钻杆时，夹持力大 的优点十分 突 出【 。 3液压系统的设计 3 ． 1 钻探工艺对 液压 系统的要求 该机在施工坑道勘探孑 L 外 ， 还可用于煤矿瓦斯抽 放孔 、探放水孔和其他工程用孔的施工。因此，不仅 要求满足高转速低转矩的金刚石取心钻进 ， 还要能满 足低转速 、高转矩 的 P DC或硬质合金钻头的全面钻 进 。 这 就要 求钻机 最高转 速高 ， 转速 和转矩调节 范 围 宽 ，调节方便。由于钻机要满足勘探孔的施工工艺 ， 在具备坑道钻机加压钻进功能的基础上还应具备减 压钻进功能 ，并且要求压力调节方便。 3 ． 2液压 回路设计 钻机液压系统 图 3 由回转和给进两个基本 回路 和辅助功能回路组成。 其中回转回路主要为钻具提供 回转动力 ，在 给进 回路 提供 的给进力 的配合 作用下 ， 实现钻具的钻进。液压系统采用双泵系统 ，回转和给 进独立供油 ，回转参数和给进参数可以独立调节， 节 能效果好 ； 双泵合流还可用于快速起下钻具和强力起 拔处理孔内事故。 罔3 Z D Y1 0 0 0 G型全液压 坑道钻 机液 压系统 Fi g ．3 Hy d r a ul i c s ys t e m of ZDY 1 00 0G t u n ne l d r i l l i ng r i g 1 电 动机 ；2 主油泵 ；3 主吸油滤 油器 ；4 主截止 阀 ；5 副油泵 ；6 f 截 止阀 ；7 副 吸油滤油器 ；8 回油滤油器 ； 9 冷却器 ；1 0 空气滤清器 ；1 1 _『 由 箱 ；1 2 主回油压力 表 ；1 3 主泵系统压力 表 ；1 4 多路换向阀 ；1 5 主泵安全溢 流阀 ； 1 6 液 压锁 ； 1 7 调角 油 缸 ； l 8 单 向减 压 阀 ； l 9 凋压 溢 流 阀 ； 2 0 副泵 安 全 溢流 阀 ； 21 副 泵功 能转 换 阀 ； 2 2 起下钻功能转换 阀；2 3 、2 7 、2 8 单 向节流阀 ；2 4 单向阀组 ；2 5 }盘回油阀 ；2 6 夹持器功能转换 阀；2 9 起拔 压力表 ； 3 0 给进压力表 ；3 l 0 油阀组 ；3 2 油马达 ；3 3 青 滤油器 ；3 4 液压卡盘 ；3 5 截至阀 ；3 6 夹持器 ；3 7 给进起拔 油缸 ； 3 8 单向阀组 ；3 9 安全溢流 阀；4 0 张紧油缸 回转 回路主要 用 于克服钻 具 的负载转 矩 ，要 求 其转速可调 、刚性高，其压力与回转负载的变化相 适应 。 回转 回路 主要 由变量泵 、换 向阀 和变量 马达 组成 。变量泵 和变量 马达 的组合 在充 分利用 功率 的 基础上 ，达 到 了最大 的转 速和转 矩调 节范 围 。换 向 阀用于控 制 回转运 动 的转向 。 给进 回路主要用于提供钻进的给进 、起拔力 ， 结 合钻探工 艺实现 加压 、 减压钻 进 ， 主要有变 量泵 、 换向阀、减压阀、手动溢流阀、节流阀和油缸组成。 减压阀和手动溢流阀用于控制加压钻进的给进力 ， 而减压 钻进依 靠节 流 阀控 制 给进油缸 起拔 端 的系统 背压来实 现 。 4结论 Z DY1 0 0 0 G 型 全液 压坑 道 钻机 在“ 国家安 全 生 产西安钻机检测检验中心” 的性能测试 台上整机进 行负载运行 ，对主要性能参数进行了测试 ，运转正 常。测试结果表明，其各项技术指标达到了设计要 求。Z D Y1 0 0 0 G 型全液压坑道钻机的成功研制为国 内坑道勘探提供了一款专用钻机 。 参考文 献 [ 1 ]张惠，张晓西，马保松，等，岩土钻凿设备【 M】 ． 北京人民 交通出版社 ，2 0 0 9 ． 【 2 ] 凡东 ，庞海荣 ，姚亚峰．全液压钻机夹持器 的设 计与分析 [ J ] ． 煤炭工程 ，2 0 0 6 5 7 - 8 ．