大功率深孔定向钻机双马达动力头设计_张锐(1).pdf

第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 定向长钻孔可提高回采煤层瓦斯钻孔成孔率和 抽采效率[1-2]。随着煤炭产业供给侧改革对煤矿产能 优化， 大型、 特大型煤矿产能占比达到 70以上， 大 型矿井超长工作面机械化快速开采对瓦斯、水害等 灾害高效防治技术需求日益迫切；对灾害防治定向 孔的成孔深度、 钻进效率、 成孔质量等提出了更高要 求， 因此对大功率深孔定向装备的需求更加迫切[3-4]。 动力头是大功率定向钻机的关键部件，其主要作用 是传递动力，使钻具以不同的转速和转矩作正向或 反向回转运动，同时具备处理孔内事故的能力。根 据钻进工艺要求，回转器的转速和扭矩性能应能适 应孔内钻进情况变化的要求。 1总体方案 煤矿井下钻进施工工艺与地面钻探施工工艺不 同，具有特殊性，因此制定设计动力头总体方案时 采用液压驱动为设计思路。输入原件选用高速轴向 柱塞变量马达，由于该类型马达属高速小扭矩， 要 实现动力头的低速大扭矩输出，就应与大降速比的 变速箱结构相组合，才能实现其性能，动力头转速 调节通过调节液压马达的排量进行。双马达动力头 结构如图 1。动力头的结构包括液压马达、 变速箱、 制动装置和卡盘，其工作原理是变量柱塞马达通过 变速箱带动卡盘回转，从而使钻具回转。变速箱为 二级减速机构， 包括行星减速和斜齿轮减速[5]。 2动力头性能参数 设备的用途和所配套的钻进工艺是动力头转矩 基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045-003） ； 中 煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 有 限 公 司 科 技 创 新 基 金 资 助 项 目 （2017XAYZD01） 大功率深孔定向钻机双马达动力头设计 张锐 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 为了满足大功率深孔定向装备对动力头的需求， 采用理论与现场试验相结合的方法， 开 发了大功率深孔定向钻机用双马达动力头； 对双马达动力头的卡盘、 箱体、 制动装置等关键技术 进行研究。在晋煤集团寺河矿进行工业性试验， 施工完成 1 881 m 孔深的钻孔， 验证了双马达动 力头的性能和可靠性， 满足大功率深孔定向钻机的需要。 关键词 定向钻机； 双马达； 动力头； 制动装置； 液压卡盘 中图分类号 TD42文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020 ） 04－0122-03 Design of Double Motor Power Head of High Power Deep Hole Directional Drilling Rig ZHANG Rui （China Coal Technology dual motor; power head; braking device; hydraulic chuck DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.026 张锐．大功率深孔定向钻机双马达动力头设计 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 122-124， 128. ZHANG Rui. Design of Dual Motor Power Head of High Power Deep Hole Directional Drilling Rig［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 122-124, 128. 移动扫码阅读 122 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 1-液压马达； 2-变速箱； 3-抱紧装置； 4-卡盘。 图 1双马达动力头结构 Fig.1Structural configuration of dual motor power head 和转速的决定性因素。深孔钻进时回转速度过高对 钻孔内壁扰动大，影响成孔率，因此动力头的转速 不宜过高。深孔定向钻进时需通过动力头带动孔内 钻具缓慢调节螺杆马达的工具面向角，此时需要动 力头具备慢速回转精准控制的功能。动力头的输出 扭矩应满足大直径回转扩孔和顶板高位钻孔的需 要，还必须具备处理孔内事故的能力。综合以上因 素， 将回转器的输出扭矩设定为 15 000 N m， 输出 转速设定为 135 r/min。 3 动力头关键部件 3.1 双马达大扭矩动力头 为了解决大能力输出和设备小型化的矛盾， 采 用双液控变量马达作为动力头驱动单元[6-7]。 动力头上安装 2 个液压马达，液控马达选用进 口 A6V200 型液压马达，理论排量 50～200 mL/r； 系 统泵采用的是 A10V190， 理论排量 190 mL/r， 电动机 转速 n 为 1 480 r/min。当液压马达排量 qm最大时， 即 qm160 mL/r 时， nmin600.9 r/min；当液压马达的 排量最小时，即 qm50 mL/r 时， nmax2 812 r/min； 故 液压马达转数范围在 700～2 812 r/min 之间， 小于允 许最高转速。 液压马达的输出扭矩 M 如式1 M 1 2π △pqmηmmk（1 ） 式中△p 为压力差， MPa； qm为马达排量， mL/r； ηmm为马达机械效率； k 为马达个数。 液压马达输出扭矩见表 1。 变速箱部分采用的是二级减速机构， 第一级减速 机构为行星减速， 第二级减速机构为斜齿机构， 两级 传动比之和为 11.86，经过变速箱减速后其输出性能 参数见表 2， 动力头最大扭矩可达到 18 463 N m。 3.2卡盘 大功率双马达动力头卡盘采用橡胶囊式构造。 液压卡盘结构如图 2， 它由外壳、 套座、 橡胶套筒、 卡 瓦组组成。卡瓦组由 4 块卡瓦组成，各卡瓦接触面 之间均由若干弹簧， 卡瓦外边有 1 块挡板， 当没有液 压力作用时， 4 块卡瓦面之间即保持一定间隙又不 致散开。 胶囊式液压卡盘工作原理是高压油进入橡胶套 外侧，压迫卡瓦使其产生径向位移从而夹紧钻杆。 配油套与主轴之间的密封属于非接触密封，非接触 密封也是间隙密封， 它是使用有限的通道， 允许有很 输出类型转速/ （r min-1）转矩/ （N m ） 高速2 812392 低速7001 570 输出类型转速/ （r min-1）转矩/ （N m ） 高速2394 600 低速6018 463 表 1液压马达输出性能参数表 Table 1Table of output perance parameters of hydraulic motor 表 2动力头输出性能参数表 Table 2Table of output perance parameters of rotary head 1-传拉盘； 2-前端盖； 3-外壳； 4-胶囊； 5-套座； 6-卡瓦组； 7-后盖。 图 2液压卡盘结构 Fig.2Structure of hydraulic chuck 123 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 小的但能控制的油量排除，这部分油还可以起到润 滑轴承和散热的作用。 胶囊式卡盘结构简单， 动作迅速， 机械效率高， 通过调节夹紧压力可调整卡盘夹紧力，这对保护钻 杆是非常有用， 因而在坑道钻机中有着广泛的应用。 胶囊是胶囊式卡盘中一个关键部件，其作用是 不但要传递抱紧钻杆的径向力，还要保证液压油的 密封， 材质多选用耐油橡胶， 邵氏硬度为 60～70 左 右[8-10]。 太硬弹性差， 容易撕裂， 太软的容易挤入端面 间隙中， 使啃噬问题加剧。 胶囊的形状非常重要，对胶囊的内孔形状曾有 3 种不同的设计 方形、 圆形和多边形。方形和多边 形的形状较复杂，不利于加工成型，且壁厚变化处 易产生裂纹而撕裂漏油，使密封失效。圆形的形状 较简单，胶囊与卡盘组之间产生相对滑移，有利于 均衡胶囊内部的应力， 克服了前 2 种形状的缺点， 因 此采用这种形状。为了保证胶囊各部分尺寸的准确 性， 应了解橡胶收缩率的大小， 根据多次试验， 一般 取 0.15左右合适。 在胶囊的中部设有隔圈支撑， 它 与胶囊外缘形成高压油腔的密封，并限制其变形的 范围。滑板的作用是防止胶囊挤入卡盘体之间。 3.3箱体 变速箱箱体通常采用铸钢，其壁厚根据回转器 能力的大小一般为 10～12 mm， 线体表面应平整， 外 壁铸造出加强筋以提高强度和刚度。加强筋的位置 布置应有利于提高轴承孔处的刚度以及箱体抵抗外 载荷引起的变形的能力。 为了便于箱体的铸造和加工，应尽量减少箱体 内壁的台阶和隔板。轴孔设计，应使同一直线上不 同的孔依大小顺序排列，便于一次装夹就能将同一 轴线上的轴孔钻、 镗加工出来， 保证各孔的同轴度。 变速箱的密封必须可靠。 箱体、 轴承和轴承座之 间采用密封圈和石棉垫进行密封，箱体上的螺孔不 应钻透防止润滑油沿螺纹孔泄漏，轴的外伸段采用 双唇骨架油封。 3.4定向制动装置 定向制动装置安装在动力头输入轴后端，用于 定向钻进施工时抱紧主轴[11-12]。其原理是制动时油 压推动活塞杆沿轴向运动，推动压盘移动，使主动 摩擦片和被动摩擦片接触，伴随压力的增加，摩擦 力逐渐增大，完成制动功能。摩擦片是抱紧装置的 关键零件，其可靠性的高低影响整个制动的性能。 由于摩擦片为非标结构件，在加工中也遇到了各种 困难， 开始加工选用 15 号钢， 通过渗碳和淬火等方 式增加材料的强度和耐摩性能，由于摩擦片本身很 薄， 很难保证要求的渗碳深度， 材料的性能将不能完 全满足使用要求， 经过多次改进， 最终选取 65Mn 作 为摩擦片的材料， 经过一定热处理， 采用线切割的方 式成功加工出符合使用要求的高品质摩擦片。 4工业性试验 双马达动力头设计加工试制完成后安装在中煤 科工集团西安研究院生产的大功率定向钻机上， 在 国家安全生产西安勘探设备检测中心进行性能测试 后取得煤矿安全标志证书。整机在晋煤集团寺河煤 矿进行了工业性试验。 现场试验从 2014 年 8 月 10 日开钻， 8 月 22 日 结束， 施工完成最大主孔深度为 1 881 m 钻孔， 单孔 总进尺 2 601 m， 分支孔 11 个， 其中探顶分支 7 个、 探底分支 4 个， 钻孔施工平均日进尺 210 m。 从 2014 年 10 月至今，晋煤集团寺河矿使用大 功率钻机已施工本煤层定向长钻孔和顶板高位定向 长钻孔累计进尺超过 60 000 m，其中直径为 φ153 mm 的煤层顶板高位大直径定向钻孔进尺约 3 000 m， 对双马达动力头的性能进行了充分的验证。 5结语 双马达动力头采用行星轮加斜齿轮两级减速型 式， 通过双液驱高速马达驱动， 具备大扭矩的输出性 能， 提高了钻机处理孔内事故的能力， 具有较强的工 艺适应性； 采用湿式摩擦片结构的制动装置设计， 解 决了大扭矩动力头在大直径孔、超深孔钻进过程中 的强力制动难题；满足本煤层和顶板高位瓦斯抽放 钻孔深孔施工需要。 参考文献 ［1］ 石智军， 李泉新， 姚克．煤矿井下 1 800 m 水平定向钻 进技术与装备 ［J］ ．煤炭科学技术， 2015， 43 （2） 109. ［2］ 姚克．ZDY12000LD 大功率定向钻机装备研发及应用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44 （6） 164-168． ［3］ 方鹏．15000 N m 大功率定向钻机关键技术研究 ［J］ ． 煤田地质与勘探， 2019， 47 （2） 7-12． ［4］ 方鹏， 姚克， 邵俊杰， 等．履带式中深孔定向钻进装备 设计关键技术研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （4） 71-75． ［5］ 张锐．高转速跨输送带螺旋钻机及其关键技术 ［J］ ．煤 矿安全， 2017， 48 （8） 94-97． ［6］ 常江华．全液压车载钻机回转系统设计 ［J］ ．煤矿安全， （下转第 128 页） 124 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 2018， 49 （2） 115－117． ［7］ 张锐， 姚克， 方鹏， 等．煤矿井下自动化钻机研发关键 技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2019， 47 （5） 59－63. ［8］ 张锐， 孙保山．新型全液压履带定向钻机的研制 ［J］ ．煤 矿安全， 2015， 46 （10） 108－110． ［9］ 魏欢欢， 殷新胜．胶筒式液压卡盘存在问题及改进 ［J］ ． 煤田地质与勘探， 2017， 45 （5） 186－190． ［10］ 冯德强．钻机设计 ［M］ ．武汉 中国地质大学出版社， 1993 168－180． ［11］ 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