ZDY4000LD（A）型履带式全液压定向钻机的设计_方鹏.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COAL GEOLOGY track-mounted; fully hydraulic; design; coal mine tunnel 煤矿井下定向钻进技术是煤矿瓦斯治理和保障 高效生产的一项关键技术，是现代钻探工程领域重 要的发展方向。随着煤矿用坑道钻探技术与装备水 平的不断发展，履带自行式钻机结构得到了用户的 广泛认可，尤其是巷道条件较好的煤矿在本煤层瓦 斯抽放钻孔施工中，履带钻机的应用有效地提高了 钻孔施工效率。由于受机身调角范围小，巷道及工 艺适应性较差的影响，整体履带式定向钻机往往无 法满足多数煤矿的通用要求。为此，设计适用于狭 窄巷道的履带式全液压定向钻机成为大势所趋［1-2］。 本文设计了一款新型的能用于狭窄巷道的全液 压定向钻机，通过结构优化设计提高了钻机机身的调 角度范围及给进行程，改善了钻机的工艺适应性。该 钻机具有结构简单、操作方便、巷道适应性强的特点。 1 总体方案设计 ZDY 4000LDA）型履带式全液压定向钻机主要 用于中深孔煤矿瓦斯抽采钻孔施工，也可用于井下 探放水、地质构造和煤层厚度探测、煤层注水、顶 收稿日期2013-10-09 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05041-001 底板注浆等各类定向钻孔施工。钻机配备随钻测量 系统，适用于定向钻进和回转钻进等多种施工工艺。 为了满足狭窄巷道中快速搬迁稳固及施工要求，在 制定钻机总体技术方案时．充分调研了国 内外各类 煤矿的巷道条件，结合施工近水平定向瓦斯抽放钻 孔的需要，确定新型定向钻机的总体结构［3-5］。 a.钻机采用钻车和泵车两体式结构，履带自行 方式，两体均具备独立行走功能，便于现场快速搬 迁需要，摆布灵活。泵车用于给钻车提供电源，并 泵送高压水流驱动孔底马达回转，进行定向钻孔施 工。钻机整体外形布局见图1。 b.钻机采用全液压驱动方式，具有结构紧凑、 布局灵活的特点。各关键部件之间通过液压胶管连 接，具有较好的解体性，操纵机构能实现远距离操作。 钻机总体方案设计时，重点考虑钻机主要功能 和定向钻进施工工艺的匹配问题，主要解决整机结 构、液压系统及钻机功能设计等关键技术。根据狭 窄巷道中施工定向钻孔的技术要求，确定该机型履 带式全液压定向钻机的主要性能参数如表l。 作者简介方鹏1981一），男，湖北武汉人，硕士，工程师．从事钻探机具的研究与开发了作 ChaoXing 94 煤田地质与勘探第42卷 2 I 钻车；2 泵年 罔l定向钻机整体夕｜、形结构 Fig. I Structure of directional drilling ng 表l钻机主要性能参数表 Table I The main parameters of directional drilling rig 钻机构件 主机 行，主装置 万T主I 7JY11 3酶fL 主要性能 额定转矩刑m 锁定转速／（rmin1 主制1;t,1Jz;.IJ转矩刷m 主都IIftgf角／（。） 最大给迸／起拔力／kN 给进／起拔行程／mm 行,t速度／ （kmh1 爬坡能力／（。） 撞地比1王／（Nmm2 也tL额定功率／kW 钻年irti箱容积／L 泵车i由箱容积／L 钻年重量／kg 钻车（长x宽高） 泵车重量／kg 泵车（长宽高） 2 关键结构设计 参数 4 000 I 000 100350 I 000 3030 150 1750 2 20 0.048 55 200 300 7 000 3 600 mmx I 300 mmx I 800 mm 3 200 2 610 mmx I 300 mmx I 760 mm 钻车作为整个钻机的关键部分，其结构和功能 设计将直接影响现场搬迁、使用及施工效率。为了 满足狭窄巷道搬迁运输要求，钻车采用两列并排式 布局，由主机、操纵台、电机泵组、油箱、防爆计 算机、履带车体、稳固装置等组成。各关键部件集 成安装到履带车体上，并通过液压胶管连接，集成 度高，移动方便。整个钻机的关键结构主要包括回 转器、给进装置、调角装置、稳固装置、夹持装置、 操纵机构等。 2.1 回转器 回转器是钻机的关键核心部件，用于夹紧并将 液压马达输出的运动传递给钻杆，带动其回转实现 钻孔施l二。结合中深孔钻进施工需要，回转器应具 备将液压马达输出的转速和转矩转换为适合钻进工 艺要求的功能。为了便于维修与加工，回转器采用 一级直齿轮减速机构实现上述功能，并采用液控变 量马达．实现对输出转矩和转速的大范用无极调节。 对于定向钻机的回转器必须具备主轴制动功 能，因此在其输入轴上设计有主轴制动装置。回转 器结构如图2所示。主轴采用通孔式结构，钻杆长 度不受钻机给进行程的限制。考虑到钻进过程中不 可避免地会发生埋钻、卡钻和掉钻等孔内事故，因 此主轴设计为φ98mm大通孔形式，可以配套使用 多种规格的普通钻杆、通缆钻杆、螺旋钻杆和打捞 钻具，具有较强的工艺适应性。 4 I 液不马达；2 变速箱；3一制动装置，4一液斥卡盘 罔2回转器结构图 Fig.2 Structure of rotating unit 2.2 给进装置 给进装置用于起下钻具，其效率是影响现场钻 孔施工的主要因素之一，这就要求在有限机身长度 内增大给进行程或提高给进速度。为此，钻机的给 进装置采用油缸链条倍速机构，在有限机身长度的 情况下使给进行程最大化。常见的油缸链条倍速机 构分为单油缸链条和双油缸链条两种结构，由于双 油缸链条传动具有导向性好、机身刚度好和运动平 稳的特点，考虑钻机给进行程设计达到I750 mm, 因此采用双油缸链条传动的结构形式。 2.3 调角装置 调角装置主要用于调整钻机的开孔倾角。不同 的煤层构造条件对开孔倾角的要求不同，因此快速 可靠的调角装置显得尤为必要。目前，常用的调角 装置主要有单支点双油缸调角、滑轮加钢丝绳调节 和双支点双油缸对顶调节方式。为了使钻机具有较 高的工艺适应性，钻机需具备较大的机身倾角调节 范围；另外受操作舒适性的限制，钻机的中心开孔 高度不宜过高。考虑上述因素，钻机的调角装置设 计为双支点双油缸直接对顶的调节方式，结构示意 图见图3。两个多级油缸分别通过佼接的方式固定 在给进机身前后横梁上，位于前、后方的调角油缸 单独向上推动可分别实现调仰角和俯角的操作。辅 助稳固油缸可对机身进行辅助支撑，使调角更加可 靠。多级油缸采用大行程结构，能实现给进机身较大 ChaoXing 第4期方鹏ZDY4000LDA）型履带式全液压定向钻机的设计 95 的调角范围。同时该调角装置还能实现双油缸的同时 动作，完成对钻机水平开孔高度的快速调节c l一多级油缸；2一辅助稳固油缸；3一给进机身 图3调角装置结构图 Fig.3 Structure of angle-modulated devices 2.4 稳固装置 钻机稳固装置采用油缸直接支撑方式分别固 定在履带车体四角，用于钻机的现场稳固。受狭 窄巷道条件限制，钻机车体宽度不宜过宽。为了 提高钻机的稳定性，特别将钻机右侧的两组稳固 油缸设计成可侧向滑动结构（图的。侧移臂可在油 缸的椎动下滑动。现场稳固时，钻机前后两组稳 固油缸向外伸出，增大钻机的支撑面积，提高稳 定性；行走状态时稳固油缸收缩至车体内，有效 降低钻机宽度。 9 __J l一侧移滑道2一侧移臂3－稳固泊缸 阁4稳固装置结构图 Fig.4 Structure of robust devices 2.5 夹持装置 钻机的夹持装置包括卡盘和夹持器两部分。为 配合钻机施工工况和操作便携性，液压卡盘设计为 油压夹紧、弹簧松开式结构，通过机械连接方式安 装在动力头前端，具有夹紧力大，结构紧凑，反应 快速的特点。夹持器设计为油缸对顶的常闭式结构， 主要用于起、下钻时夹持孔内钻具，并与液压卡盘 配合实现机械拧、卸钻杆。由于定向钻机需通过夹 持器下放螺杆马达和孔口套管等装置，因此液压夹 持器设计为中部开合式的大开口复合式夹持器。该 类型夹持器的起下钻速度快，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（6］。 2.6 操纵机构 操纵机构是整个钻机的控制中心，由各种控制 阔块、操作手柄、压力表及液压管件组成。为了布 局的灵活性，钻机部分功能通过液压先导手柄，实 现对主控阀块的远距离操作。在操纵台结构布局上． 需重点考虑人机工程学原理，做到布局合理、结构 紧凑，因此按照工作状态区别，将操纵台设计为主 操纵台和行走操纵台两部分。主操纵台设计在钻车 前方靠近孔口的位置，以便实时观察孔口施钻情况， 其结构见图5;行走操纵台设计在钻车后方，便于 实际驾驶钻机操作。考虑到主操纵台靠近孔口，易 造成现场施工中孔口返水喷溅至操作者身上，同时 出于安全操作考虑，将主操纵台设计成具备两级旋 转结构形式，位于中间的操纵机构能够分别绕转轴 a和转轴b进行两级旋转，从而使旋转自由度灵活， 方便操纵者根据现场工况合理调整操作位置。 l一转轴a;2 抱瓦；3一转臂；4一操纵机构，5一转轴b 图5主操纵台结构示意图 Fig.5 Structure schematic of the main console 3 液压系统设计 3.1 施工工艺对系统的要求 该钻机设计定位为一款全液压定向钻机。为了 提高工艺适应性，该钻机设计为能同时满足常规回 转钻进施工、孔底马达定向钻孔施工以及复合钻进 施工的不同要求。因此在钻机的被压系统设计上， 除了满足定向钻孔施工的钻进参数调节功能以及主 轴制动功能外，还需具备回转钻进参数调节功能， 其他系统功能则与常规履带钻机相似。 3.2 液压系统回路设计 根据不同功能区分，钻机液压系统主要分为回 转系统、钻进系统、辅助稳固调角系统、履带行走 系统、泥浆泵控制系统5大部分（图6）。系统采用双 泵开式回路设计．我，中主副泵分别采用负载敏感控 制方式和恒压变量控制方式，实现系统节能的目的。 主泵用于为回转系统和钻近系统的快速动作以及履 带行走系统提供压力油；副泵用于为钻进系统的慢 速动作和各种辅助功能提供压力油。其中回转系统 ChaoXing 96 煤田地质与勘探第42卷 睡；二盟主；r--f二二平 i斗证F二三1注』i l一主泵，2一百I］泵，3主控制阀；今一履带行走马达； 5一先导控制阀，6回钻器马达，7→液压卡盘； 8一液压夹持器；9给进油缸；10一稳网调角阀组 罔6钻机液压系统 Fig.6 Hydraulic system of drilling ng 主要给回转器提供回转动力，配合钻进系统可实现 不同工况的施工。钻进系统主要为给进装置提供钻 进操作时所需的给进力和起拔力，通过钻进系统可 实现对给进动作的压力调节和速度调节，并根据现 场施工要求，实现加压和减压钻进口，10］。泥浆泵控 制系统的设计完全独立于其他各功能系统，由泵车 实现具体的控制和操作，因此完全不受钻机各功能 系统的影响，现场操作更加稳定可靠。 4 外观造型设计 传统的钻机设计基本是为了满足功能要求，很 少考虑工业造型方面的相关因素，这导致国内煤矿 坑道钻机产品相比国外同类型产品在外观上有较大 差距。为此．在钻机设计过程中大量运用了产品美 学和人机工程学的相关原理，对钻机外观进行了全 新的造型设计（图7）。通过外观造型设计和相关色彩 的搭配，使钻机形成鲜明的特色，为后续其他型号 罔7钻机外观造型 Fig. 7 External appearance of the drilling rig 的钻机设计提供了必要的参考依据。 5结论 ZDY4000LDA）型钻机是一款适用于狭窄巷道 条件的定向钻机，填补了该类巷道条件下中深孔定 向钻孔施工关键设备的空白。钻机整体结构设计合 理，钻车和泵车两体式布局结构的应用，有效降低 了钻机车体平台的宽度，增加了钻机的巷道适应性， 为后续该类型钻机的设计奠定了基础。 a.钻机回转器采用液控变量方式，相比传动的 手动变量方式，液控变量机构可统一布置到操纵台 上，布局更加灵活，操作更加方便。 b.应用双油缸直接对顶调角方式，有效地增加 了钻机的调角范围，并能兼顾解决钻机水平开孔高 度调节问题，使钻机结构更加合理。 c.设计侧移式稳固油缸，能有效解决窄车体和 稳定性之间的矛盾。该类稳固装置在定向钻机设计 中尚属首次应用，值得借鉴。 d.主操纵台采用可旋转式结构，使操作者的施 钻位置不受限制，现场摆布更加灵活。 参考文献 川方鹏，因宏亮，邬迪，等ZDY6000LDA）型履带式全液压定 向钻机及其应用［J］.煤旧地质与勘探.20门，39274-77. 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