15 000 N·m大功率定向钻机关键技术研究_方鹏.pdf

第 47 卷 第 2 期煤田地质与勘探Vol. 47 No.2 2019 年 4 月COALGEOLOGY ultra-deep borehole; high-power; compound directional drilling; coal mine ChaoXing 8煤田地质与勘探第 47 卷 随着技术的进步和施工装备的发展，采煤工作 面长度已经超过 3 000 m， 为满足超长工作面瓦斯综 合治理需要，在“十一五”科研成果的基础上，“十二 五”国家科技重大专项开展了大功率定向钻进技术 与装备的研发，重点在本煤层超长定向钻孔施工和 顶板高位钻孔施工方面进行了探索，经过示范和推 广，煤层瓦斯抽采钻孔深度不断刷新记录，为矿井 瓦斯治理和安全生产管理提供有效的技术和装备支 持，煤层超长距离定向钻进技术也被越来越多地应 用到超长工作面瓦斯抽采钻孔施工[1-3]。同时，随着 矿井生产强度和采矿深度的增加，在工作面推进过 程中，采空区和邻近煤层中的瓦斯涌入，严重威胁 了矿井的安全生产[4-6]。为了解决上述问题，在“十 二五”期间， 依托研制的大功率定向钻进装备在顶板 大直径定向钻孔方面进行了研究，在解决上隅角瓦 斯问题上取得了一定效果。经过在淮南矿区的推广 应用，顶板高位大直径定向钻孔抽采瓦斯效果得到充 分认可，因其具有施工效率高、抽采效果好、降本增 效显著的特点， 为以孔代巷提供了可行方案[5-7]。 然而， 由于顶板大直径定向钻孔施工过程受岩层地质条件 的影响，对钻进装备的能力提出不同需求，为了满 足该技术日益发展的需要，在原有 12 000 N∙m 定向 钻机基础上开发能力更大的钻进装备，形成系列化 的大功率定向钻机产品显得尤为必要。 基于以上分析，论文结合 15 000 N∙m 大功率定 向钻机设计的基本需求， 提出具体解决方案的思路， 并结合钻机设计中的关键技术进行了详细介绍。 1技术研究思路 1.1基本需求分析 由于考虑顶板高位大直径定向钻孔钻进过程 中，钻遇复杂破碎岩层时需要采用回转钻进方式实 现钻孔延伸，以及在本煤层枝状钻孔群超长距离定 向钻孔施工中需采用复合定向钻进工艺技术，提高 钻进施工效率，因此，钻机需要具备回转钻进、定 向钻进和复合定向钻进的基本功能；为满足超长工 作面瓦斯抽采钻孔施工需要，钻机需具备 1 500 m 以上超深定向钻孔施工能力；为解决钻进过程中不 可避免的卡、埋钻等钻孔事故，钻机需具备大扭矩 输出和大给进/起拔能力，实现强力回转和起拔的目 的；另外还需要结合岩、煤层地质条件，开发与超 长距离定向钻进施工工艺相适应的功能结构和控制 方法[7]。 1.2技术解决方案 在上述基本功能需求分析基础上进行钻机整体 结构、关键部件以及液压控制系统的设计，确定钻 机的主要技术参数表 1。 表 1钻机主要技术参数表 Table 1The main parameters of directional drilling rig 主要性能参数 额定转矩/N∙m15 0003 500 额定转速/r∙min-140135 主轴制动转矩/N∙m3 000 主轴通孔直径/mm135 主轴倾角/ –1020 额定给进/起拔力/kN250 给进/起拔行程/mm1 200 电机额定功率/kW132 外形尺寸/mm4 2001 6001 900 利用数字化技术，从钻机的关键技术方面开展 研究；通过模块化设计思路，解决大功率定向钻机 关键部件的结构和功能开发，创新研制回转、夹持、 调角和制动等关键结构部件；通过关键参数核算、 三维虚拟装配、CAE 分析等手段，实现钻机一体 化紧凑型布局；采用恒功率控制、负载敏感和比例 先导控制技术， 开发适应复杂工况条件的钻机专用 液压系统，降低钻机的故障率，提高钻机工作可靠 性[8]。 2关键技术研究 基于钻机设计的基本需求分析和解决方案，主 要对总体布局设计、大能力回转器与托板分析、大 开口夹持器设计、动力与液压系统设计、关键部件 模块化设计等关键技术进行研究。 2.1总体布局设计 结构布局及传动方式是履带式钻机设计需要首 先解决的问题，因其直接影响钻机外形尺寸，结构 类型和整机功能，同时还影响制造的容易性、加工 成本、产品的易用性和可维护性[9]。结合大功率定 向钻机施工要求，钻机采用全液压驱动、履带自行 和动力头式结构，通过 2 列布局结构，实现紧凑型 设计需要，钻机外形结构如图 1 所示。 1操纵台；2主机；3液压泵站；4稳固装置； 5履带车体；6防爆电脑 图 1钻机外形结构 Fig.1Structural configuration of directional drilling rig ChaoXing 第 2 期方鹏 15 000 N∙m 大功率定向钻机关键技术研究9 履带车体底盘上集成布局主机、操纵台、液压泵 站，各部件通过液压管路实现功能连接。为有效增大 给进行程，主机中心与双履带平行布局，通过液压油 缸和地锚实现钻机的快速可靠固定。另外，总体布局 还需重点解决好各执行部件的操作可视性和操纵台的 舒适性与美观性问题。根据定向钻进施工需要，防爆 电脑集成设计在操纵台右侧， 便于随时观测钻孔数据。 2.2大能力回转器与托板分析 回转器通过托板与钻机给进装置连接，并传递 给进和起拔力，因此回转器形式和托板结构与强度 直接影响钻机的性能和可靠性。 2.2.1大能力回转器设计 回转器是驱动钻具回转，提供回转速度和扭矩 的关键部件，同时还兼顾机械化拧卸钻杆和处理孔 内事故需要[10]。为了解决大能力输出和小型化设计 的矛盾，采用双液控变量液压马达作为驱动单元， 经行星齿轮和斜齿轮两级减速后，实现转速和转矩 的输出，回转器传动原理如图 2 所示。根据输出转 矩要求，和一级齿轮传动比取值 36 的设计原则， 计算选取回转器总传动比 i， 并对 2 级传动比进行合 理分配设计。 图 2回转器传动原理图 Fig.2Transmission schematic of rotary head 回转器采用通孔式结构， 结合 ZDY 系列钻机液 压卡盘结构，对关键零件进行优化设计，使主轴通 孔直径达到 135 mm，可满足多种型号钻具使用需 要。通过对齿轮传动系统分析，对齿轮的材料、结 构和表面硬度进行设计和优化，使优化后的回转器 具备 15 000 N∙m 转矩输出能力和较高的传动效率。 同时在驱动端设计湿式摩擦片式抱紧装置，提供定 向钻进的制动需要。 2.2.2托板设计与分析 拖板是主机单元的重要部件，用于连接回转器 和给进机身，并将给进力传递给回转器，实现沿给 进机身导轨的前后运动[11]。为了提高托板的结构强 度，采用整体式结构经铸造而成；为了在起、下钻 过程中保护钻杆丝扣，在液压系统功能回路设计基 础上，对托板与给进油缸连接部位进行特殊设计， 结构如图 3 所示。 图 3托板浮动连接结构图 Fig.3Floating connection structure of layer board 作为钻机的主要受力部件，对托板结构进行分 析可达到最优设计的目的。通过三维设计软件建立 托板实体模型，并进行网格划分，选择单元类型为 隐式线性三维应力减缩积分并检验网格划分的质 量；结合托板实际运动时的受力分析，通过建立参 考点来替换回转器主轴的中心，并在参考点施加最 大给进力和回转转矩方式对实际外载荷进行等效处 理，通过静力学仿真，得到托板的应力和形变图， 如图 4 所示。 图 4托板应力和形变图 Fig.4Stress and strain diagram of layer board 根据图4分析结果， 托板的最大应力为85.0 MPa， 大部分应力分布低于 80.0 MPa；最大形变值为 0.180 mm，发生在托板后方横方向筋板的中部区 域。托板由铸钢 ZG270-500 制成，材料的许用应力 为 270.0 MPa，因此其强度设计和应力与形变均符 合设计要求。 对于应力超过 80.0 MPa 的部分可增大 局部倒角；因中间开口处长条筋板的应力和形变较 小，可不做调整；可在托板后上部形变较大的两筋 板间加设竖筋，形成工字型结构，对于托板的变形 能起到较好的抑制作用。 2.3大开口夹持器设计 承载类型是夹持器设计的基础，由于钻机需具 备一定倾角调节和 1 500 m以上超长钻孔施工能力， 因此其承载主要由钻具质量和反扭矩两种负载类型 承担。为提高钻具夹持动作的响应速度，采用碟簧 夹紧和油压松开方式，设计直接型常闭式复合夹持 结构[12]。 碟簧产生的夹紧力主要用于夹持孔内钻具， 所需的最大夹紧力 F1主要克服钻孔内钻杆的自重， 计算公式为 ChaoXing 10煤田地质与勘探第 47 卷 1 sin/2 FG nf 1 式中 G 表示单根钻杆的重量，kN；n 表示钻杆的数 量；θ表示钻孔的最大倾角，；f 表示钻杆和卡瓦 接触的摩擦系数，一般取 f＝0.3。 根据 F1值选择合适的碟形弹簧， 结合结构设计 尺寸和碟形弹簧作用力的标准公式计算其工作点的 作用力 p2，当 p2F1时即可满足孔内钻具夹持需要。 为了机械化拧卸钻杆，夹持器满足最大反扭矩 所需的夹紧力计算公式为 F2M/df2 式中 M 表示钻机的额定转矩，N∙m；d 表示钻杆直 径，mm。 采用复合式结构的夹持器，在回转器反转拧卸 钻杆时，通过碟簧和液压油缸共同作用提供最大夹 持力F， 当 FF2时即可满足反转卸扣时的夹紧需要。 以此为条件，根据液压油缸计算公式即可核算夹持 器油缸直径参数，从而指导夹持器结构设计。 夹持器功能设计方面， 设计上开口拉杆结构， 结 合夹持器油缸行程和最大外形尺寸要求， 优化设计最 大开口距离达到 200 mm，可解决粗径钻具快速通过 的难题； 夹持器前端设计了与其通孔同心且高度可调 的扶正装置，实现正常钻进时对钻具的导向作用[13]。 2.4动力与液压系统设计 液压系统的设计和液压元件的计算选型，以及 动力单元的配套直接影响钻机的输出性能，需要结 合钻机的应用工况对其进行研究。 2.4.1液压系统设计 根据钻机执行机构的主要功能，将其液压系统 分为钻进系统、辅助系统和行走系统。结合超长距 离复合定向钻进工艺对于钻机功能的需求分析，将 钻进系统设计快慢速 2 种驱动模式，分别采用 2 组 独立的泵控容积调速系统，减小 2 种模式操作的相 互影响， 可分别对回转和给进单元进行精准调控[14]。 采用三泵开式液压系统方案，结合负荷传感、恒压 变量、恒功率控制和比例先导技术，实现改善回转 和给进工况，以及节能的目的，且可满足钻进系统 多执行机构单独控制的要求[15]。结合基本需求和功 能分析，设计系统组成形式如图 5 所示。 图 5液压系统组成形式 Fig.5Composition pattern of hydraulic system 根据液压系统组成形式分析，对各关键回路进 行设计。分别对回转、给进、辅助和行走等回路进 行原理设计和参数计算； 专门针对大功率钻机特点， 设计钻杆丝扣保护、定向钻进保护、行走闭锁、防 掉钻保护、扭矩切换等多种功能回路，提高系统安 全性。 2.4.2动力单元设计 根据液压系统设计原理，采用三串式液压油泵 作为动力驱动单元， 通过防爆电机直接驱动的方式， 减小安装尺寸，选用的液压油泵基本参数见表 2。 表 2液压油泵基本参数表 Table 2The basic parameters of hydraulic oil pump 泵型 最大排量/ mL∙r-1 工作压力/ MPa 最高转速/ r∙min-1 控制 方式 Ⅰ泵0160282 100LRDS Ⅱ泵071262 200DFR1 Ⅲ泵028213 000DRG 根据所选取的液压油泵性能参数，初步核算动 力单元的最大功率 NB，基本计算公式为 B 1 /60 n iii i Np Q    3 式中 pi表示液压油泵的额定工作压力，MPa；Qi 表示泵的实际输出流量，可根据泵的排量和实际转 速计算得到，L/min；ηi表示泵的总效率，柱塞式液 压油泵一般取ηi0.9。 钻进施工时，钻机分别由Ⅰ泵和Ⅱ泵驱动，实 现回转和给进的独立控制。 由于实际工况泵不会同 时出现最高压力和最大排量输出， 且Ⅲ泵只提供所 需压力和很小流量，钻机的驱动功率可按最大值 NB的 70选取，以此作为动力系统功率选型的主 要依据。 2.5关键部件模块化设计 为了提高产品个性化定制的响应速度，对于钻 机的关键部件采用模块化设计思想，对其功能、性 能和用途进行分析和合理划分，在此基础上对产品 的零件进行标准化设计，形成具有不同独立功能的 模块单元。根据大功率钻机的设计要求，将给进装 置、调角机构、操纵台、液压油箱、防爆电脑、履 带车体、稳固装置等关键部件划分成具有特定功能 ChaoXing 第 2 期方鹏 15 000 N∙m 大功率定向钻机关键技术研究11 的属性模块，使其在系列化大功率钻机中达到通用 配套需要[16]。以操纵台为例，对于各种功能回路采 用集成设计方式，选用标准功能模块进行开发[17]。 针对特定工况，对部分部件的功能结构进行适当优 化调整。 为提高复杂岩层钻进施工时主机的稳定性和施工 效率， 通过分析计算， 采用2根Ф110mm/55mm-1200 双 杆双作用给进油缸，配套设计可更换式耐磨导轨结构 的给进装置，可有效提高顶板高位大直径钻孔碎岩过 程中给进导轨的抗冲击性，同时可与 12 000 N∙m 大功 率定向钻机所采用的 V 型导轨给进装置互换，形成 2 种给进装置模块，结合施工要求，可进行灵活配 置。 3性能测试试验 钻机性能测试是检验钻机设计性能指标的有效 手段，需开展负载性能、过载性能、空载性能和温 升等测试内容[18]。利用国家安全生产西安勘探设备 检测中心试验平台，进行钻机负载性能测试，分别 节选低速和高速 2 种状态的测试结果表 3。 表 3钻机负载性能测试结果 Table 3Test results of load perance of drilling rig 序号输入功率/kW转矩/N∙m转速/r∙min-1状态 1122.815 11342 低速 2122.815 11542 3122.815 11242 4122.815 11642 5122.03 620157 高速 6122.03 618157 7122.03 621157 8122.03 620157 测试结果显示钻机的转速、转矩等关键性能参 数满足设计要求，其他测试结果也符合 15 000 N∙m 大功率定向钻机企业标准的相关规定。 4结 论 a. 通过对 15 000 N∙m 大功率定向钻机关键技 术的研究，解决了整机大功率配套、大能力输出和 紧凑型布局设计的矛盾， 提高了钻机的工艺适应性， 提升了整机性能和关键部件的使用寿命。 b. 钻机的性能测试验证了整机的各项技术指 标均达到设计要求，为超长距离工作面本煤层瓦斯 抽采钻孔和复杂煤层顶板高位大直径钻孔施工，提 供了一套成熟可靠的钻进装备保障。 c. 采用模块化的设计思想，可以有效提升钻机 关键部件的通用性，降低研发和生产成本，对于提 高大功率定向钻机的用户个性化定制开发响应速度 具有重要的现实意义。 d. 持续开展大功率定向钻机关键技术的深入 研究，并进行相关技术的后优化设计，为产品的 不断完善和指导相关产品的研发提供了切实可行 的思路。 参考文献 [1] 申宝宏，刘见中，张泓. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J]. 煤 炭学报，2007，327673–679. SHEN Baohong，LIU Jianzhong，ZHANG Hong. The technical measures of gas control in china coal mines[J]. Journal of China Coal Society，2007，327673–679. [2] 申宝宏，郑行周，弯效杰. 煤矿隐蔽致灾因素普查技术指南[M]. 北京煤炭工业出版社，2015. [3] 石智军，董书宁，姚宁平，等. 煤矿井下近水平随钻测量定向 钻进技术与装备[J]. 煤炭科学技术，2013，4131–6. SHI Zhijun， DONG Shuning， YAO Ningping， et al. Technology and equipment of horizontal measuring directional drilling in underground coal mine[J]. Coal Science and Technology，2013， 4131–6. [4] 张海权， 王惠风， 王向东. 大直径高位钻孔代替高抽巷抽采瓦 斯的研究[J]. 煤炭科学技术，2012，40651–53. ZHANG Haiquan，WANG Huifeng，WANG Xiangdong. Study on gas drainage with large diameter high level borehole to replace high level gas drainage gateway[J]. Coal Science and Technology，2012，40651–53. [5] 方俊，石智军，李泉新，等. 顶板高位定向大直径长钻孔钻进 技术与装备[J]. 矿业研究与开发，2015，35792–97. FANGJun，SHI Zhijun，LI Quanxin，et al. Drillingtechnologyand equipments on directional high level and long borehole with large diameterinroof[J]. MiningResearchand Development， 2015， 357 92–97. [6] 闫保永. 高位定向长钻孔钻进工艺研究[J]. 煤炭科学技术， 2016，44455–58. YAN Baoyong. Study on drilling technique of high level directional long borehole[J]. Coal Science and Technology ， 2016，4445558. [7] 石智军， 李泉新， 姚克. 煤矿井下水平定向钻进技术与装备的 新进展[J]. 探矿工程岩土钻掘工程，2015，42112–16. SHI Zhijun， LI Quanxin， YAO Ke. Latest developments of horizontal directional drilling technology and the equipments for underground coal mine[J]. Exploration EngineeringRock Soil Drilling and Tunneling，2015，42112–16. [8] 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，2018，46471–75. FANG Peng，YAO Ke，SHAO Junjie，et al. Research on key technology of the tracked directional drilling equipment design – ChaoXing 12煤田地质与勘探第 47 卷 for medium-deep borehole[J]. Coal Science and Technology， 2018，46471–75. [9] 姚克. ZDY4000LD 定向钻机关键技术研究[J]. 煤田地质与勘 探，2012，40482–85. YAO Ke. Key technology of ZDY4000LD directional drilling rig[J]. Coal Geology Exploration，2012，40482–85. [10] 方鹏. ZDY4000LDA型履带式全液压定向钻机的设计[J]. 煤 田地质与勘探，2014，42493–96. FANG Peng. Design of the track-mounted ZDY4000LDA fully hydraulicdirectionaldrillingrig[J].CoalGeology Exploration，2014，42493–96. [11] 方鹏，田宏亮，邬迪，等. ZDY6000LDA型履带式全液压定 向钻机及其应用[J]. 煤田地质与勘探，2011，39474–77. FANG Peng， TIAN Hongliang， WU Di， et al. Development and application of the track-mounted ZDY6000LDA hydraulic directional drilling rig[J]. Coal Geology Exploration，2011， 39474–77. [12] 张锐. 高转速跨输送带螺旋钻机及其关键技术[J]. 煤矿安全， 2017，48894–97. ZHANG Rui. High rotation speed and crossing conveyor auger drill and its key technologies[J]. Safety in Coal Mines，2017， 48894–97. [13] 姚克，方鹏，邵俊杰，等. 狭窄巷道小定向钻机及配套泥浆泵 车的研制[J]. 探矿工程岩土钻掘工程， 2016， 4310 165–169. YAO Ke，FANG Peng，SHAO Junjie，et al. Development of small directional drilling rig and mud pump truck in narrow coal mine roadway[J]. Exploration EngineeringRock Soil Drilling and Tunneling，2016，4310165–169. [14] 张建明，刘庆修，田宏亮，等. 煤矿井下千米定向钻机液压控 制特性分析[J]. 煤炭学报，2012，37增刊 2341–345. ZHANG Jianming ， LIU Qingxiu ， TIAN Hongliang， et al. Peranceanalysisofhydrauliccontrolforkilometer directional rig used in underground coalmine[J]. Journal of China Coal Society，2012，37S2341–345. [15] 孙保山，殷新胜，田宏亮，等. 基于负载反馈技术的履带式钻 机液压系统[J]. 煤炭科学技术，2011，39395–99. SUN Baoshan ， YIN Xinsheng ， TIAN Hongliang ， et al. Hydraulic system of crawler type drilling rig based on load feedback technology[J]. Coal Science and Technology， 2011， 39395–99. [16] 孙保山. ZDY6000LDB履带式全液压坑道钻机[J]. 煤田地质 与勘探，2014，424103–105. SUN Baoshan. ZDY6000LDB full hydraulic truck-mounted tunnel drilling rig[J]. Coal Geology Exploration， 2014， 424 103–105. [17] 张锐，孙保山. 新型全液压履带定向钻机的研制[J]. 煤矿安 全，2015，4610108–110. ZHANG Rui ， SUN Baoshan. Development of new type all hydraulic track-mounted directional drilling rig[J]. Safety in Coal Mines，2015，4610108–110. [18] 李栋，姚克，张占强，等. 煤矿坑道钻机用履带式泥浆泵车及 其应用[J]. 煤田地质与勘探，2016，441128131. LI Dong， YAO Ke， ZHANG Zhanqiang， et al. Crawler mud pump truck for drill rig used in coal mine and application[J]. Coal Geology Exploration，2016，441128131. 责任编辑 聂爱兰 上接第 6 页 [13] 姚宁平. 我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J]. 煤田 地质与勘探，2008，36478–80. YAONingping.Developmenttrendofnearlyhorizontal directional drilling technology in coal mines of China[J]. Coal Geology Exploration，2008，36478–80. [14] 赵建国，李泉新. 碎软煤层定向钻进技术研究与应用[J].煤矿 安全，2018，497119–122. ZHAO Jianguo ， LI Quanxin. Research and application of directional drilling technology in broken soft coal seam[J]. Safety in Coal Mines，2018，497119–122. [15] 陈小平. ZYWL-4000SY 型煤矿用全自动钻机的研制及应用[J]. 矿山机械，2017，45717–19. CHEN Xiaoping. Development and application of ZYWL- 4000SY colliery-used fully-automatic drill rig[J]. Mining Processing Equipment，2017，45717–19. [16] 王清峰，陈航. 瓦斯抽采智能化钻探技术及装备的发展与 展望[J]. 工矿自动化，2018，441118–24． WANG Qingfeng，CHEN Hang. Development and prospect on intelligent drilling technology and equipment for gas drainage[J]. Industry and Mine Automation，2018，441118–24. [17] 方俊，石智军，李泉新，等. 顶板高位定向大直径长钻孔钻进 技术与装备[J]. 矿业研究与开发，2015，35792–97. FANG Jun，SHI Zhijun，LI Quanxin，et al. Drilling technology and equipments on directional high level and long borehole with large diameter in roof[J]. Mining Research Development ， 2015，35792–97. [18] 童碧，许超，刘飞，等. 淮南矿区瓦斯抽采中以孔代巷技术研 究与工程实践[J]. 煤炭科学技术，2018，46433–39. TONG Bi，XU Chao，LIU Fei，et al. Technology research on borehole in place of roadway and its engineering practice in gas drainageofHuainanminingarea[J].CoalScienceand Technology，2018，46433–39. [19] 赵江鹏.大直径反循环潜孔锤的密封方法与试验研究[J]. 探矿 工程岩土钻掘工程，2015，421261–63. ZHAO Jiangpeng. Sealing for large-diameter reverse circulationDTHandtheexperimentalstudy[J].Exploration EngineeringRock Soil Drilling andTunneling，2015，4212 61–63. [20] 王鲜，许超，王四一，等. 本煤层Ф650 mm 大直径钻孔技术 与装备[J]. 金属矿山，20178157–160. WANG Xian，XU Chao，WANG Siyi，et al. Φ650 mm large diameter drilling technology and equipment for the coal seam[J]. Metal Mine，20178157–160. 责任编辑 晋香兰聂爱兰 – – ChaoXing