ZYWL-23000DS大功率定向钻机几项关键技术研究.pdf

第 48 卷 2020 年第 3 期 采掘 编 辑 严 瑾 12 ZYWL-23000DS 大功率定向钻机 几项关键技术研究 闫保永1,2 1中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039 2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400039 摘要针对目前定向钻机转矩较小、通径小、更换卡瓦慢、上下钻杆不便，不能完全满足煤层顶板裂 隙带大直径定向钻孔施工要求的问题，研制了 ZYWL-23000DS 大功率定向钻机。在 ZYWLD 系列定 向钻机研制的基础上，重点对双马达动力头、快换卡盘、大通径夹持器、旋转与制动功能互锁、辅助 上下钻杆装置等关键技术进行了研究，并对钻机进行了负载性能测试，钻机的各项性能参数达到设计 要求。该钻机作为目前煤矿井下用转矩最大、起拔力最大的定向钻机，可有效提高顶板裂隙带大直径 定向钻孔的施工效率。 关键词大功率；定向钻机；大直径；煤层顶板 中图分类号TD41 文献标志码B 文章编号1001-3954202003-0012-04 Several key technologies about ZYWL-23000DS high-power directional drill rig YAN Baoyong1,2 1Chongqing Research Institute, China Coal Technology directional drill rig; large-diameter; coal seam roof 基金项目“十三五” 国家科技重大专项 2016ZX05045003-004 作者简介闫保永，男，1984 年生，硕士，副研究员，定向钻 机所所长，主要从事煤矿井下安全装备的开发及推广工作。 煤 矿应用的常规定向钻机回转转矩普遍为 3 000 6 000 Nm，主要用于近水平顺煤层钻孔施 工，一次成孔直径为 96 mm，不能完全满足国内长距 离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔 施工的需求[1]。由于常规定向钻机转矩小，处理孔内 事故能力差，有必要开展大功率定向钻机研究[2-3]。 “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，重点在顶板裂隙带大直径钻 孔施工方面进行了探索，研制出了 ZDY-12000LD、 ZYWL-13000DS、ZYWL-15000DS 型定向钻机，在 解决上隅角瓦斯问题方面取得了一定效果[4-7]。经过 万方数据 第 48 卷 2020 年第 3 期 采掘 编 辑 严 瑾 13 在晋煤集团、汾西集团等矿区的推广应用，顶板裂隙 带大直径钻孔抽采瓦斯效果逐步得到认可。因其可以 缩短施工周期，节约生产成本，缓解矿井采掘接替紧 张的矛盾，为以孔代巷提供了可行方案[8-11]。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更大需求需要钻机转 矩大；钻孔通径大，可以使用更大直径钻杆；为了打 捞方便，需要快速更换卡瓦；需要上下钻杆辅助装 置，以实现粗径钻具快速装卸。针对新需求，为了满 足该技术日益发展的需要，对几项关键技术进行攻 关，研制出 ZYWL-23000DS 型大功率定向钻机，形 成系列化的定向钻机产品。 1 技术要求 根据目前定向钻孔施工情况，大功率定向钻机 除具备回转钻进、定向钻进和复合定向钻进等基本功 能外，还需注意以下问题在顶板裂隙带大直径定向 钻孔钻进过程中，经常遇到破碎岩层，需采用回转钻 进方式穿过破碎带，同时，为解决钻进过程中不可避 免的卡、埋钻等钻孔事故，钻机需要大转矩和大起拔 力，具备强力起拔和回转等功能；随着顶板裂隙带钻 孔直径不断增大，需要钻机可以夹持使用粗径钻具进 行钻孔施工；粗径钻具一般较重，需要研制辅助上下 钻杆装置，减轻工人劳动强度，提高效率；针对大转 矩动力头制动难的问题，需研制新型旋转与制动功能 互锁液压控制技术。 针对这些问题，在钻机的关键技术方面开展研 究，通过虚拟样机技术，对关键参数进行核算，实现 钻机一体化紧凑型布局；创新研制动力头、夹持器、 制动等关键结构部件；开发基于恒功率控制、负载敏 感和比例先导控制技术的液压系统，降低钻机功耗， 提高钻机可靠性。结合理论计算和经验类比，确定了 大功率定向钻机主要性能参数，如表 1 所列。 2 关键技术研究 在借鉴 ZYWLD 系列定向钻机优点的基础上，重 点对双马达动力头、快换卡盘、大通径夹持器、旋转 与制动功能互锁、辅助上下钻杆装置等关键技术进行 了创新攻关设计，实现了钻机大转矩、大主轴通径、 快速更换卡盘、自动拧卸钻杆等功能，大大提高了施 工过程中对抱钻、卡钻等事故的处理能力，提高了钻 机的实用性。 2.1 双马达动力头 动力头是驱动钻具回转，提供转矩和回转速度的 关键部件，同时还实现了机械化拆卸钻杆与处理孔内 事故。动力头将液压能转换成机械能，高压油驱动液 压马达旋转，经减速器减速后带动钻具旋转，输出转 矩和转速。减速器为两级齿轮传动机构，无级变速。 为了实现大转矩要求并尽量减小体积，采用双液控变 量液压马达驱动，传动原理如图 1 所示。根据转矩输 出要求，计算选取动力头总传动比 i，按照 1 级齿轮 传动比为 3～6 的取值原则，对 2 级传动比进行合理 分配设计。 动力头主轴为中空结构，为满足定向钻进及打捞 需要，通孔直径为 135 mm。双马达动力头转矩大， 大大提高了施工过程中对抱钻、卡钻等事故的处理能 力，提高了定向钻机的地层适应性。为了实现马达同 步驱动，防止双马达间驱动干涉，将 2 个马达进油口 串联，通过液压系统实现 2 个马达输出转矩一致。 2.2 快换卡盘 卡盘在液压力的作用下，依靠液控单向阀、胶 套、卡瓦、弹簧等完成夹紧与松开功能。夹紧钻杆 时，高压油经液控单向阀注入密封油腔，胶套受到径 向的压力而收缩，使卡瓦组向中心移动，夹紧钻杆， 然后停止供油，液控单向阀关闭，密封油腔内保持高 压，卡盘处于常闭式状态；松开钻杆时，控制油路供 油，液控单向阀被打开，密封油腔回油，在弹簧力作 用下，卡瓦松开。卡盘采用液控单向阀控制卡盘工作 油路，实现了常闭式卡盘和常开式卡盘两者的有机统 图 1 双马达动力头传动原理 Fig. 1 Transmission principle of dual motor power head 表 1 主要性能参数 Tab. 1 Main perance parameters 额定输出转矩/Nm 额定输出转速/r min-1 推进/起拔力/kN 推进/起拔行程/mm 主轴通孔直径/mm 主轴倾角/ 主机电动机功率/kW 主机尺寸/mmm 23 000～4 000 35～110 400/400 1 200 135 -20～20 200 4.51.62.1 万方数据 第 48 卷 2020 年第 3 期 采掘 编 辑 严 瑾 14 一，夹紧松开卡盘只需间歇供油，大大降低了定向钻 机的功耗。 卡盘与动力头主轴通过连接盘连接，安装卡盘 时，将卡盘上控制油口对准主轴控制油口，通过螺栓 将卡盘固定在主轴上，因此可以快速整体更换卡盘。 要更换卡瓦组件时，不用拆除胶套，只需将定位盖拆 下，拔出卡瓦组件，即可实现卡瓦组件快速更换。快 换卡盘结构及原理如图 2 所示。 2.3 大通径夹持器 为了满足粗径钻具快速通过要求，设计了上开口 拉杆结构大通径夹持器，最大通径为 200 mm。夹持 器前端设有扶正器，扩孔回转钻进时对钻具起导向作 用。 采用大行程夹持液压缸带动卡瓦，实现对钻杆的 夹持和松开，液压缸通过螺钉与立板联接，保证了夹 持钻杆时液压缸受力的稳定性，不会出现液压缸焊接 在安装座上，长期受力后损坏液压缸的情况；2 组立 板顶端通过销轴与上拉板联接，取下销轴后，上拉板 可以朝 2 个方向打开，方便放入孔底马达、封孔管等 粗径钻具；打开立板中间的挡板，可拔出卡瓦，实现 快速更换。 夹持器受力主要有钻具质量和反转矩 2 种类型。 仅夹持孔内钻具时，在最大倾角下，所需的最大夹紧 力 F1 主要克服钻孔内钻杆的重力， F1 Gnsinα /if， 1 式中G 为每根钻杆重力；n 为钻杆数量；α 为钻机 最大倾角；i 为卡瓦与钻杆摩擦副数，i 2；f 为卡瓦 与钻杆摩擦因数，f 0.25。 为了配合卡盘拆卸钻杆，夹持器最大反转矩所需 的夹紧力 F2 2M/ifd， 2 式中M 为钻机额定转矩；d 为钻杆直径。 以配套的 f127 mm 钻具为例，计算得 F1 142 kN，F2 723 kN。 设计计算中，应该考虑到夹持器同时克服最大钻 具自重和钻机最大转矩时的情况，即 K - - 1 1 sin sincostan ϕ ϕϕδ， 3 计算得 F3 736 kN。以此为条件，取合适安全系数， 根据液压缸计算公式即可选取合适的夹持器液压缸直 径参数。 2.4 旋转与制动功能互锁 在定向钻进时，制动装置锁紧动力头主轴 刹车 状态；在调整孔底马达弯头方向时，制动装置松开 动力头主轴。目前煤矿井下实际使用过程中存在频繁 的误操作，即在刹车状态下操作动力头旋转，造成刹 车轴和卡瓦磨损加剧，导致制动“打滑”、孔底马达 弯头方向改变，严重影响制动装置工作的可靠性和定 向钻孔轨迹的精确性。 旋转与制动功能互锁的液压原理如图 4 所示。 1. 定位盖 2. 前端盖 3. 卡盘壳体 4. 胶套 5. 卡瓦 6. 液控单向阀 7. 连接盘 8. 销 图 2 卡盘结构及原理 Fig. 2 Structure and principle of chuck 1. 夹持液压缸 2. 立板 3. 挡板 4. 上拉板 5. 卡块底板 6. 夹持器卡瓦 7. 拉杆 8. 焊接座 9. 支承环 10. 拉杆垫管 11. 底板 图 3 大通径夹持器结构示意 Fig. 3 Structure sketch of large-diameter gripper 1. 马达 2, 3. 三位液控换向阀 4, 9. 液控单向阀 5. 制动装置 6, 7, 8. 二位液控换向阀 图 4 旋转与制动功能互锁原理 Fig. 4 Interlocking principle of rotating and braking function 万方数据 第 48 卷 2020 年第 3 期 采掘 编 辑 严 瑾 15 先导压力油 SC 控制液控换向阀 3 时，主油路为高压 油，制动装置处于刹车状态，同时先导压力油 SC 通 过液控单向阀 9 控制液控换向阀 6、7 处于右位机 能，切断 ZC、FC，此时即使误操作旋转手柄，动力头 也无法旋转。只有当先导控制油 JC 控制液控换向阀 3 时，控制主油路松开制动装置，同时先导控制油 JC 控制液控换向阀 8 处于左位机能，切断持续先导控制 油源 PC，并控制液控单向阀 9 处于打开状态，使液控 换向阀 6、7 处于左位机能，操作旋转手柄，才能实 现动力头旋转。 2.5 辅助上下钻杆 根据定向钻进工艺需要，ZYWL-23000DS 型大 功率定向钻机配套钻杆为 f102 mm3 000 mm，质量 约 100 kg，施工过程中预先拧紧钻杆成为亟待解决的 关键难题。根据钻机结构特点，研制了辅助上下钻杆 机构，如图 5 所示，主要由主动摩擦轮、从动轮、支 撑架、随动导轨、托轮、液压缸等组成。从动轮形成 的中心与钻机动力头轴线同轴。预拧紧钻杆时，将钻 杆置于从动轮上，主动轮压紧，正向旋转即可拧紧钻 杆；拆卸钻杆时，主动轮压紧钻杆，反向旋转即可拆 卸钻杆，降低了工人劳动强度。 3 性能测试 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。钻机研制完成后，在国家安全生产重 庆矿用检测检验中心进行性能测试，各项参数满足 设计要求。其中，回转负载性能测试部分数据如表 2 所列。 4 结论 1 研制的双马达动力头，具有较大转矩。通过 ZYWL-23000DS 型定向钻机研制，提供了大转矩、 大起拔力的大功率定向钻机，大大提高了施工过程中 对抱钻、卡钻等事故的处理能力，提高了定向钻机的 地层适应性，特别适合顶板裂隙带大直径钻孔及破碎 煤层钻孔施工。 2 大通径夹持器可以通过粗径钻具，可以满足 顶板裂隙带 f200 mm 孔径钻孔施工，为高位钻孔代替 高抽巷工艺提供了装备支撑。 3 研制了辅助上下钻杆装置，提高了定向钻机 自动化程度，减轻了工人劳动强度，但自动化水平仍 较低，后续会在定向钻机自动化水平上加大研发力 度，真正达到减人增效、保障施工人员安全的目的。 参 考 文 献 [1] 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，2016，446164-168． [2] 闫保永，史春宝．ZYWL-13000DS 大功率定向钻机研制与应 用 [J]．矿山机械，2018，4629-12． [3] 宁德义．我国煤矿瓦斯防治技术的研究进展及发展方向 [J]． 煤矿安全，2016，472161-165． [4] 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． [5] 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，2015154-163． [6] 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． [7] 方 鹏．15 000 N m 大功率定向钻机关键技术研究 [J]．煤田 地质与勘探，2019，4727-12． [8] 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． [9] 陈殿赋．厚煤层顶板定向钻孔技术研究与应用 [J]．煤矿安 全，2015，464122-124，127． [10] 翟 成，林柏泉，吴海进．顶板高位钻孔抽放在瓦斯治理中的 应用 [J]．煤炭工程，200594-6． [11] 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. □ 收稿日期2019-11-07 修订日期2020-01-01 1. 托轮 2. 随动导轨 3. 从动轮 4. 支撑架 5. 主动摩擦轮 6. 液压缸 图 5 辅助上下钻杆机构示意 Fig. 5 Sketh of auxiliary device for drilling pipe installation and removal 表 2 回转负载性能测试 Tab. 2 Rotary load perance test 旋向 正转 反转 1 52.0 49.0 47.0 48.0 47.0 37.0 2 52.0 49.0 47.0 48.0 48.0 46.0 3 52.0 49.0 47.0 49.0 47.0 45.0 平均 52.0 49.0 47.0 49.3 47.3 42.7 1 10 074 18 456 23 895 19 972 22 985 27 493 2 10 011 18 434 23 782 19 958 22 935 27 077 3 10 053 18 371 23 824 19 979 22 780 27 211 平均 10 046 18 420 23 834 19 970 22 900 27 260 测量转速/r min-1 测量转矩/Nm 万方数据