郭旭 葉茂盛 晏劍波

（湖北地建集團(tuán)神龍市政建設(shè)工程有限公司 湖北武漢 430000）

1 引言

鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)與其所采用的鉆進(jìn)工藝相關(guān)聯(lián)。目前國(guó)內(nèi)外都正在研制和應(yīng)用全液壓鉆機(jī)。全液壓鉆機(jī)同傳統(tǒng)鉆機(jī)一樣，都是用來(lái)完成鉆進(jìn)和升降鉆具等基本工序，以實(shí)現(xiàn)采取巖心，達(dá)到探礦的目的。從結(jié)構(gòu)上看，全液壓鉆機(jī)可以分為立軸式全液壓鉆機(jī)和動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)。二者相比較，動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、操作簡(jiǎn)便、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、加壓給進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，工作效率大大改善。并且動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)也是鉆機(jī)的發(fā)展方向之一。綜合各方因素，我選擇設(shè)計(jì)水平定向動(dòng)力頭式全液壓鉆機(jī)。

考慮到此鉆機(jī)常用于戶外作業(yè)，動(dòng)力可選柴油機(jī)。鉆機(jī)應(yīng)用螺紋連接鉆頭精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，節(jié)約時(shí)間，提高有效鉆進(jìn)速度。動(dòng)力頭采用單極齒輪減速器，減少變速箱體積，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，選用不同的鉆進(jìn)速度。在滿足上述要求的同時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適于整體或解體搬運(yùn)。盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。

2 主機(jī)部分方案確定

一臺(tái)全液壓鉆機(jī)主要包括主機(jī)、動(dòng)力設(shè)備和操縱臺(tái)三個(gè)部分。水平定向全液壓鉆機(jī)的主機(jī)包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、給進(jìn)機(jī)構(gòu)等基本部件。

2.1 回轉(zhuǎn)節(jié)能機(jī)構(gòu)選擇

全液壓節(jié)能動(dòng)力頭式節(jié)能鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，就是移動(dòng)式回轉(zhuǎn)器，亦稱為動(dòng)力頭。動(dòng)力頭是鉆機(jī)的重要組成部分，主要由回轉(zhuǎn)馬達(dá)、減速器、水接頭組成。它的功能有二：（1）傳遞扭矩，以帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)或擰卸鉆桿；（2）動(dòng)力頭由給進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，以傳遞向上或向下的軸向力及其運(yùn)動(dòng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)加減壓給進(jìn)。

本全液壓鉆機(jī)通常采用導(dǎo)向鉆桿，其鉆進(jìn)工藝對(duì)動(dòng)力頭的基本要求有下列幾點(diǎn)：動(dòng)力頭的鉆數(shù)和扭矩應(yīng)是可調(diào)的，最好的方案是無(wú)級(jí)調(diào)速，以適應(yīng)鉆進(jìn)工藝的需要；轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足鉆進(jìn)工藝的需要；具有正反轉(zhuǎn)的能力。

回轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)少和噪音不大等。

動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，取決于地質(zhì)條件、鉆頭直徑以及鉆進(jìn)方式。由于是全液壓鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，馬達(dá)的調(diào)速范圍在8r/min～300r/min之間完全滿足鉆機(jī)的要求。采用導(dǎo)向鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，要求高轉(zhuǎn)速。國(guó)外的最高轉(zhuǎn)速以達(dá)2000r/min～3000r/min；國(guó)內(nèi)大致在1000r/min～1500r/min，而從處理事故和擰緊鉆桿的要求，則需要低速檔，一般為200r/min～300r/min。本設(shè)計(jì)動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速范圍為1r/min～60r/min、1r/min～120r/min。本設(shè)計(jì)的動(dòng)力頭主要特點(diǎn)如下：油馬達(dá)上裝有安全閥，可自動(dòng)進(jìn)行過(guò)載安全保護(hù)；無(wú)液壓卡盤，采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省原材料；殼體由鑄鐵制成，故有良好的工藝性。

動(dòng)力頭按照回轉(zhuǎn)油馬達(dá)的安裝位置不同，可分為裝有油馬達(dá)的動(dòng)力頭A型和不裝油馬達(dá)的動(dòng)力頭B型兩類。A型動(dòng)力頭與B型動(dòng)力頭相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、工作可靠、重量輕和搬運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外全液壓節(jié)能動(dòng)力頭式鉆機(jī)的大多數(shù)均采用A型動(dòng)力頭。本設(shè)計(jì)也采用A型動(dòng)力頭。

A型動(dòng)力頭的工作原理（圖1所示）：油馬達(dá)2經(jīng)齒輪傳動(dòng)箱帶動(dòng)輸出軸回轉(zhuǎn)，從而使鉆具回轉(zhuǎn)。

圖1 節(jié)能鉆機(jī)動(dòng)力頭原理示意圖

2.2 給進(jìn)節(jié)能機(jī)構(gòu)確定

給進(jìn)節(jié)能機(jī)構(gòu)是鉆機(jī)的工作機(jī)構(gòu)之一，它對(duì)鉆機(jī)的技術(shù)性能、工作效率以及其應(yīng)用范圍有著極大的影響。全液壓節(jié)能動(dòng)力頭式鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的功用有二：（1）用來(lái)保證鉆頭具有所需壓力，（2）實(shí)現(xiàn)進(jìn)給；二是用來(lái)“倒桿”。

一個(gè)完善的給進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求：（1）能調(diào)節(jié)鉆頭壓力，淺孔時(shí)加壓、深孔時(shí)減壓，故要求給進(jìn)機(jī)構(gòu)具有加壓和減壓等機(jī)能，壓力調(diào)定后就應(yīng)保持恒定不便。（2）給進(jìn)速度是可以調(diào)節(jié)的，并應(yīng)能無(wú)級(jí)調(diào)速，使鉆頭給進(jìn)速度能與機(jī)械鉆速相適應(yīng)。（3）給進(jìn)行程應(yīng)盡可能的長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、操作靈活安全。并應(yīng)配備有儀表來(lái)觀測(cè)鉆頭壓力、進(jìn)尺和鉆速等。

目前，全液壓節(jié)能動(dòng)力頭式鉆機(jī)的給進(jìn)機(jī)構(gòu)有油缸液壓給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油馬達(dá)—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。大多數(shù)鉆機(jī)采用油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。

油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)又分為一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)和油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)兩種。一般油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)是油缸的液壓力或運(yùn)動(dòng)直接作用于動(dòng)力頭和鉆具；油缸的行程和動(dòng)力頭的給進(jìn)行程相等，故又稱為非倍數(shù)油缸給進(jìn)機(jī)構(gòu)。油缸—鏈條倍速給進(jìn)機(jī)構(gòu)是動(dòng)力頭的給進(jìn)行程等于活塞行程的兩倍。本設(shè)計(jì)選用單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)。

圖2 給進(jìn)節(jié)能機(jī)構(gòu)示意圖

單油缸—鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)工作原理（圖2）：給進(jìn)油缸缸體固定在機(jī)架上，活塞桿的前端與帶有鏈輪的連接軸相連接。拖板向后移動(dòng)。每根鏈條的一端都是繞過(guò)鏈輪之后固定在給進(jìn)機(jī)架上，而另一端繞過(guò)鏈輪之后分別與拖板相連接，組成為一個(gè)封閉的倍增傳動(dòng)鏈，拖板行程比活塞行程增大一倍。

3 節(jié)能動(dòng)力設(shè)備部分

全液壓鉆機(jī)的動(dòng)力設(shè)備，包括動(dòng)力機(jī)、油泵、油箱、過(guò)濾器、冷卻器等。

3.1 動(dòng)力機(jī)選擇

驅(qū)動(dòng)油泵的動(dòng)力機(jī)，一般采用電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)。在坑道鉆探中，也有采用風(fēng)馬達(dá)的。動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，一般為1460r/min～1800r/min，國(guó)外鉆機(jī)有增高動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的趨勢(shì)，高達(dá)2400r/min～3600r/min。這樣可以大大提高油泵排油量，或縮小油泵尺寸和重量，使動(dòng)力機(jī)和油泵小型化。

動(dòng)力機(jī)的功率是設(shè)計(jì)鉆機(jī)的依據(jù)。鉆機(jī)的功用主要是用來(lái)完成鉆進(jìn)工序?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)所需的功率包括破碎孔底巖石和回轉(zhuǎn)鉆具等所需功率，前者基本上不受孔深的影響；后者當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)不高時(shí)隨孔深的變化也不大，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)隨孔深增加而增大。本設(shè)計(jì)采用柴油機(jī)作為動(dòng)力機(jī)。

3.2 油泵選擇

油泵是將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的一種裝置，它是液壓傳動(dòng)中的動(dòng)力源。目前，每臺(tái)全液壓鉆機(jī)的油泵站通常有兩個(gè)油泵，一個(gè)為主油泵，它向回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油；另一個(gè)為輔助油泵，它向給進(jìn)機(jī)構(gòu)供油。但有的鉆機(jī)只有一個(gè)油泵，它向油馬達(dá)及各油缸供油。

油泵類型的選擇應(yīng)能滿足鉆機(jī)工作的特點(diǎn)和要求。由于鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度有高有低，一般主油泵選用變量油泵，并且都用軸向柱塞式變量油泵，它能使液動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)容積調(diào)速；輔助油泵多用齒輪油泵，也有選用軸向柱塞式變量油泵的。這時(shí)因?yàn)檩S向柱塞式變量油泵具有重量輕、體積小、調(diào)速方便、壓力大、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，它較適用于鉆機(jī)的工作需要。但定量油泵價(jià)格比較便宜。本設(shè)計(jì)采用雙油泵，主油泵采用變量泵，輔助油泵采用定量油泵。

3.3 油箱選擇

油箱是用來(lái)儲(chǔ)油、散熱、分離油中雜質(zhì)和空氣的裝置。它的形狀和尺寸要根據(jù)鉆機(jī)的總體布置及散熱的需要來(lái)決定。按一般機(jī)械要求，油箱的有效容積為油泵的每分鐘流量的三倍以上。但是，考慮野外工作條件的需要，鉆機(jī)的油箱容積不能太大。而且多數(shù)鉆機(jī)在油箱里裝有冷卻器，因此油液的發(fā)熱大為改善。本鉆機(jī)也采用這種結(jié)構(gòu)。

4 操縱臺(tái)部分設(shè)計(jì)

“集中手柄操縱”這是全液壓鉆機(jī)的特點(diǎn)之一。鉆機(jī)的所有控制閥、各種儀表等都集中裝在操縱臺(tái)的控制面板上。從油泵輸出的壓力油經(jīng)高壓橡膠管到各控制閥，操縱控制閥手把的各種不同位置，使壓力油經(jīng)閥板下的軟管分配給各個(gè)液動(dòng)機(jī)，根據(jù)鉆探工藝的需要來(lái)驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)、給進(jìn)油缸等，從而完成鉆探各工序的動(dòng)作。因此，操作臺(tái)是鉆機(jī)的操縱驅(qū)紐。本鉆機(jī)也采用“集中手柄操縱”。

[1]邵春,盧春華,鄢泰寧.一種基于地礦鉆機(jī)的智能化鉆參儀[J].地質(zhì)與勘探,2010(05）.

[2]方俊,鄢泰寧,盧春華.鉆參儀參數(shù)檢測(cè)原理及傳感器選型安裝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2010(04）.

[3]魏景斌,劉俊峰,錢稷,陳其林基于CH375的USB數(shù)據(jù)傳輸[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010(02）.

[4]董瑋,周魯寧.基于USB的無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010(01）.