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ZYL-1200LS型履带式全液压坑道钻机
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牙轮钻机工作原理及结构特
牙轮钻机工作原理及结构特征
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一、牙轮钻机的工作原理
牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对牙轮钻头提供足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用。牙轮在孔底滚动中连续地挤压、切削冲击破碎岩石；有一定压力和流量流速的压缩空气，经钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆和孔壁的环形空间不断地吹至孔外，直至形成所需孔深的钻孔。
二、牙轮钻机的主要结构特征
牙轮钻机钻具主要有牙轮钻头、钻杆和稳杆器。
1）牙轮钻头。牙轮钻具工作原理：钻机通过钻杆给钻头施加足够大的轴压力和回转扭矩，牙轮钻头转动时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮齿在加压滚动过程中，对岩石产生碾压作用；由于牙轮齿以单齿和双齿交替地接触岩石，当单齿着地时牙轮轴心高，而双齿着地时轴心低，如此反复进行，使岩石受到周期性冲击作用；又由于牙轮的超顶、退轴（3个牙轮的锥顶与钻头中心不重合）、移动（3个牙轮的轴线不交于钻头中心线）和牙轮的复锥形状、使牙轮在孔底工作时还产生一定的滑动，对岩石产生切削作用。因此，牙轮钻头破碎岩石实际上是冲击、碾压和切削的复合作用。
（1）牙轮钻头的分类与基本结构。牙轮钻头按牙轮的数目分，有单牙轮、双牙轮、三牙轮及多牙轮的钻头。单牙轮及双牙轮钻头多用于直径小于150mm 的软岩钻进。多牙轮钻头多用于炮孔直径180mm 以上岩心钻进，矿山主要使用三牙轮钻头，三牙轮钻头又可分为压缩空气排渣风冷式及储油密封式两种。压气排渣风冷式牙轮钻头（简称压气式钻头）是用压缩空气排除岩渣的。此种钻头使用于露天矿的钻孔作业。通常钻凿炮孔直径为150～445mm ，孔深在20m 以下。
压气式钻头由3片牙爪及在其轴颈上通过轴承（滚柱、钢球、滑动衬套）装配3个互相配合的牙轮所组成。牙爪尾部螺纹与钻杆相连接。牙轮上镶嵌硬质合金柱齿，起着直接破碎岩石的作用。牙爪借助滚柱、钢球和衬套绕爪轴口转，钻机钻压通过轴承传递给牙齿并作用于岩石。径向负荷主要由轴颈滚柱轴承和衬套承受。滚珠轴承用以支持牙轮，在某些情况下用以承受径向和轴向负荷。钢球由塞销孔装入，并由塞销支持，牙轮衬套两端设有止推面，牙轮内端嵌有止推声，平面止推轴承嵌有减磨柱用以减少平面止推轴承的磨损。
为了减轻牙爪爪尖的磨损，牙爪尖部镶嵌有平顶硬质合金柱或堆焊碳化钨耐磨合金。钻头内腔有气流分配系统。压气通过钻杆输入牙轮钻头体内腔，其中大部分压气由牙爪侧边3个或更换的喷嘴吹至炮孔底，将岩渣由孔壁与钻杆之间的环形空间排至孔外。喷嘴用固定螺钉固定在钻头体上。当压气突然中断供应时，为防止孔底岩渣或水侵入轴承，在喷嘴处设有逆止阀。另一部分压气通过挡渣管、冷却气道进入轴承各部冷却轴承。
储油密封式牙轮钻头是用清水或泥浆排除炮孔内岩渣的。此种钻头使用于石油钻孔、地质勘探钻孔及地下矿山钻孔或配套用于地下天井牙轮钻机。
储油密封钻头与压气式钻头的主要不同之处是：为防止岩渣、泥屑进入钻头轴承内腔，在轴承端部设有径向密封装置。为储存并向轴承腔补充润滑脂，在爪牙上端设有储油囊，润滑脂经由长油孔进入轴承内腔。牙轮钻头钻进时，钻孔内的水或泥浆压力经由压盖上的传压孔作用于储油囊上。油囊中润滑脂不断流入轴承内腔。钻头轴承长时间工作后，其内腔压力增大。为防止因内压过大而破坏密封圈和油囊，在钻头上设有泄压阀。洗井液通过喷嘴形成高速射流，冲刷孔底，排出岩屑。 发布者：admin 发布时间： 阅读：91次 【字体：大 中 小】
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ZYWL—6000D型水平定向钻机动力头的研究
　　摘要： 为了研制出适合煤矿井下水平定向钻进的定向钻机，文章对ZYWL-6000D型水平定向钻机的关键元部件动力头进行了研究；文章通过类比法确定了动力头总体结构，并利用斜面增力机构设计了新型制动装置，利用液控单向阀设计了新型开闭可控式胶套卡盘，并通过双通道配油套实现了对卡盘的控制；样机实验室实验中，动力头的最大传递转矩达到6901N.m，制动装置制动转矩达到4002N.m；样机工业型试验中，动力头累计无故障钻进14000米；实验室实验和工业性试验结果表明，该动力头整体性满足煤矿井下千米定向钻进施工要求。 中国论文网 /7/view-4115639.htm　　Abstract： The head power is the key component of the ZYWL-6000D horizontal directional drilling machine used in coal mining. By analogy method， the structure of the power head is schemed， and a slope force-amplifier is used in braking， the rubber sleeve chuck in controlled by a pilot-controlled check valve to open and close through a double-channel distributor， in the experiment of the model machine， the maximum torque of the head power is up to 6901N.m， the braking force is up to 4002N.m. In the industrial test， the drilling machine has drilled more than 14000m， and the head power works well. The experimentation and the industrial test show that the head power is qualified to drill with the horizontal directional drilling machine. 　　关键词： 动力头；制动装置；斜面增力机构；开闭可控胶套卡盘；间隙密封；双通道配油套 　　Key words： head power；braking apparatus；slope force-amplifier；open and closed controllable rubber sleeve chuck；clearance seal；double-channel oil distributor 　　中图分类号：TD42 文献标识码：A 文章编号：（3-04 　　1 概述 　　定向钻进作为一种新的钻进技术手段，在顺煤层中进行定向钻孔的施工，能够保证钻孔按预期的设计轨迹进行钻进，提高成孔深度和成孔率，对强化顺煤层瓦斯抽放，保证煤层的安全开采具有重要的意义。 　　在国际上，由于地质条件和技术、设备方面的优势，美国和澳大利亚在井下定向钻进方面具有成套的装备及技术，且顺层长钻孔最大成孔深度都已超过了千米，顺层长钻孔的瓦斯抽放也取得了很好的效果。20世纪90年代，我国将定向钻进技术引进了煤矿瓦斯治理领域，并利用联合国在中国的UPDP项目中引进了3台FLETCHER定向钻机[1]，分别用于松藻矿务局和铁法矿务局，但由于地质原因，应用效果并不理想。 　　近年来，随着国内煤矿企业的发展，国内煤矿井下定向钻进设备及施工工艺有了长促的发展，产品主要有西安研究院生产的ZDY-6000D型煤矿用水平定向钻机、重庆院生产的ZYWL-6000D型煤矿用水平定向钻机及北方交通生产的ZDY-3500L型煤矿用水平定向钻机。西安院生产的ZDY-6000D型钻机采用联动液压系统，使用传统胶套式卡盘；北方交通生产的ZDY-3500L型采用斜面弹簧卡盘结构。重庆院生产的ZYWL-6000D型水平定向钻机采用单动液压控制系统，并设计了新型开闭可控式胶套卡盘和制动机构，结合钻机的测量系统、信号传输系统和水路系统等，实现了钻机的定向钻进功能。 　　在定向钻进过程中，钻杆的旋转、进退杆及钻孔轨迹纠偏都需要动力头来完成，同时动力头还要能实现定向钻进的各种工艺要求，例如在定向钻进过程中对主轴进行制动，在遇到抱钻、卡钻这类的事故时进行故障处理等，因此钻机动力头的性能决定了定向钻机的整体性能参数，该论文的研究意义重大。 　　2 动力头的结构及参数确定 　　2.1 动力头结构 根据煤矿井下定向钻进的施工过程中动力头的功能，结合现有煤矿井下钻机动力头的结构特点，设计了新型ZYWL-6000D型水平定向钻机动力头。 　　动力头主要由液压马达、减速箱体、轴、齿轮、轴承、配油套、胶套卡盘和锁紧机构等零部件组成，主要作用是将液压能转化为机械能，输出旋转运动，实现钻具的旋转。 　　动力头工作时，液压马达的动力经过减速箱两级齿轮减速后，带动主轴、液压卡盘和钻杆钻具旋转，输出转速和转矩，实现钻进功能。动力头主轴为中空结构，可以前后上下钻杆，使钻杆的长度不受钻机进给行程限制；通过调节柱塞液压马达的排量来实现动力头输出转速的无级调速。设计了新型开闭可控式胶套卡盘，通过双通道配油套机构对卡盘进行控制，实现了对钻杆的夹持功能；在动力头一级传动齿轮上设计了制动装置，在定向钻进过程中通过对动力头输入轴的制动实现对定向钻杆的制动，以保证动向孔底马达转进的方向，实现定向钻进功能。动力头结构见图1。 　　2.2 动力头参数 根据现场施工要求，该钻机需要定向钻进的最大孔深为1000米，使用？准73×3000mm规格的定向钻杆，结合钻杆自重、摩擦力及钻孔阻力，同时根据同类型钻机性能及使用情况，最终确定与动力头相关的钻机技术参数，具体如下： 　　额定输出转速（r/min） 0～210 　　额定输出转矩（N.m）
　　给进力（kN） 160 　　起拔力（kN） 160 　　正常推进速度（m/min） 0～1.5 　　制动转矩（N.m） 2000 　　其中最大输出转矩6000N·m和输出转速40～210r/min作为动力头设计的主参数。 　　3 动力头制动装置 　　3.1 制动装置的结构设计 制动装置的功能为在定向钻进时，将动力头以及齿轮进行制动抱死，将主轴制动，起到控制孔底马达弯头方向，以及克服孔底马达反扭矩的作用。 　　根据动力头结构尺寸及相关制动装置结构，该装置设计为液压夹紧，弹簧松开的结构[2]，采用斜面增力机构[3]推动卡瓦径向运动来实现对制动轴的夹持及松开，整体结构简洁，性能可靠，其结构图见图2。 　　3.2 制动装置制动力计算 制动装置为常开式结构，由动力头上的活塞提供推力，通过楔面传力机构夹紧制动轴，起到制动作用；通过弹簧推动斜面机构反向运动，取消制动。结构简图见下图3。 　　①卡瓦作用于刹车轴上的最大正应力Q： 　　Q=P/f （1） 　　式中：P——作用在刹车走上的圆周力，kN； 　　P=■ （2） 　　式中：M——制动力矩，N·m，取M=2000·m；D■——刹车轴直径，取D■=0.039m；f——卡瓦与钻杆之间摩擦系数，f=0.3；i——动力头减速箱传动比，取i=10.966。 　　代入数据，计算得：Q=31.18kN 　　②计算所需要的最小推力F■： 　　根据刹车结构受力分析，得出最小推力计算公式为： 　　F■=Qtan（α+？准） （3） 　　式中：α——卡盘斜面斜角，α=8°；？准——卡瓦与卡瓦套之间的当量摩擦角，？准=arctg f2，f2为钢与钢之间的摩擦系数，取f2=0.15，得：？准=arctg0.15=8.53°；Q——卡瓦作用于钻杆上的最大正压力，Q=31.18kN。 　　代入数值，得：F■=9.25kN。 　　③计算所需要的最小油压： 　　根据制动机构的结构，得出制动机构夹紧刹车轴所需要工作压力P： 　　由公式：F■=F-F■=P■D■-d■-F■ （4） 　　得出：P=■ 　　式中：D——活塞大径，取D=115mm；d——活塞小径，取d=90mm：F■——制动装置夹紧制动轴时克服蝶形弹簧的弹力，计算为20.12kN。 　　代入数据，得出P=3.5Mpa。 　　根据液压系统压力调定，制动机构的夹紧压力调定为18MPa，远大于系统需要的3.5MPa，满足设计要求。 　　4 胶套液压卡盘 　　4.1 卡盘的结构设计 卡盘采用开闭可控式液压胶套式卡盘（见图4），主要由壳体、前后端盖、胶套、卡瓦、传扭盘、长短销、弹簧和液控单向阀等零件组成，它在液压力的作用下，依靠液控单向阀、胶套、卡瓦、弹簧等零件共同完成卡盘夹紧、松开功能。夹紧钻杆时，高压油经主轴、卡盘后端盖及其上的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，此时停止供油，液控单向阀关闭[4]，密封油腔内保持高压，在液压力的作用下，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，压力释放，在弹簧力作用下，卡瓦松开。 　　4.2 卡盘胶套夹紧力计算 胶套为卡盘的关键元件，进入卡盘的高压液压有通过压缩胶套，推动卡瓦径向收缩[5]，实现对钻杆的夹持。定向钻进过程中，卡盘极限状态下需要同时克服动力头传递的转矩和推力，来完成对钻杆的夹持，根据胶套结构及卡瓦受力情况（见图5），对胶套夹紧力进行计算。 　　①计算胶套夹紧钻杆需要的最大正压力Qk： 　　根据钻机钻进时，卡盘对钻杆的作用力分析，得出了钻杆需要的最大正压力Qk的计算公式[6]： 　　Q■=■/f■ （5） 　　式中：P1——作用在钻杆上的轴向力，kN，P1=160kN；P2——作用在钻杆上的圆周力，kN； 　　P2=■ （6） 　　式中：M——为最大输出扭矩，（N·m），M=6000N·m； 　　D■——为钻杆最大直径，（m），D■=0.073m。 　　得：P2=164.38kN； 　　f■——卡瓦与钻杆之间的摩擦系数，取f■=0.15； 　　得：Q■=1529kN。 　　②卡盘胶套夹紧力计算。 　　根据胶套卡盘的结构形式及受力情况[7]，得出了卡盘总夹紧力计算公式[8]： 　　Q=■■DPL （7） 　　式中：D——胶套的受压直径，（mm），D=190mm；L——胶套的宽度，（mm），L=160mm；P——最大工作压力，（MPa），P=25MPa。 　　代入数据，得出卡盘夹紧力为：Q=1974kN； 根据卡盘夹紧钻杆所需要的夹紧力，得出Q=1974kN>Q■=1529kN，满足钻机使用要求。 　　4.3 卡盘配油套的结构设计 配油套（如图6所示）是实现卡盘供油的一项关键的技术，配油套和主轴之间采用微间隙密封，既能满足卡盘的供油压力，又能防止配油套和主轴抱死。 　　根据胶套式卡盘夹持钻杆的要求，要保证卡盘夹紧可靠，必须保证卡盘的夹紧压力不小于20MPa，同时为了限定卡盘夹紧力，通过液压系统对卡盘夹紧力进行了最高压力限制，为20MPa；根据相关流体力学公式，计算配油套与主轴间的配合间隙[9]。 　　卡盘夹紧状态时，油液不再流向卡盘，而只是通过配油套和主轴之间的间隙泄漏。为了简化计算过程，这里不考虑铜套沟槽对泄漏的影响。由流经同心圆柱环形间隙的流量计算公式： 　　Q=■Δp （8） 　　其中：δ为间隙量，d为圆柱直径，l为沿液流方向间隙长度，Δp为两端压力差，μ为液压油的动力粘度。 　　由公式可知：δ，d，l，Δp，μ均对泄漏由影响，其中δ影响最大。 　　假设此时的背压为0.5MPa，于是Δp=19.5MPa。配油套工作在20°-40°之间，温度对油液的粘度影响很大，温度越高，粘度越小，泄漏就越大。为了计算配油套的最大泄漏量，这里取40°时46号液压油的动力粘度μ=0.04，δ取最大值0.06mm。本文中d=170mm，l1=27.5mm，l2=87.5mm。 　　将这些参数代入流量公式可得[10]： 　　Q=Q■+Q■=■Δp+■Δp=13.19L/min 　　液压泵的最大流量为Q■=37L/min，换向阀在阀口完全打开的情况下流量为QV=60L/min，所以完全能满足配油套泄漏流量以及建立20MPa压力的需求。 　　5 钻机实验室性能实验 　　根据煤矿用水平定向钻机的设计要求，在国家安全技术工程中心对钻机进行转矩及转速测定。检验标准执行中煤科工集团企业标准《ZYWL-6000DA型煤矿用水平定向钻机检测检验标准》，具体试验情况见表1[11]。 　　从表1中可以得出，钻机转矩和转速均满足设计要求，并且在转矩达到设计值时，转速有较大的富余量，说明该传动机构的传动效率较高，并具有较大的安全系数；卡盘在夹持实验过程中能够完全对钻杆保持抱紧状态，对钻杆的夹持性能完全满足设计要求。制动装置在实验过程中能够完全对主轴进行制动，对主轴的制动性能完全满足设计要求。 　　6 钻机现场工业性试验 　　2011年4月到2011年12月，配用该动力头的ZYWL-6000D型煤矿用全液压钻机，在山西晋城煤业集团寺河矿东五回风巷15#煤层进行了现场工业性试验。 　　试验期间，使用该钻机共施工主孔13个，分支孔62个，累计总进尺超过14000m，其中，主孔深度超过1000m的钻孔共4个，其最深孔深为1017m，分支孔最大施工深度240米。正常钻进平均日进尺为150-180m，顺煤层钻孔机械钻速为15-24m/h，顶底板岩石钻孔机械钻速为6-8m/h。钻孔情况见图7、图8。 　　7 结语 　　论文研究过程中，通过理论分析加实验室实验的方法，对动力头各个关键零部件进行了研究，进行了创新设计，得出了性能可靠的减速箱传动、钻机制动装置、新型开闭可控型胶套卡盘及双通道配油套装置，形成了以下主要成果： 　　①合理的利用了斜面增力机构的特性，实现了将活塞的轴向运动转化卡瓦的径向运动，同时增加卡瓦夹紧力的作用，使得整个制动装置结构紧凑，性能稳定。②采用内置式液压锁实现了胶套卡盘的开闭可控，改变了传统胶套式卡盘的结构；建立了配油套间隙量与泄漏量的数学模型，通过理论分析得出了合理的配油套配合间隙，实现对卡盘的控制。③通过实验室实验和现场试验，证明钻配用该动力头的钻机整机性能良好，各项参数均达到了设计要求。 　　参考文献： 　　[1]张启君，张忠海.水平定向钻机概况与市场前景的探讨[J].工程机械.-28. 　　[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008[1]. 　　[3]冯德强.钻机设计.武汉：中国地质大学出版社，1992. 　　[4]朱宏培，钱瑞明，骆圆圆.水平定向钻机液压系统的设计与分析[J].-17. 　　[5]黄锡恺，郑文纬.机械原理.北京：人民教育出版社，1981. 　　[6]杨力夫，张忠海等.水平定向钻机动力头结构优化分析与试验研究[J].建筑工程.-57. 　　[7]沙永柏，赵晓影.非开挖导向钻机回转机构分析[J].机械设计与制造，-8. 　　[8]江恺.机械设计标准应用手册[M].北京：机械工业出版社，1997. 　　[9]张启君，张忠海，常仁齐，郑华，马瑞永.ZD1245/ZD2070型水平定向钻机的设计[J].探矿工程.-40. 　　[10]哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学[M].北京：高等教育出版社，1996. 　　[11]罗华.ZYW-1200型煤矿用全液压坑道钻机[J].煤矿机械，），129-130.
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