ZDY1000G型全液压坑道钻机的设计
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第 39 卷 第 1 期 2011 年 2 月
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION
Vol. 39 No.1 Feb. 2011
文章编号 : 1001-1986(2011)01-0078-03
ZDY1000G 型全液压坑道钻机的设计
凡 东 , 殷新胜 , 常江华, 王贺剑
凡
东等 : ZDY1000G 型全液压坑道钻机的设计
· 79 ·
2.1
2
机械系统的设计
钻机由主机、泵站和操纵台 3 部分组成，其中泵
站是整机的动力源， 将电能转换为驱动钻机所需的液 压能；操纵台是整机的控制核心，对各执行机构的动 力输出和逻辑功能进行控制；主机是钻机的执行机 构，实现钻进所需的回转、给进和辅助功能，也是钻 机机械系统最复杂的部分，由动力头、给进装置、夹 持器、机架、绳索取心绞车及提升架组成，各部分间 采用螺栓或铰轴连接，装拆方便 (图 1)。
要求满足高转速低转矩的金刚石取心钻进， 还要能满 足低转速、高转矩的 PDC 或硬质合金钻头的全面钻 进。这就要求钻机最高转速高，转速和转矩调节范围 宽，调节方便。由于钻机要满足勘探孔的施工工艺， 在具备坑道钻机加压钻进功能的基础上还应具备减 压钻进功能，并且要求压力调节方便。
3.2
液压回路设计 钻机液压系统 (图 3)由回转和给进两个基本回路
坑道勘探是利用地下井、巷进行勘探，相对于地 表勘探能节省大量的钻探工作量， 并方便实现坑道内 多角度钻探施工，达到沿矿床层带钻探的目的，是在 老矿区对深部资源进行勘探的理想方法。 目前坑道勘 探施工的钻机主要有 Atlas 公司的 Diamec 系列钻机 和国产的 XY 系列岩心钻机。 Diamec 系列钻机采用 分体式和全液压动力头的结构， 结构紧凑、 性能可靠， 并可满足坑道内多角度的钻进要求，但其售价昂贵、 配件服务周期长，限制了其在国内的大规模推广应 用；XY 系列岩心钻机采用机械回转、液压给进的传 动方式和整体式的结构，传动效率高、性价比高，是 目前国内岩心钻机的主导机型， 但其钻进角度范围有 限、 坑道中起下钻具困难制约了其在坑道勘探中的应 用。因此，目前国内缺乏性价比合理、施工效率高的 的坑道勘探专用钻机。为此研制了 ZDY1000G 型全 液压坑道钻机，主要用于坑道勘探领域，还可用于煤 矿瓦斯抽放孔、探放水孔和其他工程钻孔的施工。
回转回路主要用于克服钻具的负载转矩，要求 其转速可调、刚性高，其压力与回转负载的变化相 适应。回转回路主要由变量泵、换向阀和变量马达 组成。变量泵和变量马达的组合在充分利用功率的 基础上，达到了最大的转速和转矩调节范围。换向 阀用于控制回转运动的转向。 给进回路主要用于提供钻进的给进、起拔力， 结合钻探工艺实现加压、减压钻进，主要有变量泵、 换向阀、减压阀、手动溢流阀、节流阀和油缸组成。 减压阀和手动溢流阀用于控制加压钻进的给进力， 而减压钻进依靠节流阀控制给进油缸起拔端的系统 背压来实现。
图3
Fig. 3
ZDY1000G型全液压坑道钻机液压系统
Hydraulic system of ZDY1000G tunnel drilling rig
1——电 动 机 ； 2——主 油 泵； 3——主 吸 油 滤 油 器 ； 4——主 截止 阀 ； 5——副 油泵 ； 6——副 截 止阀 ； 7——副 吸 油滤 油 器 ； 8——回油 滤 油 器 ； 9——冷却器； 10——空气滤清器； 11——油箱； 12——主回油压力表； 13——主泵系统压力表； 14——多路换向阀； 15——主泵安全溢流阀； 1 6 ——液 压 锁 ； 1 7 ——调 角 油 缸 ； 1 8 ——单 向 减 压 阀 ； 1 9 ——调 压 溢 流 阀 ； 2 0 ——副 泵 安 全 溢 流 阀 ； 2 1 ——副 泵 功 能 转 换 阀 ； 22——起下钻功能转换阀； 23 、 27 、 28——单向节流阀； 24——单向阀组； 25——卡盘回油阀； 26——夹持器功能转换阀； 29——起拔压力表； 30——给进压力表； 31——补油阀组； 32——油马达； 33——精滤油器； 34——液压卡盘； 35——截至阀； 36——夹持器； 37——给进起拔油缸； 38——单向阀组； 39——安全溢流阀； 40——张紧油缸
The design of ZDY1000G type all hydraulic tunnel drilling rig
FAN Dong, YIN Xinsheng, CHANG Jianghua, WANG Hejian
(Xian Branch, China Coal Research Institute, Xian 710077, China) Abstract: The demand of deep and peripheral resource exploration on crisis mine is more and more along with the decrease of lower resource. Tunnel exploration is a kind of method with high efficiency and economy, but special tunnel exploration drilling rigs are scarce. ZDY1000G type all hydraulic tunnel drilling rig is a kind of equipment designed for tunnel exploration, also can be used to drill gas drainage holes, water exploration holes and other engineering holes. The design approach, mechanical system and hydraulic system for the drilling rig were introduced, double-pump hydraulic system with the function of pressure reduction drilling. Dual-cylinder and chain speed multiple mechanism with compound cushioning and tension device were described in detailed. Key words: drilling rig; exploration; tunnel; all hydraulic
图2
Fig. 2
复合式张紧缓冲装置示意图
Sketch of compound tension buffer device
1——堵板； 2——导轨； 3——链条１； 4——双轮架； 5——拖板； 6——链条２； 7——张紧缓冲装置； 8——给进油缸； 9——张紧缓冲油缸； 10——限位板； 11——连接板； 12——侧板； 13——销轴； 14——大链轮
探孔的施工。 为了更好地满足在坑道狭小空间内施工 勘探孔的要求，确定钻机的总体结构特征如下： a. 钻机采用液压传动方式。全液压钻机结构紧 凑，布局灵活，解体性好，还可以实现远距离操作。 b. 钻机采用适宜坑道狭小空间使用的分体式结 构。整机由主机、泵站和操纵台 3 部分组成，各部分 之间用软管连接，摆布灵活，便于搬迁运输，在运输 条件较差的地区，主机还可以进一步解体。 c. 主机采用动力头式结构。动力头式结构具有 立轴式和转盘式钻机的优点， 其动力头可以在给进机 构带动下沿桅杆 (或导向架 )移动，并可进行加减压钻 进，具有给进行程长、起下钻速度快、可以满足全方 位钻进要求 [1]，是坑道勘探钻机的理想结构类型。 根据目前坑道勘探孔施工要求和类比目前坑道 勘探施工的钻机，确定 ZDY1000G 型坑道勘探钻机 的主要能力参数参数如下： 钻孔深度 450 m； 终孔直径 78.5 mm； 最大转矩 1000 Nm；
1
总体方案设计
ZDY1000G 型全液压坑道钻机主要用于坑道勘
收稿日期 : 2010-07-19 作者简介 : 凡 东 (1980— )，男，湖北枣阳人，工程师，从事钻探机具的研制与推广工作 .
第1期 最高转速 1000 r/min； 主轴倾角 90°~30°； 最大给进 /起拔力 85 kN； 电动机额定功率 55 kW。
(煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安 710077)
摘要 : ZDY1000G 型全液压坑道钻机是一款主要面向坑道勘探而设计的装备， 可用于煤矿瓦斯抽放 孔、探放水孔和其他工程钻孔的施工。介绍了该钻机的设计思路、机械系统和液压系统，并对具 有复合缓冲张紧装置的双油缸链条倍速给进机构和具有减压钻进功能的双泵液压系统进行了详细 描述。 关 键 词 ： 钻机；勘探；坑道；全液压 文献标识码 ： A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2011.01.019 中图分类号 ： P634
和辅助功能回路组成。 其中回转回路主要为钻具提供 回转动力，在给进回路提供的给进力的配合作用下， 实现钻具的钻进。液压系统采用双泵系统，回转和给 进独立供油，回转参数和给进参数可以独立调节，节 能效果好； 双泵合流还可用于快速起下钻具和强力起 拔处理孔内事故。
3 3.1
钻探工艺对液压系统的要求 该机在施工坑道勘探孔外， 还可用于煤矿瓦斯抽 放孔、探放水孔和其他工程用孔的施工。因此，不仅
· 80 ·
煤田地质与勘探
第 39 卷
2.4
夹持装置 钻机的夹持装置包括卡盘与夹持器。 卡盘设置在 动力头上， 负责将动力头和给进装置输出的回转和给 进运动传递给钻具。夹持器用于夹持孔内钻具 , 防止 孔内钻具滑移， 还可与动力头配合进行钻杆的自动拧 卸。 卡盘选用胶囊式结构， 具有夹持力大、 体积紧凑、 反应快速等优点。夹持器选用复合式夹持器，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 [2]。 液压系统的设计
Hale Waihona Puke Baidu图1
Fig. 1
主机结构图
Structure of drilling rig
1——提升架； 2——给进装置； 3——动力头； 4——夹持器； 5——机架； 6——绞车
动力头 动力头是主机的核心部件， 可将液压马达输出的 回转运动传递给钻杆， 然后带动钻头实现钻进的回转 运动。因此，动力头应具备将液压马达输出的转速和 转矩转换为适合钻进范围的功能。 该机采用一级斜齿 轮减速机构来实现此功能；并采用变量马达，在变量 泵的配合下动力头的输出转速可以实现无级调节， 工 艺适应性强。另外主轴采用通孔式结构，钻杆的长度 不受钻机给进行程的限制，起下钻速度快。 2.2 给进装置 给进装置采用油缸链条倍速传动机构， 在有限机 身长度的情况下使给进行程最大化。 目前油缸链条倍 速传动机构又可分为单油缸链条和双油缸链条两种 形式。其中双油缸链条传动具有导向性好、机身刚度 好和运动平稳等优点。由于该机给进行程相对较长， 因此采用了双油缸链条的传动方式。 2.3 链条张紧缓冲装置 链条传动机构在使用过程中， 由链条传动的多边 形效应和使用过程中载荷的变化， 造成传动的冲击较 大，影响设备和链条本身的使用寿命；链条传动时存 在紧边和松边，松边受力小易造成链条松弛 , 降低工 作效率并容易造成链条从传动轮上脱落， 因此需要在 链条传动机构上设置链条张紧缓冲装置。 传统的链条张紧缓冲装置是在链条端部设置弹 簧和调节螺杆，其调节能力有限，链条磨损的松弛不 能自动补偿。 该机设计了复合式张紧缓冲装置 (图 2)， 其工作原理为：给进、起拔压力油通过单向阀进入张 紧缓冲装置油缸中，带动大链轮往外侧移动，张紧链 条； 当给进油缸带动托板运动时， 会形成紧边和松边， 紧边的张紧缓冲油缸会逐渐收缩，起到缓冲的目的； 此时， 紧边的张紧缓冲油缸液压油会自动补充到松边 的张紧缓冲油缸，起到张紧松边链条的目的。复合式 张紧缓冲装置张紧补偿量大，不需要人工调整，能够 自动补偿链条的磨损量，使用方便。
煤田地质与勘探
COAL GEOLOGY & EXPLORATION
Vol. 39 No.1 Feb. 2011
文章编号 : 1001-1986(2011)01-0078-03
ZDY1000G 型全液压坑道钻机的设计
凡 东 , 殷新胜 , 常江华, 王贺剑
凡
东等 : ZDY1000G 型全液压坑道钻机的设计
· 79 ·
2.1
2
机械系统的设计
钻机由主机、泵站和操纵台 3 部分组成，其中泵
站是整机的动力源， 将电能转换为驱动钻机所需的液 压能；操纵台是整机的控制核心，对各执行机构的动 力输出和逻辑功能进行控制；主机是钻机的执行机 构，实现钻进所需的回转、给进和辅助功能，也是钻 机机械系统最复杂的部分，由动力头、给进装置、夹 持器、机架、绳索取心绞车及提升架组成，各部分间 采用螺栓或铰轴连接，装拆方便 (图 1)。
要求满足高转速低转矩的金刚石取心钻进， 还要能满 足低转速、高转矩的 PDC 或硬质合金钻头的全面钻 进。这就要求钻机最高转速高，转速和转矩调节范围 宽，调节方便。由于钻机要满足勘探孔的施工工艺， 在具备坑道钻机加压钻进功能的基础上还应具备减 压钻进功能，并且要求压力调节方便。
3.2
液压回路设计 钻机液压系统 (图 3)由回转和给进两个基本回路
坑道勘探是利用地下井、巷进行勘探，相对于地 表勘探能节省大量的钻探工作量， 并方便实现坑道内 多角度钻探施工，达到沿矿床层带钻探的目的，是在 老矿区对深部资源进行勘探的理想方法。 目前坑道勘 探施工的钻机主要有 Atlas 公司的 Diamec 系列钻机 和国产的 XY 系列岩心钻机。 Diamec 系列钻机采用 分体式和全液压动力头的结构， 结构紧凑、 性能可靠， 并可满足坑道内多角度的钻进要求，但其售价昂贵、 配件服务周期长，限制了其在国内的大规模推广应 用；XY 系列岩心钻机采用机械回转、液压给进的传 动方式和整体式的结构，传动效率高、性价比高，是 目前国内岩心钻机的主导机型， 但其钻进角度范围有 限、 坑道中起下钻具困难制约了其在坑道勘探中的应 用。因此，目前国内缺乏性价比合理、施工效率高的 的坑道勘探专用钻机。为此研制了 ZDY1000G 型全 液压坑道钻机，主要用于坑道勘探领域，还可用于煤 矿瓦斯抽放孔、探放水孔和其他工程钻孔的施工。
回转回路主要用于克服钻具的负载转矩，要求 其转速可调、刚性高，其压力与回转负载的变化相 适应。回转回路主要由变量泵、换向阀和变量马达 组成。变量泵和变量马达的组合在充分利用功率的 基础上，达到了最大的转速和转矩调节范围。换向 阀用于控制回转运动的转向。 给进回路主要用于提供钻进的给进、起拔力， 结合钻探工艺实现加压、减压钻进，主要有变量泵、 换向阀、减压阀、手动溢流阀、节流阀和油缸组成。 减压阀和手动溢流阀用于控制加压钻进的给进力， 而减压钻进依靠节流阀控制给进油缸起拔端的系统 背压来实现。
图3
Fig. 3
ZDY1000G型全液压坑道钻机液压系统
Hydraulic system of ZDY1000G tunnel drilling rig
1——电 动 机 ； 2——主 油 泵； 3——主 吸 油 滤 油 器 ； 4——主 截止 阀 ； 5——副 油泵 ； 6——副 截 止阀 ； 7——副 吸 油滤 油 器 ； 8——回油 滤 油 器 ； 9——冷却器； 10——空气滤清器； 11——油箱； 12——主回油压力表； 13——主泵系统压力表； 14——多路换向阀； 15——主泵安全溢流阀； 1 6 ——液 压 锁 ； 1 7 ——调 角 油 缸 ； 1 8 ——单 向 减 压 阀 ； 1 9 ——调 压 溢 流 阀 ； 2 0 ——副 泵 安 全 溢 流 阀 ； 2 1 ——副 泵 功 能 转 换 阀 ； 22——起下钻功能转换阀； 23 、 27 、 28——单向节流阀； 24——单向阀组； 25——卡盘回油阀； 26——夹持器功能转换阀； 29——起拔压力表； 30——给进压力表； 31——补油阀组； 32——油马达； 33——精滤油器； 34——液压卡盘； 35——截至阀； 36——夹持器； 37——给进起拔油缸； 38——单向阀组； 39——安全溢流阀； 40——张紧油缸
The design of ZDY1000G type all hydraulic tunnel drilling rig
FAN Dong, YIN Xinsheng, CHANG Jianghua, WANG Hejian
(Xian Branch, China Coal Research Institute, Xian 710077, China) Abstract: The demand of deep and peripheral resource exploration on crisis mine is more and more along with the decrease of lower resource. Tunnel exploration is a kind of method with high efficiency and economy, but special tunnel exploration drilling rigs are scarce. ZDY1000G type all hydraulic tunnel drilling rig is a kind of equipment designed for tunnel exploration, also can be used to drill gas drainage holes, water exploration holes and other engineering holes. The design approach, mechanical system and hydraulic system for the drilling rig were introduced, double-pump hydraulic system with the function of pressure reduction drilling. Dual-cylinder and chain speed multiple mechanism with compound cushioning and tension device were described in detailed. Key words: drilling rig; exploration; tunnel; all hydraulic
图2
Fig. 2
复合式张紧缓冲装置示意图
Sketch of compound tension buffer device
1——堵板； 2——导轨； 3——链条１； 4——双轮架； 5——拖板； 6——链条２； 7——张紧缓冲装置； 8——给进油缸； 9——张紧缓冲油缸； 10——限位板； 11——连接板； 12——侧板； 13——销轴； 14——大链轮
探孔的施工。 为了更好地满足在坑道狭小空间内施工 勘探孔的要求，确定钻机的总体结构特征如下： a. 钻机采用液压传动方式。全液压钻机结构紧 凑，布局灵活，解体性好，还可以实现远距离操作。 b. 钻机采用适宜坑道狭小空间使用的分体式结 构。整机由主机、泵站和操纵台 3 部分组成，各部分 之间用软管连接，摆布灵活，便于搬迁运输，在运输 条件较差的地区，主机还可以进一步解体。 c. 主机采用动力头式结构。动力头式结构具有 立轴式和转盘式钻机的优点， 其动力头可以在给进机 构带动下沿桅杆 (或导向架 )移动，并可进行加减压钻 进，具有给进行程长、起下钻速度快、可以满足全方 位钻进要求 [1]，是坑道勘探钻机的理想结构类型。 根据目前坑道勘探孔施工要求和类比目前坑道 勘探施工的钻机，确定 ZDY1000G 型坑道勘探钻机 的主要能力参数参数如下： 钻孔深度 450 m； 终孔直径 78.5 mm； 最大转矩 1000 Nm；
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总体方案设计
ZDY1000G 型全液压坑道钻机主要用于坑道勘
收稿日期 : 2010-07-19 作者简介 : 凡 东 (1980— )，男，湖北枣阳人，工程师，从事钻探机具的研制与推广工作 .
第1期 最高转速 1000 r/min； 主轴倾角 90°~30°； 最大给进 /起拔力 85 kN； 电动机额定功率 55 kW。
(煤炭科学研究总院西安研究院，陕西 西安 710077)
摘要 : ZDY1000G 型全液压坑道钻机是一款主要面向坑道勘探而设计的装备， 可用于煤矿瓦斯抽放 孔、探放水孔和其他工程钻孔的施工。介绍了该钻机的设计思路、机械系统和液压系统，并对具 有复合缓冲张紧装置的双油缸链条倍速给进机构和具有减压钻进功能的双泵液压系统进行了详细 描述。 关 键 词 ： 钻机；勘探；坑道；全液压 文献标识码 ： A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2011.01.019 中图分类号 ： P634
和辅助功能回路组成。 其中回转回路主要为钻具提供 回转动力，在给进回路提供的给进力的配合作用下， 实现钻具的钻进。液压系统采用双泵系统，回转和给 进独立供油，回转参数和给进参数可以独立调节，节 能效果好； 双泵合流还可用于快速起下钻具和强力起 拔处理孔内事故。
3 3.1
钻探工艺对液压系统的要求 该机在施工坑道勘探孔外， 还可用于煤矿瓦斯抽 放孔、探放水孔和其他工程用孔的施工。因此，不仅
· 80 ·
煤田地质与勘探
第 39 卷
2.4
夹持装置 钻机的夹持装置包括卡盘与夹持器。 卡盘设置在 动力头上， 负责将动力头和给进装置输出的回转和给 进运动传递给钻具。夹持器用于夹持孔内钻具 , 防止 孔内钻具滑移， 还可与动力头配合进行钻杆的自动拧 卸。 卡盘选用胶囊式结构， 具有夹持力大、 体积紧凑、 反应快速等优点。夹持器选用复合式夹持器，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 [2]。 液压系统的设计
Hale Waihona Puke Baidu图1
Fig. 1
主机结构图
Structure of drilling rig
1——提升架； 2——给进装置； 3——动力头； 4——夹持器； 5——机架； 6——绞车
动力头 动力头是主机的核心部件， 可将液压马达输出的 回转运动传递给钻杆， 然后带动钻头实现钻进的回转 运动。因此，动力头应具备将液压马达输出的转速和 转矩转换为适合钻进范围的功能。 该机采用一级斜齿 轮减速机构来实现此功能；并采用变量马达，在变量 泵的配合下动力头的输出转速可以实现无级调节， 工 艺适应性强。另外主轴采用通孔式结构，钻杆的长度 不受钻机给进行程的限制，起下钻速度快。 2.2 给进装置 给进装置采用油缸链条倍速传动机构， 在有限机 身长度的情况下使给进行程最大化。 目前油缸链条倍 速传动机构又可分为单油缸链条和双油缸链条两种 形式。其中双油缸链条传动具有导向性好、机身刚度 好和运动平稳等优点。由于该机给进行程相对较长， 因此采用了双油缸链条的传动方式。 2.3 链条张紧缓冲装置 链条传动机构在使用过程中， 由链条传动的多边 形效应和使用过程中载荷的变化， 造成传动的冲击较 大，影响设备和链条本身的使用寿命；链条传动时存 在紧边和松边，松边受力小易造成链条松弛 , 降低工 作效率并容易造成链条从传动轮上脱落， 因此需要在 链条传动机构上设置链条张紧缓冲装置。 传统的链条张紧缓冲装置是在链条端部设置弹 簧和调节螺杆，其调节能力有限，链条磨损的松弛不 能自动补偿。 该机设计了复合式张紧缓冲装置 (图 2)， 其工作原理为：给进、起拔压力油通过单向阀进入张 紧缓冲装置油缸中，带动大链轮往外侧移动，张紧链 条； 当给进油缸带动托板运动时， 会形成紧边和松边， 紧边的张紧缓冲油缸会逐渐收缩，起到缓冲的目的； 此时， 紧边的张紧缓冲油缸液压油会自动补充到松边 的张紧缓冲油缸，起到张紧松边链条的目的。复合式 张紧缓冲装置张紧补偿量大，不需要人工调整，能够 自动补偿链条的磨损量，使用方便。