一种多功能全液压钻机动力头的设计
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关键词钻机动力头液压钻探工艺多功能 中图分类号=$'(&''文献标识码I文章编号#"", !)!>$!"!"%"% ""#% "'
"引言 随 着 我 国 基 础 建 设 *地 质 灾 害 治 理 *防 洪 抗 旱
工程等的资 金 投 入 不 断 扩 大!国 家 对 环 保 及 安 全 要求的严格 控 制 及 劳 动 力 价 值 的 不 断 提 高!对 施 工设备的 效 率*环 保*安 全*舒 适 性 等 方 面 提 出 了 更高的要求&为了满足这种时代进步对设备提出 的新的要求!国 内 多 家 勘 探 设 备 制 造 企 业 均 有 条 不紊地进行 钻 探 设 备 的 升 级 换 代!全 液 压 传 动 技 术逐步取代传统的机械传动&全液压锚杆钻机* 全 液 压 水 井 钻 机 *全 液 压 工 程 勘 察 钻 机 *全 液 压 岩 心钻机等钻探施工设备开始进入市场并被逐渐接 受!其中全液 压 锚 杆 钻 机 和 全 液 压 水 井 钻 机 已 经 普遍取代了 传 统 的 机 械 式 设 备!成 为 专 业 施 工 领 域主流产品&
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一种多功能全液压钻机动力头的设计
刘志
$湖南工程职业技术学院!长沙(#"#""%
摘要全液压钻机操作简便钻进效率高劳动强度低一机多用备受用户青睐动力头作为全液压多功能钻机 的核心部件负责转速和扭矩的输出动力头的性能参数直接决定了钻机功能的强弱现有的部分全液压 钻机存在功能单一工艺适用能力不广等问题市场对钻机性能的要求不断提高能满足多种钻进工艺的 多功能全液压钻机的研制成为国内主流钻探设备生产厂家新产品竞争的热点本文介绍了一种全新的多 功能全液压钻机动力头的设计能同时满足气动潜孔冲击器钻进普通回转钻进和绳索取心钻进等多种钻 探工艺要求
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)动力头的设计要求 为了满足对复杂地层的多种钻探工艺要求的同
时降低设备的采购成本!功能单一的全液压钻机已 不能满足客户的需求!一机多用的全液压多功能钻 机的研制势在必行&目前!国内主要全液压锚杆钻 机的基本性能特点为低转速大扭矩!主要适用气动 潜孔锤钻进和低转速的普通回转全面钻进-全液压 水井钻机比锚杆钻机扭矩更大!一般限于垂直孔的 施工!同样适用于气动潜孔锤钻进和低转速的普通 回转全面钻进-全液压岩心钻机主要为高9;,)R2*!动力头输出转速为&'`&2
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当连接齿轮 ##*换 挡 齿 轮 #! 处 于 图 # 所 示 非
啮合状态位置时!两个大排量马达#处于并联状态!
小排量马达#$不工作&
当双联齿轮#"的大齿轮!与第一小齿轮 ! 啮 合!传动比为(#`#-1('&此状态动力头输出扭矩为 !(`!!#1(#`%"))R2*!动力头输出转速为&(" "&%2&2(#`(#81*M^&
简 单!工 作 可 靠!故 障 率 低& 在 不 更 换 马 达 的 情 况 下!实现了大范围的扭矩和转速的输出!工艺适应能 力强!真正 实 现 了 钻 机 的 多 功 能 化!提 高 了 施 工 效 率&如果动力头液压系统升级成采用负载敏感多路 阀和变量柱塞泵!可以实现钻机的无级调速!钻机的 工艺适应能力和环保性可进一步提高&
相对较低&复杂地层的施工!往往需要钻机能同时 满足低转速大扭矩全面钻进和高转速取心钻进的需 求!比如复杂地层嵌岩桩前期超前钻的施工!需要在 贯穿复杂地层后!对基岩进行取样钻进&普通工程 钻机扭矩较小!回转卡钻!满足不了复杂地层的钻进 要求!此时需要采用大扭矩的钻机进行套管钻进或 是空气潜孔锤钻进至基岩!但国内目前主流大扭矩 的锚杆钻机*水井钻机转速都不超过!""81*M^!满 足不了基岩高效率取样钻进的要求&受钻探设备的 限制!一般采用锚杆钻机和工程勘察钻机配合钻孔! 复杂地层孔段采用大扭矩的锚杆钻机套管钻进至基 岩!套管留孔护壁!移走锚杆钻机!安装工程勘察钻 机进行取样钻进!然后再移走工程钻机用锚杆钻机 起拔套管!效率低*成本高!场地占用面积大&针对 上述问题!本文介绍的多功能动力头能同时满足套 管全面钻进和高速回转取样钻进的工艺要求!大幅 提高钻进效率&
#& 大排量马达-!& 第一小齿轮-'& 主输入轴-(& 箱体-%& 第一大齿轮-$& 箱盖--& 输出轴-)& 第一轴承盒-,& 第一拨叉组件-#"& 双联 齿轮-##& 齿轮-#!& 换挡齿轮-#'& 连接箱体-#(& 副输入轴-#%& 平键-#$& 小排量马达-#-& 第二轴承盒-#)& 第二拨叉组件-#,& 拨叉 盖-!"& 气水龙头体-!#& 密封圈-!!& 调节盖-!'& 下接头&
当双联齿轮#"的小齿轮与第一大齿轮%啮合! 传动比为(! `('1#-&此 状 态 动 力 头 输 出 扭 矩 为 !%`!!#1(!`-,% R2*!动 力 头 输 出 转 速 为 &% ` "&%&2(!`!$%81*M^& (&%小排量马达性能参数计算
小排量马达#$的输出最大扭矩计算公式为
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地质装备
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式中,!# 为马达输出扭矩!R2*-$# 为马达排量!
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图)动力头结构图
!动力头的液压原理 动力头的液压原理如图!所示&
大排量马达#油路!双联阀'右联阀控制小排量马达 #$油路&两个大排量马达#的进油口和回油口通过 串并联阀!连接!当阀!左位工作时!马达#的回油 口接另一个马达#的进油口!两马达#串联-当阀! 右位工作时!两个马达#的进油口相连!两马达并联&
为泵的输出流量!'`,#!""*Z1*M^-$# 为马达排
量-a 为齿轮泵容积效率!a`"&,-代入相关数据可 得&#`!#"81*M^&
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当连接齿轮 ##*换 挡 齿 轮 #! 处 于 图 # 所 示 非
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刘志一种多功能全液压钻机动力头的设计
第!#卷第%期
花键联接双联齿轮#"!第一轴承盒)套设在输出轴 -上!且第一轴承盒)的内周与双联齿轮#"固定连 接!第一轴承盒)的外周与第一拨叉组件,连接!在 第一拨叉组件,的作用下!双联齿轮#"选择性与第 一小齿轮!或第一大齿轮%啮合&输出轴-的一端 通过花键联接 齿 轮 ##!副 输 入 轴 #( 的 一 端 通 过 花 键联接换挡齿 轮 #!!另 一 端 通 过 平 键 #% 联 接 小 排 量马达#$&换挡齿轮#!连接第二轴承盒#-!同时
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第二轴承盒#-与第二拨叉组件#)连接!扳动第二 拨叉组件 #) 可 通 过 第 二 轴 承 盒 #- 使 换 挡 齿 轮 #! 与连接齿轮##啮合&联接箱体#'通过螺栓连接于 箱盖$上&气水龙头体!"接入钻孔所需的泥浆*清 水或高压空气!当 密 封 件 !# 磨 损 后 通 过 调 节 盖 !! 可以压紧密 封 件 !#!使 密 封 可 靠& 下 接 头 !' 与 输 出轴-配合处设置两个 G 形密封圈!防止钻井液或 气体泄漏&
当双联齿轮#"处于图!所示空挡位置!双联阀 '左联阀处于中位!大排量马达#停止工作!双联阀 '右联 阀 供 油 驱 动 小 排 量 马 达 #$!连 接 齿 轮 ##*换 挡齿轮#!处于啮合状态位置时!动力头输出转速为 $'"81*M^!输出扭矩为''%R2*&
.结论 本动力头采用了独特的三马达设计方案!结构
参考文献 /#0罗诗伟!张 联 库WBY<5-%"" 型 多 功 能 全 液 压 锚 固 钻
机的研制/F0W探 矿 工 程 $岩 土 钻 掘 工 程%!!"#-!(( $'%,(( (-W /!0邱华!彭儒金!戴圣海W;.?5!""全液压工程钻机的研 制与应用/F0W探 矿 工 程 $岩 土 钻 掘 工 程%!!"#-!(( $##%,%" %%W /'0 成 大 先W机 械 设 计 手 册 /Y0W北 京,化 学 工 业 出 版 社!!""-W /(0雷天觉W新编液压工程手册/Y0W北京,机械工业出版 社!#,,)W /%0 赵 大 军W岩 土 钻 掘 设 备 /Y0W长 沙,中 南 大 学 出 版 社!!"#"W /$0姜继海W液压传动/Y0W哈尔滨,哈尔滨工业大学出版 社!!""-W /-0靳益民!高淑芳W?H<5'""型全液压动力头工程钻机 的研制/F0W探矿工程$岩土钻掘工程%!!"")!'%$#!%, !' !%!'(W /)0许刘万!王艳丽!左新明W我国水井钻探装备的发展及 应用/F0W探 矿 工 程 $岩 土 钻 掘 工 程%!!"#!!',$(%, # -W /,0 郭 绍 什W钻 探 手 册 /Y0W武 汉,中 国 地 质 大 学 出 版 社!#,,'W /#"0石永泉W潜孔锤钻进技术/Y0W成都,西南交通大学出 版社!!""-W
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$动力头的结构及传动原理 动力头结构如图#所示&结合成一体的箱体(
和箱盖$!主输入轴'和输出轴-分别经轴承支撑 在箱体(和箱盖$上&位于箱体(内的主输入轴' 上通过花键联接第一小齿轮!和第一大齿轮%!伸 出箱体(的主输入轴'的两端分别通过花键对称设 置大排量马达#&位于箱体(内的输出轴-上通过
收稿日期!"!" "( "( 作者简介刘 志 $#,)'0%!男!机 械 制 造 专 业!工 程 师!主 要 从 事 钻 探 设 备 研 究 与 设 计 工 作!K5*LMJ,JM2_4M)'"!"! #$'&67*&
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表)动力头性能参数
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大马达串联低速挡
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