竖井钻机动力头的设计

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本栏目编辑　杨 健 翟小华

第 38 卷 2010 年第 15 期

竖井钻机为了保证垂直钻进，采用提吊减压钻进工艺，即动力头提吊重力＋钻头施加在岩石上的钻压＝钻具总重力，使钻头上的刀具切入岩石，再通过动力头的旋转带动钻头旋转。又由于钻头上刀具本身的布置形式，使刀具对岩石产生冲击和剪切作用，达到破碎岩石、向下钻进的目的[3]。钻机钻进时的传动链是：动力头—钻杆—钻头，即钻头破碎的阻力完全由动力头承担。

在钻进不同地层深度时，岩石软硬不一，即使在同一地层，岩石的硬度也有所不同，故动力头在钻进时所承受的载荷是变化的。又由于钻杆是纯钢性的，虽然在钻头上部布置有缓解冲击、振动的柔性接头，但其不能完全消解破碎岩石时所产生的冲击负荷，故动力头在工作时要承受很大的变载荷和一定的冲击载荷。

由于钻进工艺的需要，在每次接卸钻杆时，动力头均要翻转一定的角度；钻进时，动力头还要一直不断地上、下滑移运动。因此，设计动力头时应符合：① 齿轮传动能够耐冲击，能够承受变载荷；② 排碴泥浆和压缩空气的密封设计要可靠；③ 力争使源动力的输出和所钻地层的难易程度相匹配；④ 结构紧凑，小巧，重量轻。

2 源动力的选择及传动型式的确定

根据动力头的工况特点和钻进本身的特殊性，要求动力头有 2 种输出方式：① 难钻地层时的低转速、恒扭矩输出；② 易钻地层的高转速、恒功率输出。

这就要求源动机的速度和功率必须可调。由于液压传动具有过载保护可靠性高、抗冲击、吸收载荷震动能力强和调速特性稳定等特点，特别适合于钻机工况，因此，该台钻机采用液压传动，其源动机采用变量泵和变量马达，这样可使动力头的输出根据所钻地层的不同而方便地转换成恒扭矩或恒功率的输出形式。

由于变量马达输出扭矩的局限性，动力头采用了多个变量马达输出扭矩，即每 2 台变量马达经一减速器 (一级平行，一级行星) 减速后，作

为一驱动点驱动中心

大齿轮，最终根据所

需要的驱动扭矩的大小来选择驱动点数，并最终驱动钻具旋转。

动力头的传动型式为：变量马达经平行、行星、再平行三级减速后多点驱动钻具旋转，如图 1 所示。这样，既利用了平行轴减速易实现多点驱动的优点，也利用了行星减速传动能力大、结构紧凑和易于均载的特点，最终使动力头的输出设计符合钻机的钻进要求。

3 动力头的设计

3.1 主要参数

动力头的主要技

术参数如表 1 所列。

3.2 结构设计

如图 2 所示，该动力头具有结构紧

凑、重量轻、传扭能

力大的特点，又由于

动力头的输出轴除承

受 600 kN ·m 的扭矩

外，还要承受 7000 kN 的下拉力，故该动力头在结构设计上具有如下特点：

(1) 在输出轴上布置 4 个轴承，2 个圆柱滚子轴承，承受径向力；1 个推力角接触球轴承，防止轴向跳动；1 个推力调心滚子轴承，承受 7000 kN 的轴向

1. 马达

2. 小减速器

3. 轴齿轮

4. 大齿轮

5. 承压轴承

6. 箱体

7. 轴承

8. 短钻杆

9. 耳板

e─压缩空气下输通道 f─排碴泥浆的上返通道

图 2 AD120/900 型竖井钻机动力头结构

Fig 2 Structure of driving head of AD120/900 shaft drill

表 1 动力头的主要技术参数Tab 1 Major technical parameters of

driving head

传递功率/kW

600

输出扭矩/(kN

·m)600提吊力/kN 7000

输出转速/(r ·min -1)0～9～18

总速比85.2563

润滑形式油池集中喷油润滑

图 1 AD120/900 型竖井钻机

传动形式

Fig 1 Transmission type of AD120/900 shaft drill

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