【精品】水平定向钻机的方案设计

水平定向钻机的方案设计

1概述：

铺设地下管线的传统方法是在地表挖沟，然后将管线放入沟中,最后进行回填土方。随着社会的进步和经济的发展,特别是在穿越高速公路、铁路、建筑物、河流铺设供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线时，开挖施工方式显现出很大的局限性和不足之处。在20世纪70年代，非开挖技术应运而生，并逐渐成熟。近些年非开挖技术在我国作为一项新兴的施工技术也得到了突飞猛进的发展，而水平定向钻机就是实现非开挖施工的主要设备。原来我国的水平定向钻机主要靠进口,近20年我国的科研技术人员，在消化吸收了国外水平定向钻机技术的基础上逐步实现了国产化，并形成了一定的规模化生产。

水平定向钻机的施工工序是:先在施工的一侧(入土点),由水平定向钻机带动安装有导向钻头的石油钻杆，向施工的另一侧(出土点）钻出导向孔，当导向孔钻成后，再由扩孔器分级扩孔，待扩孔完毕,由钻杆连同扩孔器、成孔器、分动器以及管线沿导向孔反向拖回，直至返回入土点，管线即铺设完毕。

水平定向钻机作为施工的主要设备，产品性能以及质量的好坏,对于整个工程的成败至关重要.下面我就谈一下水平定向钻机的方案设计过程.

2水平定向钻机的方案设计过程：

我们以50吨钻机设计为例,来讨论一下水平定向钻机的方案设计过程。水平定向钻机主要包括:履带行走底盘、桅杆、吊车、动力头、夹持卸扣器、柴油发动机及其液压系统、泥浆泵、驾驶

室、操作控制系统几大部分。

2.1履带行走底盘的选定

一般采用市场上现有的挖掘机底盘，采购来后,用钻机的液压系统带动，把液压系统用胶管连接好即可,手动操控阀安装在驾驶室内。要求挖掘机底盘要足以承载钻机的重量，左右两边的履带行走马达主油路要由两个既可手动又可电动控制的换向阀分别控制，并分别与驾驶室内的左右两个手动控制阀相连。手动控制阀可控制履带的前进或后退以及速度的快慢，左边阀与左行走马达相连，右边的阀与右行走马达相连，当单独操作一边的手动控制阀时，可实现钻机转向。

2。2桅杆

桅杆是钢结构件，动力头、夹持卸扣器、吊车、地锚都安装在其上部,而且要求能够前后移动和自由升降，从而调整与地平面的夹角以满足施工中不同的入土角度需要。在施工中，桅杆的受力情况比较复杂，因此在设计中要求对其受力情况要进行仔细的计算，强度、刚度、旋转钻进时的扭矩力和动力头推进或回拖时的倾覆力矩都要进行校核计算。桅杆上部焊有齿条，材料可选用42CrMo。桅杆前部有施工时固定桅杆用的地锚，前部还安装有吊车，以方便装卸钻杆之用，也有把吊车安装在中部桅杆和柴油发动机之间的，那样容易造成设备超宽不便运输。如本设计方案使用长9.8米φ127的石油钻杆，小吊车选用石家庄煤矿机械有限责任公司的3.2吨的车辆用小吊车。桅杆前端安装有夹持卸扣器，夹持卸扣器要求能在整个桅杆上全程移动，防止动力头一端钻杆卸不开扣时，可将夹持卸扣器移到动力头部位卸扣.桅杆前端和后端都要求设有限位装置，以防止夹持卸扣器从桅杆前端冲出和动力头从桅杆后部冲出落下发生危险。桅杆的长度要求满足夹持卸扣器的安装尺寸，施工时钻杆的长度尺寸（10米），动力头的安装尺寸要求以及再留有1～1。5米的自由空间和缓冲距离，一般有14。5米长即可满足使用要求.

2.3动力头

动力头是钻机的主要工作部件，它是由低速大扭矩液压马达通过减速箱增大扭矩后，带动动力头齿轮箱上的花键轴,花键轴再通过装在轴上的小齿轮，将扭矩传递给主轴上的大齿轮,最后由大齿轮带动主轴将旋转扭矩传递出去，为钻机钻孔、扩孔时提供较大的工作扭矩,这些马达叫回转马达.虽然各种钻机的动力头外部结构形式都不相同,但基本工作原理都是一样的.设计中有用两台旋向相反的液压马达构成一组,分别装在小齿轮轴两端的结构形式的；也有用三台同向的液压马达分别布置在以主轴为中心，基本上互成120°夹角方向上的，这种结构优点是主轴运行平稳受力较好，缺点是结构复杂，制造成本高;还有用旋向相反的各两台液压马达构成两组，分别装在两个小齿轮轴的两端来带动主轴旋转的，这两组液压马达一般布置在主轴的左上方和右上方各一组，以互不干涉、便于装卸和维修为准.

动力头的推进或回拖是由安装在动力头的前后左右四个角位置上的四台带减速箱的液压马达来实现的，这些马达叫动力头行走马达.这四台液压马达要求从主轴方向看，左边两台旋向相同，右边两台旋向相同，而左右两边马达旋向正好相反。动力头部件安装在桅杆的上方，桅杆的上方两侧都焊有齿条，而四台行走马达通过减速箱带动着小齿轮,小齿轮与桅杆上的齿条啮合，从而实现动力头的推进或回拖。动力头的行走马达要求左右两侧各有一台带刹车系统,以实现动力头的随时刹车制动，安装时要左右对称安装。

下面我们以50吨钻机设计方案为例讨论一下动力头的设计计算过程：

推拉力要求为50吨,最大扭矩要求为21000N.m，主轴最高输出转速为n′=60转/分。结构形式:回转用两台旋向相反的一组液压马达,位置安装在齿轮箱输出轴的正上方。推进或回拖用四台液压马达通过减速箱带动小齿轮与齿条啮合来实现。

初定动力头齿轮箱小齿轮齿数Z1=19齿,输出轴上大齿轮齿数Z2=42齿，齿轮

箱传动比i=42/19.液压系统的液压泵初定四联组合的高压齿轮泵,额定压力为

P=25MPa,排量分别为q 1=80ml/r;q 2=40ml/r;q 3=32ml/r;q 4=32ml/r 。柴油发动机的转速初定为n a =2000rpm 。动力头回转用液压马达所联的减速箱选用传动比为i 1=5.5的减速箱，回转液压系统由排量为q 1和q 2的两台泵供油,每台泵都可以单独卸荷。推进或回拖（动力头行走)液压系统由一台排量为q 3的泵供油。排量为q 2的液压泵可以在动力头回转液压系统和动力头行走液压系统之间通过换向阀来回切换，既可以给回转系统供油,也可以给行走系统供油。现在我们可以计算回转液压马达的排量，从而来选定回转液压马达,设回转液压马达的排量为q ′。

已知：发动机转速n a =2000rpm ，取发动机效率ηa =0。9，泵的容积效率ηv =0。96，马达减速箱传动比i 1=5。5，动力头齿轮箱传动比i=42/19。

所以： 121()''(8040)20000.90.961960 5.542

284.3(/)

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⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=查产品样本后，我们选定为宁波意宁公司的INM2-250型号的液压马达，其参数值如下：排量q=251ml/r,额定压力P=25MPa ，单位扭矩t 1=39.2N 。m/MPa.下面验算一下所选的马达是否符合要求，回转马达的液压系统图见图一。

图一、回转马达液压系统