第一章总体设计

d 1.07 ~ 1.12
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4.钻孔倾角
钻孔倾角根据钻孔的类型而定。水文水井钻孔、石油及天然气钻孔和各 种工程桩钻孔基本都为垂直孔。岩芯钻探钻孔有各种倾角孔。因此，岩 芯钻机的回转器应能实现变角。其变角范围随钻机的额定孔深的增大， 而变角范围减小。额定孔深与变角范围的关系见下表。
额定孔深 m 变角范围 （0）
(二) 水文水井钻机的特点与机型
水文水井钻机的主要特点如下： （1）钻机的类型多； （2）钻进方法与钻进工艺的多样化； （3）钻机的转速较低，扭矩较大；（4）多采用车装或拖车装。
结构形式
冲击式
传动方式
机械
循环方式
无
安装方式
机架 拖车
钻机举例
丰收—250 CZ-20 CZ-22 SPJ—300 SPS--600 SPJT-300 红星—400 SPC—300Q SPC-600R G.D.1500 QZ--200
≤ 200 0~360
300~500 45~90
600~800 60~90
800~1200 75~90
≥ 1300 90
一般回转器采用侧倾式变角，其变角范围在此 0 ~ 3600 ,如果采用 前后倾斜式变角，则变角范围为 700 ~ 900 。
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§1-6 钻机的功率配备
一 钻进时所需的功率
钻进时所需的功率可用下列公式计算：
回
地
转 移动回转器 移动回转器
正、反 液压 机械 机械 液压 机械
反
面 复合式
冲
击 液压
无 正、反 正、反 反 无 反
反
冲击、回转
冲击回转静压振动 冲击、振动 振动、回转 有钻杆 单钻头 多钻头 无钻杆 多钻头
机械
正、无 正、无
反
井 底
回
转
潜水电机
正、无 正、无 反
GJD--1500 GK--100 GZQ--1500 (日) TRC TRC-U 7 (日)RRC RRC-U
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五 整机组装型式
散装式 拖车装式
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机架组装式
自行式(车装式)
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§1-5 钻机的参数
一 钻机的主要参数
1.能力参数 孔深、 孔径、 钻杆直径、钻孔倾角。 2.工作参数 回转器的工作参数：回转器的转速(最高转速、最低转速、中间速度） 速度档数、调速范围、回转器的通孔直径、回 转器让开孔口的范围。 给进机构的工作参数：最大上顶力、最大给进力、给进速度、给进行 程、倒杆速度。 升降机的工作参数：最大起重量、缠绳速度（最高缠绳速度、最低缠 绳 速度、中间缠绳速度、速度档数、调速范 围） 。 3.整机参数：钻机的质量、钻机的总体尺寸。 4.动力机参数：动力机的类型、动力机的功率、动力机的转速。
ifCn ( R 3 r 3 ) N1 1432 ( R2 r 2 )
i 与钻杆和钻孔的弯曲度 有关的功率系数 i 1.1 ~ 1.3
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除上述两种计算方法外，有一计算通式如下:
N 1 2.6 * 105 k1k 2 k3 ( Abh)( D d ) Pn
k1 系数, k1 1, 乳化液时k1 0.75
N zj N1 N2 N3
1.钻头破岩所需功率
N1 -- 钻头破碎岩石所需的功率， N 2 -- 回转钻杆所需的功率， N 3 钻机传动所需的功率，
尽管教材和各种文献中列举了大量 的计算公式，但其计算结果与实际相 差甚远。以下公式在计算时仅供参考 。
硬质合金与刮刀钻进时
N1 N P N M
N P 钻头刻取岩石所需功率 3 dF 4
NP mnh 22.4
h 单个切削具每转的吃入 深度, mm;
F 孔底破岩面积 , m; F 4 d 单向压缩下岩石的抗压 强度 , Pa;
m 切削具的数目 ;
(D 2 d 2 )
h
vz nm
D、d钻头的外径及内 经
n 钻杆的转速 , r / min.
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§1-4 钻机的总体布局
一 钻机的驱动方式与动力输入方式
1.钻机的驱动方案 2.钻机动力的输入方式 单独驱动和联合驱动 直线输入和平行输入
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1.钻机的驱动方案
2.钻机动力的输入方式
单独驱动和联合驱动
直线输入和平行输入
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二 主要部件的布置形式
1、按各部件在空间的摆放位置分为： 平面布局和空间布局 2、按各部件主要传动轴的布置方式分为：纵向布置、横向布置及 交叉布置
第一章
钻机的总体设计
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§1-1 总体设计的要求、任务与依据
一 总体设计的要求 （1）钻机的性能参数要有较宽的适应范围，要满足钻进工 艺与钻进方法的要求； （2）整机要有足够的强度、刚度、稳定性； （3）结构紧凑、传动链短、传动副少；
（4）便于安装和拆卸； （5）要有合理的装载形式； （6）整机布局合理、造型美观； （7）满足使用要求的前提下，节省材料、减轻重量。
机械 回转式
正
机架 拖车 汽车装 多种形式
反
拖车装
汽车装
移动回转器式
冲击—回转复合式 半液压
反、正
正、反
T—4W TH--60
SPC—300H
车装自行
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（三） 工程钻机的特点与机型
工程钻机的主要特点是： （1）机型多样化；（2）钻进方法及钻进工艺多样化； （3）运移性好； （4）要求对环境污染少。
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§1-2 机型与传动形式的选择
一 机型的选择
（一）岩芯钻机的特点与机型
岩芯钻机应具有下述主要特点： （1）采用回转钻进；（2）转速高、调速范围大；（3）具有良好的导向性能 和合理的变角范围；（4）体积小、重量轻、可拆性好。
回转器形式 立轴式 传动方式 机械 半液压 循环方式 正 安装方式 机架 机架 钻机举例 XJ-100 XB-1000A XY YL TK 等系列钻机
岩石可钻性等级 钻 头 类 型 μ 表镶金刚石钻头 孕镶金刚石钻头 硬质合金钻头 0.1 0.2 0.2 Ⅴ-Ⅵ A 0.03 0.1 0.32 μ Ⅶ-Ⅷ A 0.14 0.06 μ 0.07 0.12 Ⅸ-Ⅹ A 0.15 0.1
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2.回转钻杆所需的功率
回转钻杆功率的影响因素很多。如钻杆的规格、材质、 连接方式、钻杆的转速、钻孔的直径、钻孔的深度、钻孔 的弯曲率、冲洗液的类型等，很难用一个公式进行准确计 算，一般多采用计算加实测方法确定。下面表中列出几种 回转钻杆功率的计算公式，供设计时参考。
钻孔倾角 β （ 0） 90~60 90 90 90
N2
N2 4.6 *108 Ln2.33
KW
N2 k1k2 (6.2 *107 n2 5.2 *105 n)L0.68
N2 8.6 *107 L0.9n1.6
N2 3.7 *107 Ln1.5
N2 (6.17*107 n2 1.25*104 n 4 *102 ) L
二 钻机传动方式的选择
1.纯机械传动
2.机械-液压传动（半液压传动）
3.全液压传动
4.机械-气压传动
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§1-3 钻机的基本组成及各部分的作用
钻机的用途和采用的钻进方法及钻进工艺不同,其组成不同。以回转式 钻机为例介绍。一台回转式钻机有下列部分组成： 一. 回转机构 带动钻具回转,传递钻头破岩所需的转矩。 二. 给进机构 向钻头施加轴向压力，使钻头有效吃入岩石。另外,多数给进机构还可 以实现悬挂、提动钻具，甚至完成升降钻具的工作。 三. 升降机构 升降钻具、起下套管。 四. 拧卸机构 拧卸钻杆。 五. 传动系统 传输各工作机构所需的运动和动力。 六. 底盘或机架 安装钻机的各个部件，承受钻机工作时 产生的各种载荷。
h 钻头每转吃入深度 , mm/r;
A 钻头唇部横截面单位长 度功率系数 ;
, mm ; k 2 使用扩孔器时的附加系 数 , k 2 1.2; b 钻 头 底 唇 面 横 截 面 宽 度 k 3 孔 底 阶 梯 形 状 系 数 , k 3 ( m 1) / 2 m ;
P 钻压 , KN . 切削具与岩石的摩擦系 数, 见下表;
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二 . 能力参数的确定
1.孔深的确定 孔深是根据钻机的用途和国家及部委颁布的标准系列来确定的。 2.钻孔直径的确定 钻孔直径包括开孔直径和终孔直径。终孔直径是根据钻孔的用途而定。 固体矿藏的普察及勘探钻孔的终孔直径是按照岩样化验的要求确定，其终孔 直径为 46；水文孔的终孔直径是以满足抽水实验的条件而确定的，目前为 150；水井钻孔的终孔直径是根据含水层的富水条件、成井方式和要求的出 水量而定。 3.钻杆直径 钻杆直径是根据钻孔直径、钻孔深度、钻杆转速、钻杆的材质、钻机的 能力等方面确定的。一般原则是钻孔直径越大、孔越深、转速越高，钻杆直 径应越大。钻孔直径与钻杆直径应有合理的比值。对于岩心钻探这一比值为： 金刚石钻进 D 硬质合金钻进 1.7 ~ 2.2 钢粒钻进 2 ~ 2.5。
液压 转盘式
移动回 转器式（动 力头式)
机架 正
正
(澳) F100F (原西德) SG-750 东方红—1000 XP-4
北京—200 钻石—300 SD—1000 XD—600 XD--1000 (原苏联) КГК—100 КГК--300 SF-1 5
半液压
机械 液压
机架
机架 拖车 车装自行
反 半液压 正、反 车装自行
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二 总体设计的任务
（1）根据钻机的用途和使用要求选择钻机的类型； （2）根据所选类型和使用要求确定钻机的参数； （3）选择传动方式及动力的驱动方式； （4）进行钻机的总体布局，确定各部件间的位置、传动关 系、连接结构等； （5）估算重量、总体尺寸及制造成本； （6）核查钻机的稳定性； （7）绘出钻机的总装配草图。
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N M 是钻头与岩石摩擦所消 耗的功率
N1
fCn( R3 r 3 )
1432 ( R2 r 2 )
1.1 ~ 1.3
功率附加系数 ;
C—钻 压
f 钻头切削具与岩石的摩 擦系数 ;
R—钻头外半径
f 0.2 ~ 0.3
r—钻头内半径
金刚石钻进时破岩所消耗的功率
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钻杆外径 d mm 50 50 50 54 轻合金 50 50 42 33.5~70
钻杆及钻孔参数 连接型式 孔径 D mm 93~130 锁接头 锁接篐 接头 接头 锁接篐 接头 接头 接头接篐 76 59 59 76 59 59 36~76
转速 n mm 0~400 0~400 0~600 0~600 0~400 0~400 0~400 0~2500
发动机位置 结构形式
转 盘
传动方 式
机械
循环方式
正
钻机举例
红星—400B SPS—15 SZ—50 GJC—40HF (日) RBB BQZ LZ--10 GDF--12 JK—1 YDC-100 (发)V.P.R.H CZ-30 CF--1 KPC—1200 SH—30 QPC--30 G-2 GJD—2
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三、回转器的变角方式和让开孔口的方式 1、变角方式 侧倾式和前后倾斜式
链接
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2、让开孔口的方式
开合源自文库和后移式
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四、 操纵机构的布置 1、近台操纵 （1）按主要操纵机构的布置位置分为：后式、前置式和侧 置式 （2）按操纵机构的集中程度分为：集中布置与分散布置 2、操作台集中操纵
N2 (2.75*107 n2 2.6 *104 n 4 *102 ) L
1.83 N2 2.5 *108 k3k4 (0.9 0.02 )qdn k5
N2 (3.5 *107 n2 3.5 *105 n 3.4 *102 ) L
90~75
0 i 顶角弯曲率, / m; k 5 1 0.44cos
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三 总体设计的依据
在进行总体设计之前，要进行大量深入细致的调查研究工作，收集同类钻机 的设计和使用方面的资料；听取用户意见；了解所设计钻机的应用条件和使用 范围；设计者要了解科技发展状况和有关材料、加工等情况。进行综合分析研究 ，制定出设计目标和计划，然后依据以下条件和要求进行设计。
（1）依据地层条件---地层条件决定了钻进方法和钻进 工艺的选择； （2）依据采用的钻进方法和钻进工艺的要求---不同的 钻进方法和钻进工艺对钻机的结构提出了差异较大的 要求； （3）依据使用条件和要求---如钻机的用途、应用范围、 操作条件、拆装、维修、环保等； （4）依据制造条件---既要考虑结构的先进性，又要做 到易于加工和降低成本； （5）考虑同类型钻机的结构---尽可能吸收已有同类钻 机的优点，改进其设计的不足。