旋钻机液压系统

旋转钻机介绍

姓名：黄自江

学号：100203106

院系：工业中心

旋转钻机介绍

旋转钻机是用切削式钻头破碎岩石的钻孔机械，也称旋转切削式钻机。在采矿工程中应用旋转钻机已有多年的历史，但多数是应用在井下煤矿且钻孔直径很小，如煤矿电钻等。随着国内外煤炭工业的大量开发，旋转钻机的使用范围在逐步的发展和扩大。六十年代以，我国煤炭、化工等露天矿山使用的是钢绳冲击式钻机和少量陈旧的旋转钻机；六十年代初期，我国研制成功了适合于煤矿使用的ZX-150型旋转钻机；七十年代以后，更多的煤炭系统单位和矿机制造厂进行了旋转钻机的研制，试制出了多种机型，通过鉴定定型的有ZX-150A、YQ-160、KX-150型等旋转钻机。旋转钻机适于中硬以下、磨蚀性较小的岩石中钻孔，实践证明，在岩石坚固性系数f≤6的岩石中钻孔时，与牙轮钻相比，效率高、能耗小、轴压力小、成孔质量好，而且切削式钻头制造修复方便。

1旋转钻机相关知识

1.1钻机分类

1）回转式钻机可分为三类：①立轴式回转钻机：手把给进式钻机、螺旋差动式、液压给进式钻机；②转盘式回转钻机：钢绳加减压式钻机、液压缸加减压式钻机；③移动回转器式钻机：全液压动力头式钻机、机械动力头式钻机。该回转式钻机主要是依靠钻具的回转运动破碎层而成孔。作业时，动力机通过传动装置驱动转盘，由主动钻杆带动钻头旋转破碎岩层。该回转式钻机能适应各种不同地质情况，特别是卵石层中钻孔，成孔后，孔壁四周形成一层密室的土层，对稳定孔壁，提高桩基承载能力，均有一定的作用。本次课题所涉及的旋转钻机即为回转式钻机。

2）冲击式钻机可分为两类：①钢丝绳冲击式钻机；②钻杆冲击式钻机。该冲击式钻机主要由钻具的垂直往复运动，使钻头冲击井底以破碎岩层。该冲击式钻机的功效较低，钻井深度在250m以内，偶尔也可达到500-600米。该机运行钻孔是利用钻机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动改变为往复运动，通过钢丝绳带动锤上下运动。冲击式钻机是将岩石破碎成粉粒状钻渣，由于其功率消耗大，效率低，所以除了硬质卵石层钻孔外，一般采用其他种类钻机。

3）复合式钻机：该机主要是由振动、冲击、回转、静压等功能以不同组合方式复合在一起的钻机。柴油锤打桩机就是其中的一种。

1.2回转钻机工作方式

回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动，从而带动有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。回转钻机用于泥浆护壁成孔的灌注桩，成孔方式为旋转成孔。根据泥浆循环方式不同，分为正循环回转钻机和反循环回转钻机。

1）正循环回转钻进是以钻机的回转装置带动钻具旋转切削岩土，同时利用泥浆泵向钻杆输送泥浆（或清水）冲洗孔底，携带岩屑的冲洗液沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升，从孔口流向沉淀池，净化后再供使用，反复运行，由此形成正循环排渣系统；随着钻渣的不断排出，钻孔不断地向下延伸，直至达到预定的孔深。由于这种排渣方式与地质勘探钻孔的排渣方式相同，故称之为正循环，以区别于后来出现的反循环排渣方式。

2）反循环回转钻机成孔是由钻机回转装置带动钻杆和钻头回转切削破碎岩土，利用泵吸、气举、喷射等措施抽吸循环护壁泥浆，挟带钻渣从钻杆内腔吸出孔外的成孔方法。根据抽吸原理不同可分为泵吸反循环、气举反循环和喷射（射流）反循环三种施工工艺。泵吸反循环是直接利用砂石泵的抽吸作用使钻杆内的水流上升而形成反循环；喷射反循环是利用射流泵射出的高速水流产生负压使钻杆内的水流上升而形成反循环；气举反循环是利用送入压缩空气使水循环，钻杆内水流上升速度与钻杆内外液体重度差有关，随孔深增大效率增加。当孔深小于50m时，宜选用泵吸或射流反循环；当孔深大于50m时，宜采用气举反循环。

1.3旋转钻机工作原理

旋转钻孔机种类很多，其外观形状也不完全相同，但根据钻孔工作的需要，它们的总体构造基本上相同，其通常由钻进系统和底盘桩架两部分组成。底盘桩架主要由立柱、起架装置、底盘、行走机构、液压系统及电气系统组成。钻进系统主要由动力头、钻杆、钻头、滑动支架、加压提升机构等组成。钻具的驱动动力可用电动机、内燃机或液压马达，底盘桩架有汽车式、履带式和步履式。

底盘桩架主要起固定钻孔执行装置、钻进导向及行走等作用。钻进系统主要起到切削、输送、成孔等作用。钻进时由动力头原动机经过减速器驱动输出轴旋转，带动钻具旋转切削岩石，加压机构通过动滑轮组提供向下的轴压力，钻头在两者的共同作用下，最终完成钻孔作业。

钻机钻孔时，回转机构和加压机构通过钻杆向多刃切削钻头施加作用力，钻

头在轴压力作用下侵入岩石，在回转扭矩的作用下切削破碎岩石。可用压气排碴，也可用螺旋钻杆排碴，压气排碴除尘装置与牙轮钻机的相同。当用螺旋钻杆排碴时，钻杆在孔中转动与孔壁构成一个螺旋输送器，孔底岩碴在离心力和摩擦力等各种阻力作用下沿钻杆上的螺旋叶片逐步向上输送，从而使钻具不断向下移动，完成钻进过程。旋转切削钻进原理如图1.1所示。

图1：旋转切削钻进原理

3旋转钻机发展现状及研究概况

3.1目前国内外生产及研究现状

利勃海尔公司LB系列的研发来源于利勃海尔机器几十年来在特殊土木工程中的应用经验，并考虑到了现在旋转钻机作业艰苦的情况。LB系列钻机的设计采用连续螺旋钻和双旋转头。新型LB28旋转钻机设计钻孔直径最大可达2.5米,最大深度70米，扭矩为28吨米。它的绳索降落系统具有40吨提升力，在艰苦的地况和作业条件下，能提供最大的动力和可靠性。

为增强对硬岩钻进能力，Robbins公司研制了小型钻进器具SBU(Small Boring Unit)，SBU可以在24-27英寸的直径范围内钻进硬岩，它由硬岩切削刀盘和装在刀盘上的高效推力轴承上的微型盘状切削具组成，通过全断面螺旋使切削刀盘旋转，用顶进装置使其推进。SBU通过一个标准六方柱与螺旋连接器连接，适合于所有的水平全断面螺旋钻机。

云南楚雄吕合煤业有限公司根据露天矿山生产建设的需要，从1974开始，经过20多年的不断努力，于1997年研制和开发成功KZXL-30型垂直旋转钻机，该钻机为电力驱动、轮胎行走,螺旋钻杆自行引导排碴。该机适应的煤岩硬度为f ≤6，钻孔直径为130mm，钻进转速为每分钟198转。

煤炭科学研究总院重庆分院进行了松软凸出煤层顺层螺旋钻进装备研制与配套工艺开发项目，2006年研制出ZY-1250型全液压钻机，钻机用于松软凸出煤层钻进,最大孔深150m，并且在巧150m型钻机的基础上，对钻机结构和关键参数进行了进一步优化，完成了200m型钻机的设计。

煤炭科学研究总院西安分院研制了高强度必420mm插接式密封型螺旋钻杆(如图1.2)，可采用干式和湿式两种排碴方式，用于在煤层中钻进水平大直径孔，尤其在当煤矿发生瓦斯爆炸，顶板冒落等事故时建立与被因人员的联络通道。2003年用ZDY400OS型全液压钻机配套该螺旋钻杆在阳泉新景矿成功进行了深度为50.6m的大直径钻孔试验。

图1.2 φ420mm插接式密封型螺旋钻杆

3.2旋转钻机的技术发展趋势

旋转钻机的技术发展趋势主要体现在以下几个方面：

l)钻机动力头主要有三种方式：柴油机、电动机和液压马达驱动。用柴油机作动力，可以扩大钻机的使用范围，特别有利于开发边远和缺乏电力的地区。如美国Drilteeh公司的D40K，Igersoll-Rand公司的T4型和德国Sazlgitter公司的LB6l0型就是用柴油机驱动的；电机驱动动力头转速调节不便、启动扭矩小，与电动机驱动相比液压装置在同等体积下能产生更大的动力，液压装置体积小、重量轻、结构紧凑，且液压装置工作比较平稳，易于实现快速启动、制动，能在较大范围内实现无级调速。由于液压传动的突出优点，目前在旋转钻机上得到了更