水平定向动力头式全液压钻机节能设计方案研究 郭旭叶茂盛晏剑波 （湖北地建集团神龙市政建设工程有限公司湖北武汉４３００００） 时，要求高转速。国外的最高转速以达２０００ｒ／ｍｉｎ～３０００ｒ／ｍｉｎ；国 内大致在１０００ｒ／ｍｉｎ～１５００ｒ／ｍｉｎ，而从处理事故和拧紧钻杆的要 求，则需要低速档，一般为２００ｒ／ａｉｒｎ ３００ｒ／ｍｉｎ。本设计动力头的 转速范围为１ｒ／ａｉｒｎ～６０ｒ／ｍｉｎ、ｌｒ／ｍｉｎ １２０ｒ／ａｉｒｎ。本设计的动力头 主要特点如下：油马达上装有安全阀，可自动进行过载安全保护； 无液压卡盘，采用螺纹连接结构，使整体结构简单化。结构紧凑， 节省原材料；壳体由铸铁 制成，故有良好的工艺性。 动力头按照回转油马 达的安装位置不同，可分为 ｌ引言 钻机的结构与其所采用的钻进工艺相关联。目前国内外都正 在研制和应用全液压钻机。全液压钻机同传统钻机一样，都是用来 完成钻进和升降钻具等基本工序，以实现采取岩心，达到探矿的目 的。从结构上看，全液压钻机可以分为立轴式全液压钻机和动力头 装有油马达的动力头Ａ型 和不装油马达的动力头Ｂ 型两类。Ａ型动力头与Ｂ型 动力头相比，具有结构简单 紧凑、工作可靠、重量轻和 式全液压钻机。二者相比较，动力头式全液压钻机具有结构简单、 １一底座２一马达３一联轴器 内外全液压节能动力头式 ４一减速器５一法兰盘６一钻头 重量轻、操作简便、可以实现无级调速、加压给进等优点，工作效率 钻机的大多数均采用Ａ型 大大改善。并且动力头式全液压钻机也是钻机的发展方向之＿。综 动力头。本设计也采用Ａ型动力头。 合各方因素，我选择设计水平定向动力头式全液压钻机。 Ａ型动力头的工作原理（图１所示）：油马达２经齿轮传动箱 考虑到此钻机常用于户外作业，动力可选柴油机。钻机应用 带动输出轴回转，从而使钻具回转。 螺纹连接钻头精简结构，节约时间，提高有效钻进速度。动力头采 ２给进节能机构确定 用单极齿轮减速器，减少变速箱体积，根据不同的地质条件，选用 ２．搬运方便等优点。目前，国 圈１节能钻机动力头原理示意图 不同的钻进速度。在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方 便，适于整体或解体搬运。尽量做到标准化、通用化、系列化。 给进节能机构是钻机的工作机构之一，它对钻机的技术性 能、工作效率以及其应用范围有着极大的影响。全液压节能动力 头式钻机给进机构的功用有二：（１）用来保证钻头具有所需压力， ２主机部分方案确定 一（２）实现进给；二是用来“倒杆”。 一台全液压钻机主要包括主机、动力设备和操纵台三个部 个完善的给进机构应满足下列要求：（１）能调节钻头压力， 分。水平定向全液压钻机的主机包括回转机构、给进机构等基本 浅孔时加压、深孔时减压，故要求给进机构具有加压和减压等机 部件。 能，压力调定后就应保持恒定不便。（２）给进速度是可以调节的， 并应能无级调速，使钻头给进速度能与机械钻速相适应。（３）给进 ２．１回转节能机构选择 全液压节能动力头式节能钻机的回转机构，就是移动式回转 行程应尽可能的长，且结构简单、工作可靠、操作灵活安全。并应 器，亦称为动力头。动力头是钻机的重要组成部分，主要由回转马 配备有仪表来观测钻头压力、进尺和钻速等。 达、减速器、水接头组成。它的功能有二：（１）传递扭矩，以带动钻 目前，全液压节能动力头式钻机的给进机构有油缸液压给进机 具旋转钻进或拧卸钻杆；（２）动力头由给进机构带动，以传递向上 构和油马达—链条给进机构两种。大多数钻机采用油缸给进机构。 或向下的轴向力及其运动，用来实现加减压给进。 油缸给进机构又分为一般油缸给进机构和油缸—链条倍速给 本全液压钻机通常采用导向钻杆，其钻进工艺对动力头的基 进机构两种。一般油缸给进 本要求有下列几点：动力头的钻数和扭矩应是可调的，最好的方 机构是油缸的液压力或运 案是无级调速，以适应钻进工艺的需要；转数调节范围应满足钻 动直接作用于动力头和钻 进工艺的需要；具有正反转的能力。 具；油缸的行程和动力头的 回转平稳、振动少和噪音不大等。 给进行程相等，故又称为非 图２给进节能机构示意图 头的给进行程等于活塞行 １一动力头２一液压油缸３一链条 动力头转速调节范围，取决于地质条件、钻头直径以及钻进 倍数油缸给进机构。油缸一 方式。由于是全液压钻机可以实现无级调速，马达的调速范围在 链条倍速给进机构是动力 ８ｒ／ａｒｉｎ～３００ｒ／ａｒｉｎ之间完全满足钻机的要求。采用导向钻杆钻进 《资源节约与环保》２０１５年第１ １期 程的两倍。本设计选用单油缸—链条给进机构。 柱塞式变量油泵具有重量轻、体积小、调速方便、压力大、转速高 单油缸—链条给进机构工作原理（图２）：给进油缸缸体固 等特点，它较适用于钻机的工作需要。但定量油泵价格比较便 辅助油泵采用定量 定在机架上，活塞杆的前端与带有链轮的连接轴相连接。拖板向 宜。本设计采用双油泵，主油泵采用变量泵， 后移动。每根链条的一端都是绕过链轮之后固定在给进机架上， 油泵。３油箱选择 而另一端绕过链轮之后分别与拖板相连接，组成为一个封闭的 ３．油箱是用来储油、散热、分离油巾杂质和空气的装置。它的形 倍增传动链，拖板行程比活塞行程增大一倍。 ３节能动力设备部分 状和尺寸要根据钻机的总体布置及散热的需要来决定。按一般机 械要求，油箱的有效容积为油泵的每分钟流量的三倍以上。但是， 钻机在油箱里装有冷却器，因此油液的发热大为改善。本钻机也 全液压钻机的动力设备，包括动力机、油泵、油箱、过滤器、冷 考虑野外工作条件的需要，钻机的油箱容积不能太大。而且多数 却器等。 ３．１动力机选择 采用这种结构。 驱动油泵的动力机，一般采用电动机或柴油机。在坑道钻探 中，也有采用风马达的。动力机的转数，一般为１４６０ ｒ／ｍｉｎ～１８００ ｒ／ｍｉｎ，国外钻机有增高动力机转数的趋势，高达２４００ｒ／ａｉｒｎ～ 量，使动力机和油泵小型化。 ． ４操纵台部分设计 “集中手柄操纵”这是全液压钻机的特点之一。钻机的所有控 ３６００ｒ／ｍｉｎ。这样可以大大提高油泵排油量，或缩小油泵尺寸和重 制阀、各种仪表等都集中装在操纵台的控制面板上。从油泵输出的 压力油经高压橡胶管到各控制阀，操纵控制阀手把的各种不同位 动力机的功率是设计钻机的依据。钻机的功用主要是用来完 置，使压力油经阀板下的软管分配给各个液动机，根据钻探工艺的 成钻进工序。回转钻进所需的功率包括破碎孔底岩石和回转钻具 需要来驱动油马达、给进油缸等，从而完成钻探各工序的动作。因 等所需功率，前者基本上不受孔深的影响；后者当转数不高时随 此，操作台是钻机的操纵驱纽。本钻机也采用“集中手柄操纵”。 孔深的变化也不大，当转数较高时随孔深增加而增大。本设计采 参考文献 用柴油机作为动力机。 ３．２油泵选择 【１】邵春，卢春华，鄢泰宁．一种基于地矿钻机的智能化钻参仪『Ｊ１＿地 质与勘探，２０１０（０５１． 油泵是将动力机的机械能转换成液压能的一种装置，它是液 【２］方俊，鄢泰宁，卢春华．钻参仪参数检测原理及传感器选型安装 压传动中的动力源。目前，每台全液压钻机的油泵站通常有两个 『Ｊ】．探矿工程（岩土钻掘工程），２ｏｍ（ｏ４）． 油泵，一个为主油泵，它向回转马达供油；另一个为辅助油泵，它 【３】魏景斌，刘俊峰，钱稷，陈其林基于ＣＨ３７５的ＵＳＢ数据传输［Ｊ］ ．向给进机构供油。但有的钻机只有一个油泵，它向油马达及各油 微计算机信息，２ｍ ｏ（ｏ２）． 缸供油。 【４】董玮，周鲁宁．基于ＵＳＢ的无线传输系统设计与实现【Ｊｊ．通信技 ２ｏｍ（ｏ１）． 油泵类型的选择应能满足钻机工作的特点和要求。由于钻 术，机的回转速度有高有低，一般主油泵选用变量油泵，并且都用轴 作者简介 向柱塞式变量油泵，它能使液动机实现无级容积调速；辅助油泵 郭旭（１９８４一），男，湖北仙桃人，本科，助理工程师，主要从事工 多用齿轮油泵，也有选用轴向柱塞式变量油泵的。这时因为轴向 程地质研究。 （上接第７页） 验时间持续约１ｈ，试验期间保持机组负荷稳定，系统均匀补水，除 变化不大。 氧器水位调整阀尽量保持最大允许开度，凝结水泵再循环门关 ５结语 闭。机组负荷２４０ ＭＷ及以下，为保持凝结水精处理内压力不低 通过对凝结水泵及其系统进行改造后，能够有效降低厂用电 于１．２ ＭＰａ（设备厂家要求），除氧器水位主调阀节流控制凝结水压 节电效果明显，从大唐鲁北发电有限责任公司改造经验可以 力。为与工频运行工况对比，按照试验方案增加了１６５ ＭＷ凝泵 率，工频运行工况。 ４．２试验数据分析 看出，改造后的系统完全可以满足机组安全运行需要，节电效果 非常明显。每小时最少可以节电１７４ ｋＷ・ｈ，最多可以节电３３５ ｈ，平均节电２７６ ｋＷ・ｈ，节电率最小２１．２５％，最大４９．４８％，平 通过试验得出，凝结水系统改造后，变频运行每小时最少可 ｋＷ・１７％。当凝结水流量低于５８２ｄｈ，用除氧器水位调节阀节流 以节电１７４ ｋＷ・ｈ，最多可以节电３３５ ｋＷ・ｈ，平均节电２７６ ｋＷ・ｈ。 均３８．应注意凝结水压 与凝泵工频运行相比，节电率最小为２１．２５％，最大为４９．４８％，平 维持精处理压力，对系统经济运行有一定影响，力的压红线控制，尽量保持除氧器水位调节阀的最大开度。 均为３８．１７％，可以看出改造后节电效果明显。 变频工况下，凝结水流量小于５３０ｔ／ｈ后，凝结水系统耗电明 参考文献 １］石志辉：３００ＭＷ机组凝结水泵变频改造技术方案及节能分 显上升，除氧器水位调节阀开度低于３８％，系统节流损失增大，凝 ［Ｊ１． 泵电机输出功率增大。当除氧器水位调节阀全开时，试验最大流 析【２】李遵基．变频控制原理及应用．北京：华北电力大学出版社， 量时阀门阻力仅０．１８ ＭＰａ，而当凝结水流量小于５８２ｔ／ｈ，为了保持 『 凝结水精处理压力，除氧器水位调节阀节流损失已大于０．３６ ２００１．３李海涛．３１６００ＭＷ机组凝结水泵一拖二变频改造的设计与实现 ＭＰａ。在凝结水流量５８２ｔ／ｈ，电动机约比调阀全开多输出功率 【 ３５ｋＷ。当前供热量小，减温水泵输出功率在４０ｋＷ左右，随供热量 自动化博览．《资源节约与环保》２０１５年第１ １期
