CBB-WDH-LWDG01.pdf

成都理工大学毕业设计（论文） I 全液压钻机液压系统设计 作者姓名：汪缔洪 专业班级：机械三班 指导教师：胡波 摘 要 一台液压钻机性能的优劣，主要取决于液压系统的设计和使用。正确合理地设计和 使用液压传统系统和液压控制系统， 对于提高各类液压机械的工作品质和技术经济性能 具有重要的意义，而全液压钻机作为一种全油压驱动钻机，对执行元件所有的控制和驱 动都离不开液压系统，液压系统的研究和设计显得更加重要。近年来，由于全液压钻机 的优点十分明显，在国外已经替代了所有的机械传动钻机。在煤矿的安全生产中以及地 质勘探中，无论是钻进工程孔还是瓦斯抽放孔，都离不开钻机。随着液压技术的不断发 展和改进，全液压钻机在钻井安全生产中已经越来越广泛。了解全液压钻机的液压系统 对我国未来液压钻机的全面发展有着非常重要的作用。 液压钻机的核心是液压系统，要了解液压钻机就必须充分了解液压系统。本文主要 针对实验室已有 ZDY540 型液压钻机进行分析和研究，并将 PLC 控制融入液压控制系 统中，完成了对液压控制系统的自动化改造。本论文主要内容如下： 通过对目前钻机市场进行调研，分析对比目前国内使用最多的两类钻机的性能，推 测出未来钻机的发展的方向； 对未来发展具有很好的发展前景的钻机进行主要结构以及工作原理的介绍； 根据相应企业对全液压钻机的要求，进行全液压钻机液压系统的设计，并能根据 相应技术参数完成液压系统功能的原理设计； 目前所采用的钻机大部分采用的是手动液压控制，为了能顺应现在发展的潮流以 及各使用企业的相应要求，增加工作效率，减轻工人劳动负担，将PLC控制融入液压系 统控制中，对其进行自动化改造。 关键词：全液压钻机 液压卡盘 夹持器 液压系统 PLC控制 成都理工大学毕业设计（论文） II The design of the hydraulic system for the full hydraulic drilling rig Abstract The performance of a hydraulic drill is mainly determined by the design and use of the hydraulic system. There has an important significance that the design and use of traditional hydraulic system in the hydraulic control system by the correct and reasonable way can improve the various types of hydraulic machinery work quality and technical economic performance. And full hydraulic drilling rig as a full hydraulic drive drilling rig, the implementation of all the components of the control and driving are inseparable from the hydraulic system, the research and design of the hydraulic system is more important than others. In recent years, it has replaced all the mechanical drive rigs abroad because of the advantages of the full hydraulic drill rig. In coal mine safety production and geological exploration, whether the drilling engineering borehole or the gas drainage hole, isnt separated from the drilling rig. With the development and improvement of the hydraulic technology, the hydraulic drill rig is becoming more and more widely use in the drilling safety. It is very important for the hydraulic system of the hydraulic drill to develop the hydraulic drill in the future. The core of the hydraulic drilling machine is hydraulic system. To understand the hydraulic drilling machine, we must fully know of the hydraulic drilling machine hydraulic system. This paper mainly discusses the research and analysis of the ZDY540 type hydraulic drilling machine which is in our school laboratory, the main contents are as follows: Through the research of current rig market, we can compare of the different performance of the two kinds of the drilling rigs which used at most in the country and speculate of the development by the drilling rig； An introduction to the drilling rig which has a promising prospect for its future development in terms of the main structure and its operational principle； According to the requirements of the corresponding enterprise of hydraulic drilling rig, and hydraulic system design, to complete the function of the corresponding parameters on the 成都理工大学毕业设计（论文） III basis of the design principle of hydraulic system； The used drilling rig are manually used to control the hydraulic valve at the moment, in order to better adapt to the current development trends and the requirements of the enterprises, making the automation reconstruction of this hydraulic drilling rig to reduce the labors burden and make the drill more efficient. Keywords: The hydraulic drilling rig; Hydraulic chuck; Clamper; The hydraulic system; Automation 成都理工大学毕业设计（论文） IV 目 录 摘 要 I Abstract . II 第 1 章 前 言 1 1.1 论文的目的及意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 论文的主要研究内容 4 第 2 章 钻机的市场调研及发展方向 6 2.1 钻机的主要特性对比 6 2.1.1 施工效率对比. 6 2.1.2 施工质量对比. 9 2.1.3 施工成本对比. 10 2.1.4 钻机适应性对比. 10 2.2 钻机发展方向 10 第 3 章 全液压动力头钻机基本结构简介 12 3.1 主机 12 3.1.1 动力头部分. 12 3.1.2 给进装置. 15 3.1.3 夹持器. 16 3.1.4 机架. 16 3.2 泵站 17 3.3 操作台 17 3.4 ZDY540 型全液压钻机的结构特点 18 第 4 章 ZDY540 全液压钻机液压系统设计 19 4.1 ZDY540 全液压钻机主要参数 19 成都理工大学毕业设计（论文） V 4.2 给进液压系统的工况分析. 19 4.3 液压系统设计计算 22 4.3.1 初选系统压力. 22 4.3.2 计算和确定液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量. 22 4.3.3 计算液压缸和液压马达的流量. 27 4.3.4 制定基本方案，拟定液压系统图. 27 4.3.5 元件选型与设计. 29 4.3.6 验算液压系统性能. 32 第 5 章 液压钻机的自动化改造 34 5.1 PLC 概述 . 34 5.2 液压钻机自动化改造. 35 5.3 改造后液压原理图（图 5-1 所示） 36 5.4 PLC 控制设计 . 36 5.4.1 方案设计 37 5.4.2 PLC 的 I/O 端口分配 38 5.4.3 选定 PLC 型号 39 5.4.4 电路控制 39 5. 4.5 PLC 控制程序 . 40 5.5 液压钻机实物图 41 结 论 42 致 谢 43 参考文献 44 附件 1 液压缸尺寸系列表和液压马达公称排量表. 45 附件 2 PLC 控制程序梯形图 46 成都理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 前 言 1.1 论文的目的及意义 全液压钻机是全液压动力头式钻机的简称， 主要区别于采用机械传动和液压给进的 半液压式钻机。全液压钻机由电动液压泵站提供动力，以矿物油为工作介质，通过对工 作介质的流量、压力和方向的控制，驱动钻具完成所需要的动作1。 中国是全球最大的煤炭生产国，也是世界上矿产资源较为丰富的国家，而大多数的 煤矿或者其他矿产资源并不是露于地表而都是从井下进行挖取采集。据有关数据显示， 煤炭的开采总量中 95%以上都是通过井下开采而得到。 从煤矿的角度来看， 由于煤炭多 来源于地下，在煤层中或多或少的包含了瓦斯气体，瓦斯气体对于煤矿的开采和井下的 施工安全都极具挑战性。 近年来， 随着社会的不断进步， 矿产的开采速度也在不断加快， 逐渐增加的矿产开采总量和矿产挖掘深度也使得在矿井下瓦斯突出和爆炸的危险性增 大。如果在煤矿矿洞中采用大量的通风孔或者是大通风及直接将瓦斯抽放到大气中，不 仅会导致大气环境遭到破坏，同样也不符合国家节能减排的要求。在重庆大学刘新荣等 在煤层瓦斯涌出量与煤层埋藏深度关系的探讨一文中就曾这样说到：煤层的掩埋深 度越深，煤层里面涌出的瓦斯总量也就越大2。自新中国成立后，一共发生了 14 起特 别重大的事故，每起事故都造成了 100 人以上的人员伤亡。在这些事故中，瓦斯或者煤 尘引起的爆炸事故高达 13 次3。由于瓦斯事故会造成如此严重的后果，必须对这类事 故进行提前预防， 而预防瓦斯事故最简单有效的方法是将煤层里的瓦斯气体通过钻孔后 再抽出处理。不仅仅是因为煤矿安全的原因，就目前情况来看，在煤矿安全施工和地质 钻探施工中应用到最多的液压钻机主要有两种，一种是液压立轴式钻机，另一种是全液 压动力头钻机。 自 20 世纪 90 年代以来，为了保证煤炭能够在安全的条件下进行生产，大部分的大 型煤矿都在瓦斯含量较高的煤层钻孔， 将煤层里的瓦斯气体通过所钻孔抽出在综合利用， 这种常用的瓦斯抽放钻孔设备就是坑道钻机。 这种钻机通常通过高压变量泵和定量马达 来实现无极变速，以去除传统机械冗重而复杂的传动机构（传统的传动机构一般由变速 箱来进行变速， 采用机械变速的方式， 是一种有级变速， 而且变速箱通常由齿轮组组成， 重量大，结构复杂，对齿轮的加工精度要求也很高，既不方便操作和维护，同时也只能 成都理工大学毕业设计（论文） 2 针对一些特定的地质环境进行钻进） ，且由于煤矿井下空间狭窄，拥有复杂的机构的机 械在井下安装和作业都非常具有挑战性，这种结构简单、转速较高且工作平稳，采用全 液压传动，能进行无极调速，对钻孔工艺适应性强的优点的钻机，使得传统的机械传动 的钻机逐渐被淘汰。在目前国内市场上使用最多的两种钻机中，立轴式钻机和全液压动 力头钻机各具有有优点， 因此研究和分析这两种钻机的传动和控制系统有着不可或缺的 重要意义，也能通过分析了解目前市场上以及各种钻机在未来的发展趋势。同时为了够 真正地做出一台适用且高效的煤矿钻机， 就必须要对钻机的结构和工作原理有了充分的 了解，才能够根据实际情况进行有效的创新或改进台钻机。随着现代化的步伐加快，人 们对工作效率的要求也越来越高，在对目前钻探发展的方向有了充分的理解之后，新型 的钻机的研究和开发势在必得。 液压系统作为液压钻机的核心部分， 其设计主要的参数是流经液压系统各执行元件 和各种液压控制阀的压力和流量， 一个液压系统的设计的优劣直接会影响到钻机的工作 性能和使用效率。在目前来看，液压系统设计的主流依旧是采用简单的手动阀、泵等来 构成相应的液压系统，这类的系统结构构成相对简单，但是操作却不够简便，最为主要 的是它很难于实现自动化控制的需求。随着发展的不断进步，自动化趋势越来越明显， 在充分融入可编程序控制器（PLC）的基础上说发展而来的新型液压系统必将是主流发 展趋势。 1.2 国内外研究现状 钻探设备多使用于野外环境，工作条件相对其他设备来说比较恶劣，载荷变化范围 大，导致发动机的工作状态经常偏离低油量消耗区，既消耗了燃油，工作效率也不高， 机器性能得不到充分发挥，况且，为了便于维修和护理，有时甚至还需要将钻探设备进 行搬迁和运输，因此，无论从其重量或者体积上来说都会受到很大的限制。从 20 世纪 中期以来，液压技术陆续在钻探设备上使用，由于当时的液压元件的制造精度不高，完 善性也不好、成本高，导致最初的液压技术也仅仅只能用于钻机的给进系统。随着液压 技术的快速发展，全液压钻机在世界各国都相机被推出，由于液压钻机的工作效率相对 较高且操作简单，使用和推广的速度也就较快，特别是针对煤矿井下安全生产的液压钻 机。 成都理工大学毕业设计（论文） 3 液压钻机的出现不仅让施工的安全性得到了很大的提高， 同时也能增强一个企业的 自动化水平，减少钻井的辅助时间以及主要工作机械的搬迁时间，使生产效率得到了提 高，也能将煤矿中煤层中最具有威胁性的瓦斯气体抽出，使得井下工作人员的安全得到 了更好的保证，也为井下机械提供了可靠的工作环境，全液压坑道式钻机的主机采用液 压传统，其体积小，结构简单，传动平稳，动作准确，可以在大范围内实现无极调速， 也比传统的机械传动类机械更容易获得各种复杂的动作。 液压系统作为全液压钻机的核心组成部分， 它的发展历程很漫长。 在国外， 20 世纪 80 年代以前，由于当时工业水平有限，很多情况下我们都只能考虑液压系统工作能力 的可靠性及其成本，采用的都是定量泵提供液压油源的液压系统，也就是说液压系统是 由定量泵供油，在回路中并联一个溢流阀，也就是通过改变回路中流量控制元件通流面 积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量， 利用节流调速方法来调节执行 元件的速度，这种方法虽然功率损失大，效率低，但由于其结构简单成本低等优点，依 旧在广泛的被使用中4。从 1994 年开始，中国煤炭工业部要求全液压钻机的效率大于 43%，且煤矿生产能力的不断加大，煤矿设备所需求的功率也越来越大，这也就使得传 统的定量泵液压系统越来越满足不了当前的工业需求1。在钻机钻进过程中，负载也不 是恒定不变的，在这种变负载的系统中，定量泵的效率也就不能满足要求。在负载变化 的过程中， 在充分考虑到使全液压钻机工作效率提高的同时， 又要相应减少燃油的损耗， 由初期的定量泵改为变量泵，也就是通过变量泵来随时调节系统的压力和流量，让钻机 能够稳定高效的运行。自机电一体化逐步整合到钻机上，液压钻机一般通过电机通过联 轴器直接与液压泵相连，钻机的结构也越来越紧凑，在这几十年的发展历程中，液压系 统的发展已经有了较为成熟的进步， 使得全液压钻机的液压系统也有了更多的控制方法 和手段。 液压钻机在国外的发展较早，生产液压钻机的企业也有很多。法国的 AMG 公司总 结多年的钻机使用经验， 经过多次的改良设计的TD-1500S全液压钻机， 由于性能优良， 效率高，占据着国外钻探市场很大的份额5。随着液压传动技术的日益发展以及液压元 件的制造技术的不断提升，给全液压钻机的发展提供了技术支持和发展方向。除了典型 的 TD-1500S 的全液压钻机外，国外还有很多先进的全液压钻机，如阿特拉斯研发生产 的 ECM-580 型液压钻机、 加拿大阿特拉斯.科普柯公司研究的 CS1000P6L 全液压钻机、 成都理工大学毕业设计（论文） 4 澳大利亚威力朗沃矿业设备公司的 VLD-1000 型钻机，这些钻机机构动作平稳、系统稳 定可靠到、效率高。而且随着电液比例技术的应用，国外先进钻机设备制造商开始研究 用电液比例技术的智能自动化钻进技术技术及其设备，并且取得了一定的成果。在上个 世纪末，国外很多家生产企业都已经推出了自己的全自动钻机，这类钻机能降低工人的 劳动强度，对工人的要求也更加低，这类钻机无论在国外还是国内，其发展前景都是相 当乐观的。 从 1958 年开始着手研制全液压钻机，但是由于液压元件的研制和生产产能跟不上 等原因，钻机的研制工作进展十分缓慢，甚至曾一度中断过。从上个世纪八十年代后， 为了积极响应国家环保政策，从加拿大引进了 CT-155 液压钻机，在国内设备技术人员 的积极攻关下，在九十年代初仿制并推出了一款当时国内功能最为齐全的全液压钻机 DY-30。随后国内很多的厂家也开始积极研究，例如煤炭系统郑州煤矿机械厂的中州 1200 米全液压转盘钻机，石家庄煤矿机械厂的 K56800 米全液压动力头钻机，地质系 统的 XD600 米全液压动力头钻机和冶金系统的 100 米、250 米坑道用全液压动力头 钻机，其中还包括较为典型的 ZDY3200S 和 ZDY540 型等全液压钻机。这类钻机为井 下矿产安全生产提供一种先进的设备同时也给矿产的安全挖取提供了有利的保证。 就目 前来看，我国很多自行设计并生产的钻机，无论在给进性能还是钻机重量指数、功率指 数等技术参数都基本达到或接近国外同类钻机的技术水平。 但是由于我国的工业基础较 低，钻机的生产制造工艺有时打不到设计要求，以及材质质量低等各种原因，以致影响 钻机的可靠性和耐久性；同时在钻机零件生产上也还尚未实现标准化和通用化，钻机品 种与系列尚不甚齐全。对于液压钻机的研究和发展上，我们离发达国家的差距还很大， 还有很长的一段路程要去走。 1.3 论文的主要研究内容 全液压钻机的液压系统是设计过程中的重点，其主要控制钻机各部件的动作执行， 液压系统设计的优劣性直接关系到液压钻机的性能和功效。 基于上述研究现状和相关设 计背景， 本文主要针对实验室已有 ZDY540 型的坑道式全液压钻机进行研究和分析， 主 要内容如下： 对目前市场上比较成熟的两类钻机（立轴式钻机和液压动力头式钻机）进行市场 成都理工大学毕业设计（论文） 5 调研，从施工效率、施工成本、施工质量以及钻机自适应性对比来分析钻机的性能，推 测未来钻机市场发展方向。 ZDY540 型全液压钻机从结构上来说为煤矿用全液压动力头式钻机，充分了解其 结构和工作原理，对其主要基本部件进行简单的介绍。 根据钻机相关技术参数，对现有的钻机液压系统进行研究和分析，根据相关设计 要求，绘制出钻机的液压系统原理图。 对液压系统的主要参数进行计算，得出结论，并根据计算结果对液压控制系统执 行元件进行选型。 根据企业相关要求，结合当前生产形势以及生产力水平，将 PLC 控制理念融入到 钻机的液压系统中，达到自动化设计要求。 成都理工大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 钻机的市场调研及发展方向 液压立轴式钻机和液压动力头（移动回转式）钻机是目前市场上以及在地质钻探施 工中所应用最多的两种钻机。立轴式钻机在我国于上世纪六十年代研制成功之后，历经 数十年的改良和创新，是目前地质钻探中所用到的主要机器设备。动力头钻机问世时间 比立轴式钻机要晚，因其具有极其优良的技术性能，一问世就受到极大的关注，发展速 度快，几十年的发展和改进之后，成熟的产品也比较多，后来者居上。在我国，全液压 动力头钻机的发展比起发达国家要晚很多，而且由于各种技术水平低，工业水平也与其 他发达国家有很大的差距， 因此曾有很大一段时间停止发展过。 2006 年， 在国家科技攻 关项目和地质大调查项目的联合支持下， 勘探技术研究所率先在国内推出具有实用水平 的 YDX-3 型 1000m 动力头钻机6。这台钻机从问世起，就有了 极高的关注率，不仅仅 在国内销售，甚至还出口到澳大利亚和伊朗等国家。那么这两种钻机究竟有什么优点呢？ 两者之间未来的发展又是怎么样呢？通过相关市场调研，采用对比分析的方法，来对两 种全液压钻机的主要特性进行分析。 2.1 钻机的主要特性对比 如何评估一台钻机的性能优劣性，不仅仅只是检查钻机是否能够满足钻进工艺、使 用、制造、维修、运输和环境保护等各方面的要求，还要充分考量钻机在施工效率、施 工成本以及钻机在各种不同钻孔工艺下的适应性。既然这两种钻机的应用都十分广泛， 那么从钻机的钻进工艺、 使用制造以及维修方面等各方面肯定都能够满足要求以及符合 国家的各项法律法规。在相同的钻进条件下，钻进工艺相同，不同钻机的施工时间以及 施工后的质量都是不相同。下面分别让钻机在相同的钻进工艺和钻进条件下，通过比较 两类钻机的钻进时间以及钻进后钻孔的质量甚至是施工成本方面来对其进行分析和对 比。 2.1.1 施工效率对比 从回转器的类型来看动力头钻机和立轴式钻机，动力头钻机具有以下突出的优点： （1）导向性好，而且能够减少机上钻杆的摆动，可以实现水平、倾斜甚至是仰孔 等全方位钻孔需求。 成都理工大学毕业设计（论文） 7 （2）给进行程长。对于 3m 左右的进程，移动回转式（动力头）钻机可一次进给完 成，而立轴式钻机至少需要倒杆 4 次。每次倒杆都会消耗一定的时间，最为重要的是重 复倒杆后有可能造成岩心断裂，使得倒杆后重新钻进的速度减慢，而且岩心被堵塞的几 率也大大增加。在较软的地质层钻进时，每次的倒杆都会使得岩心被堵塞，既不利于钻 机的钻进，同时还增加了时间，使得效率大为降低。因此动力头钻机在这方面明显优于 立轴式钻机。 （3）动力头钻机钻进时不使用钻塔，可以减少搭建钻塔的时间，同时也可以节约 一定的成本，在交通不便地区，运输存在极大问题的时候，这种优势也就越加明显。动 力头钻机在搬迁时可以根据需要将主机分为几部分， 搬迁时间相对较短减而立轴式钻机 搬迁过程相对较为繁琐，所用的时间也就越长。为了对两类钻机进行准确的比较，现将 影响两种不同钻机的施工效率的主要因素列于表 2-1。 表 2-1 液压动力头钻机与立轴式施工效率的比较 影响因素 液压动力头钻机 立轴式钻机 给进行程 长 较短 机械钻速 较高 较低 回次长度 较长 较短 钻头寿命 较长 较短 起钻间隔 较长 较短 起下钻速度 较慢 较长 平机台时间 较短 较长 运输时间 较短 较长 设备安装时间 较短 较长 接单根时间 较短 较长 倒杆时间 无 有 在钻进过程中， 由于需要同时考虑到岩层不同硬度对钻探施工的技术指标会有一定 的影响，分别让两种钻机在软岩和硬岩中钻进 1000m，统计钻进所需的时间，钻机搬迁 说消耗的时间不在表格中列出，其结果分别见表 2-2 和表 2-3。 成都理工大学毕业设计（论文） 8 表 2-2 两种钻机 1000m 深软岩钻进的施工效率对比 动力头钻机 立轴式钻机 机械钻速 (m/h) 1.8 1.5 回次长度 (m) 2.8 2.5 起钻间隔 (m) 50 45 起下钻速度 (m/h) 170 510 钻进总时间 (h) 556 667 起下钻总时间 (h) 124 45 捞岩心总时间 (h) 177 197 额外倒杆总时间 (h) 0 133 钻进施工时间 (h) 857 1042 表 2-3 两种钻机对 1000m 深硬岩钻进的施工效率对比 动力头钻机 立轴式钻机 机械钻速 (m/h) 1.3 1.1 回次长度 (m) 2.8 2.5 起钻间隔 (m) 30 27 起下钻速度 (m/h) 170 510 钻进总时间 (h) 769 909 起下钻总时间 (h) 208 74 捞岩心总时间 (h) 175 196 额外倒杆总时间 (h) 0 133 钻进施工时间 (h) 1152 1313 为了能够准确的将两种类型的钻机的施工时间进行准确的比较， 让两类钻机分别在 软硬不同的地质层进行 2000 以下钻进，在不同的深度分别统计两类钻机施工的时间， 其施工时间统计结果分别列于表 2-4 和表 2-5。 表 2-4 两种钻机在软岩中施工不同深度所需钻孔时间比较 钻孔深度（m） 钻进施工时间（h） 动力头钻机比立轴式钻机节 成都理工大学毕业设计（论文） 9 动力头钻机 立轴式钻机 省时间 500 382 492 28.7% 1000 857 1042 21.6% 1500 1421 1657 16.6% 2000 2079 2326 11.9% 表 2-5 两种钻机在硬岩中施工不同深度所需钻孔时间比较 钻孔深度（m） 钻进施工时间（h） 动力头钻机比立轴式钻机节 省时间 动力头钻机 立轴式钻机 500 510 620 21.7% 1000 1152 1313 13.8% 1500 1916 2082 8.7% 2000 2825 2919 3.3% （1）从上述数据表明，在对软地质层进行钻进时，无论是立轴式液压钻机还是全 液压动力头钻机，钻进施工时间都比较长，相比立轴式液压钻机，全液压动力头钻机依 旧具有绝对的优势。 （2） 从上表中数据可以看出， 钻进 2000m 以内的孔， 无论地质层的软硬程度如何， 在钻进相同深度的条件下，动力头钻机钻孔的施工时间总是比立轴式钻机要少，在高节 奏高效率的发展时代具有绝对的优势。在较软的地质层钻进时，由于动力头钻机的给进 行程比立轴式钻机的给进行程长，无须经常起拔钻杆，岩心被破坏的几率也比立轴式钻 机要小很多，加工所需的辅助时间也就更加少，动力头钻机节省时间要更多一些，而且 可以延长钻头的使用寿命。 上述的对比之中， 只是针对两个钻机进行钻孔时所需的时间进行对比， 在钻孔深度 2000m 以内的孔，全液压动力头钻机具有绝对的优势，钻进工时短，可以节约人力资源 和成本，既经济又可靠。 2.1.2 施工质量对比 动力头钻机给进行程长，而立轴式钻机相对较短，在一个回次中倒杆往往要比动力 成都理工大学毕业设计（论文） 10 头钻机多好几次。重复多次的倒杆可能会造成岩心的断裂，导致岩心被堵塞，使后续的 钻进受阻，生产效率也会因此受到影响。如果是在软地质层进行钻进，由于较软的地质 层结构本身不稳定，重复次的倒杆加速了岩心的碎裂，不仅生产效率低，出现故障的几 率也更大。由于这个原因，动力头回转式钻机无论是在岩心采取或者钻孔质量上都要比 立轴式钻机有更明显的优势。同时，动力头钻机施工时的长给进行程会使施工过程更加 平稳，对于改善施工过程以便达到更高的标准提供了技术保障。 2.1.3 施工成本对比 钻机的施工成本不能仅仅从购置成本来考虑，还要充分考虑施工效率和重置成本。 动力头钻机的购置成本虽然比立轴式钻机要高许多，但由于施工效率更高，在购置相同 时间后，所产生的经济效益比立轴式钻机要高很多，从另一方面说，经济收益的增高也 就使得成本有所降低，而且当产品寿命达到使用期限时，设备的折旧费也要高很多。从 长远的角度来看，全液压动力头钻机的施工成本还是明显低于立轴式钻机的，而收益却 要高很多。长给进行程不仅带来施工效率的提升，也使得钻头的使用寿命延长，维护和 保养消耗的成本也更加低。 2.1.4 钻机适应性对比 为了能使钻机的利用率达到更高， 一般对于一台钻机， 我们往往希望它能实现更多 的功能或者说是能够满足不同的钻进工艺性等。然而，不同的钻机工艺，对钻机的速度 的要求也就不一样，因此，能够实现无极调速的钻机的势必会更加容易获得各煤矿开采 企业的青睐。在相同的工艺条件下，动力头钻机的转速范围更大，可以根据不同的地质 层即时调整钻机的转速，采用全液压控制方式，可以进行无极调速，适应能力比立轴式 钻机要强很多。动力头钻机无需钻塔，施工前无须针对钻进场地进行特殊布置，动力头 钻机的机架可调节倾角，以便适应能施工不同倾角的钻孔。 2.2 钻机发展方向 从上述比较结果来看， 全液压动力头钻机无论在施工效率、 施工质量还是钻进工艺 的适应性等各方面都更胜于立轴式钻机。 尽管现在我国全液压动力头钻机的研究还处于 初级阶段，但随着科学技术的不断发展，工业基础水平也在不断提高，液压元件的制作 成都理工大学毕业设计（论文） 11 成本会逐渐下降，全液压动力头钻机的制造成本也就相应下降，而制造的精度越来越高 的同时也会为全液压动力头钻机带来更加广阔的发展前景。 全液压动力头钻机由于施工 效率高、施工质量好、事故率低、钻机适应性强和轻便等特点，会使得全液压动力头钻 机比立轴式钻机的优势更加突出 6。随着可编程序控制器（PLC）在液压领域的进一步 使用，自动化的趋势将会更加明显，可编程序控制器控制的全液压动力头钻机将是未来 一段时间的主要发展趋势。 成都理工大学毕业设计（论文） 12 第 3 章 全液压动力头钻机基本结构简介 全液压动力头钻机在未来具有很大的前景，是我国钻机开发和研制的主要发展方 向，了解一台动力头钻机的基本结构对于未来进行创新和改造有着重要的意义。基于 实验室已有的液压动力头钻机，对其基本结构进行简单介绍。ZDY540型煤矿用钻机是 动力头式全液压钻机，它的主要用途是用来针对煤矿井下施工时所需的注水孔、地质 勘探孔以及其他工程孔的钻进，它还有一个更为重要的用途，就是对于煤矿施工时瓦 斯抽放孔的钻进，偶尔也可用它来钻进一些地表用于勘探的孔或者工程孔。这台钻机 可以用于一般硬质合金的取芯钻进，还可以利用冲击器进行冲击回转钻进，能够适用 于不同的钻进工艺，拥有超强的钻进工艺适应能力。 3.1 主机 主机由回转器、给进装置、夹持器及机架组成7。 3.1.1 动力头部分 回转器部分和卡盘部分以及连接它们的连接器部分统称为动力头部分（结构简 1回转器 2给进装置 3夹持器 4机架 图 3-1 液压钻机主机 成都理工大学毕业设计（论文） 13 图如图3-2所示），动力头部分是液压动力头钻机最为主要的部分，是产生回转运动和 传递轴向给进的主要部分，工作能力的大小、效率和稳定性都将直接影响到钻机的工 作性能。 ZDY540型全液压动力头钻机的回转器由摆线油马达、变速箱组成。变速箱由二 组直齿轮组成一级传动副，回转传动经变速后进行输出，可以2档变速，其变速比分别 是1.6和3.43。摆线油马达通过带动花键轴上的双联齿轮来变换双联齿轮与主轴上齿轮 的啮合位置，可以让主轴获得两级转速范围；主轴采用空心结构，钻杆可从中穿过； 回转器安装在给进装置的拖板上，借助单油缸的直推作用，可以沿机身导轨往复移动 8。 液压卡盘位于动力头的前端，一般由夹紧元件、中间传力机构和夹紧动力装置 等组成，是其核心组成部分。件其功能是向钻杆提供导向和进行上、下钻杆操作时夹 持穿过主轴中的钻杆，使动力头带动钻杆一起转动，达到传递转速、转矩的目的。它 1马达 2主轴 3齿轮 4轴承 5箱体 6油缸 7蝶簧 8卡瓦套 9卡盘外套 10卡瓦 11防尘罩 12圆螺母 图 2-2 动力头结构简图 成都理工大学毕业设计（论文） 14 的工作条件最为恶劣，它不仅要夹紧钻杆，还要把来自于回转器的回转运动和来自于 给进机构的给进传递给钻杆，使钻杆可以破碎土层和在孔内轴向运动，所以既要承受 轴向载荷也要承受回转转矩。 卡盘夹紧元件作用是径向夹紧钻杆，有卡瓦式和柱销式两种，本钻机采用的是常见 的卡瓦式；中间传力机构作用是改变力的大小和方向的机构，它将轴向运动转换成径向 运动也可以将其他的力转换为加紧力，有时候错用的某些传动机构还具有增力作用；夹 紧动力装置是产生卡盘轴向运动或者力的机构，可以分为机械式和液压式两类，这里采 用液压式910 液压卡盘按初始状态分为常开式和常闭式两大类，常开式即不通入液压油时，卡盘 是松开的，通入液压油后，卡盘动作夹紧钻杆；常闭式即没有通入液压油时卡盘通过其 他的外作用力，如弹簧力夹紧闭合，通入液压由后利用油的压力使两端弹簧压缩，卡盘 松开。根据市场需求和液压钻机的性能需求，本钻机采用的是常开式液压卡盘。常开式 液压卡盘分为全液压卡盘和胶桶式液压卡盘12。全液压卡盘是指卡盘的夹紧和松开都 利于液压油的压力作用，卡盘自然状态也是松开的，故属于常开式液压卡盘。活塞与卡 盘外壳之间有 2 个密封空间 A 和 B，通入液压油时活塞能够在轴向上往复运动，这样 会使卡瓦在径向夹紧或者松开钻杆。这种结构类似于液压油缸，原理和组成都很简单， 可以承受较大的液压油压力，故可以产生较大的夹紧力，并且径向移动距离可以通过改 变密封空间的大小来调节，适用范围较大。但是因为它的所有动作都必须依靠液压油压 力， 如果液压系统漏油或者损坏停止工作， 并没有安全保护措施阻止钻杆的非施工动作， 可能造成事故。并且油缸外置，整个结构的径向尺寸较大，在回转时可能面临更多动不 平衡问题。 胶筒式液压卡盘是较为新型常开式液压卡盘， 该液压卡盘利用胶筒的伸缩性， 在通油和不通油时位置差异来夹紧或者松开卡盘。这类型液压钻机卡盘由后端盖、卡盘 外壳、胶筒、卡瓦、蝶形弹簧组、前端盖等组成，基本结构图如图 2-3 所示。进油时， 液压油经卡盘后端盖上孔组进入胶筒外侧的密封腔中， 液压油压力作用胶筒使其向下膨 胀，弹簧由自然状态被压缩，同时迫使卡瓦组轴心移动，从而夹紧钻杆；回油时，弹簧 复位，使卡瓦组径向远离孔口中心， ，卡盘松开。胶筒式液压卡盘加紧力和胶筒的面积 大小是分不开的，胶筒表面积越大，胶筒表面受到的液压力也就越大，加紧力就越大， 成都理工大学毕业设计（论文） 15 但是由于这种类型的卡盘对密封性要求较高，液压油压力过大时，漏油的现象也就很容 易发生。 3.1.2 给进装置 给进装置由机身、 给进油缸及拖板等部件组成12。 液压钻机的机身用槽钢焊接成矩 形壳体，在上方铺上导轨，将油缸安装在壳体中央，让壳体的端部与油缸的尾端连接在 一起，油缸活塞杆则通过铰支座与拖板相连，拖板和导轨间则采用卡槽式相连的方式， 这样活塞杆的伸缩运动也就使得拖板可以沿机身导轨往复移动。 拖板与回转器之间一边 以销轴连接在一起，另一边则用铰接螺栓将回转器固定在拖板上。通过粗径钻具时，可 以将连接回转器和托板的铰接螺母松开，让回转器翻向销轴一侧，将孔口退让开。给进 1卡瓦 2传拉盘 3后盖 4端压环 5卡盘体 6支承环 7胶筒 8前盖 9 传扭盘 10弹簧 11前压盖 12滑板 图 2-3 胶筒式液压卡盘结构图 成都理工大学毕业设计（论文） 16 装置整体则用锁紧轴瓦将其固定在机架的前、后横梁上，使结构更加紧凑。 3.1.3 夹持器 夹持器也是液压钻机的重要组成部件。夹持器通过螺栓整体固定在钻机机架的前 端，在钻孔施工过程中上下钻杆时用它来夹紧钻杆，并且当钻机在钻进时，可以对钻 杆起一定的导向作用。在钻机钻进结束，起拔结束后，机器停机需要将钻杆拧卸时， 它可以与动力头相互配合进行机械式拧卸钻杆。夹持器由外壳、卡瓦座、卡瓦组、夹 持器轴、碟形弹簧组、销轴等零件组成。和液压卡盘相似，通过粗径钻具时，拔下夹 持器销轴，让夹持器向侧向翻转。和卡盘不同的是，夹持器中有两根插杆，如果要通 过粗径钻具，可以将插杆抽出，取出卡瓦，使夹持器通孔扩大。夹持器通常采用浮动 复合常闭式结构，既简单实用，又让其灵活可靠，可左右浮动以减少钻孔跑偏后卡 瓦和钻杆之间的相互过度磨损，提高钻机的适应性和卡瓦的使用寿命13。 3.1.4 机架 钻机机架由立柱、支撑杆、立柱横梁、支撑杆横梁、加长杆、爬履式底座等组 成。它用于将动力头钻机固定，通过改变前、后横梁在立柱和支撑杆上的位置，就能 够根据不同的钻进条件来调整主机机身的倾角，使钻机的适应性更强。 1卡瓦座 2卡瓦挡盖 3卡瓦 4夹持器壳体 5密封圈 6活塞 7端盖 图 2-4液压钻机夹持器结构简图 成都理工大学毕业设计（论文） 17 3.2 泵站 液压泵站是一个液压系统的重要部件，是各种元、附件组合而成的整体，作为液压 系统的动力源，不仅要为整个液压系统存放一定清洁度的工作介质，同时还需要输出一 定压力、流量的液体动力的装置14。液压泵站通常由液压泵组、油箱组件、控温组件和 过滤器组件等几个部分组成，每个部分各有各的作用。液压泵组由液压泵、原动机（通 常情况下使用的是电动机） 、联轴器组成，油箱组件包括油箱、液位计、通气过滤器和 放油塞等；为了能够保证液压系统始终在良好的环境下运行，还需要用控温组件来控制 油箱中油液的温度，控温组件由温度计、加热器、冷却器组成，现在相对先进的控温组 件中还包括有温度传感器，能够实时监测并控制油温；液压系统中油液的清洁度会影响 到液压元件和控制阀，通过安装各种过滤器，可以分离油液中的固体颗粒、防治堵塞小 截面通道，保证油液的清洁度，如: 吸油滤油器、回油滤油器、空气滤清器等。 3.3 操作台 钻机的核心设计是液压系统， 无论以前八九十年代的液压钻机还是现在的新型钻机， 都离不开控制中心， 这个控制中心就是由多个液压控制阀、 压力表及部件组成的操作台。 1电动机 2联轴器 3液压泵 4冷却器 图 2-5 液压泵站简图 成都理工大学毕业设计（论文） 18 操纵台上通常设有控制马达回转、起下钻、卡盘夹持器夹紧和松开等多个操作手把，为 了让系统的压力稳定， 还要有调节压力的手轮， 为了能对液压钻机的状态进行实时监测， 也还需要回油压力表、泵系统压力表、给进压力表等多块压力表。油管选用密封可靠， 装拆方便的油管，可防止油液漏失及脏物进入液压系统。各操纵手把的操作方法和功能 也应改在操作面板上表示出来。 3.4 ZDY540 型全液压钻机的结构特点 (1)主机、泵站、操纵台 3 大主要部分组成的全液压钻机，可以根据不同施工场景 进行拆解，同时由于各部分之间的重量和体积也不是太大，搬迁方便，对钻机场地的布 置也就更加灵活。 (2)液压自动拧卸钻具， 无需手工拆卸， 在大量使工人劳动强度降低的同时也使得工 作效率大大提升。 (3)钻机能够进行无级调速，简化传动部分不仅减轻了传动部分的体积和重量还可 让钻机的转速和扭矩在大范围内调整，使钻机对不同钻进工艺的适应能力得到改善。 (4)夹持器为常闭式结构， 可有效防止施工过程中跑钻现象的发生， 满足大角度倾斜 孔施工需要15。 (5)通过操作台集中操纵， 可以使操纵人员远离孔口一定距离， 避免因偶然失误而造 成的危险和伤害，确保人身安全。 (6)采用通孔式结构的回转器， 钻杆长度不再受到钻机给进行程的限制， 因此在合适 的情况下可以使用较长的钻杆，以减少上钻杆的时间。 (7) ZDY540 钻机的设计采用通用性强的液压元件，使得钻机在出现故障时也能更 加方便的进行维护和修理。 成都理工大学毕业设计（论文） 19 第 4 章 ZDY540 全液压钻机液压系统设计 4.1 ZDY540 全液压钻机主要参数 根据相关市场调研以及能力范围， 只能对实验室已有动力头钻机进行相关分析和系 统设计，其主要技术参数如表 3-1 所示。 表 3-1 ZDY540 全液压动力头钻机主要参数 4.2 给进液压系统的工况分析 ZDY540 钻机的液压系统需要执行三个基本功能， 分别是回转、 给进和夹持功能。 在钻机系统的设计过程中，每执行一个功能都应该有一个相应的执行元件，因此这三个 功能就分别由三个液压执行元件来完成。 这三个执行元件分别是液压马达和给进油缸和 卡盘夹持器，液压马达提供回转部分的转速和转矩，给进液压油缸为钻机提供给进力和 起拔钻具所需的起拔力，卡盘夹持器用于夹紧或松开钻杆，两者相互配合还可以自动拧 卸钻杆16。 动力分析： 在钻机的运行当中，给进油缸的负载力处于变动状态，以下则针对给进油缸进行动 力分析，液压缸在快速进、退阶段，启动时，给进油缸的外负载是导轨静摩擦力，在加 速过程中的外负载是导轨动摩擦力和惯性力，恒速运动是动摩擦力，在钻进阶段，外负 载是工作负载也就是钻进阻力和动摩擦阻力。起拔阶段时，外负载是起拔阻力和动摩擦 阻力。 静摩擦负载 回转参数 给进参数 使用范围 转速范围 低速档：1070r/min 高速档：10150r/min 给进/起拔行程：500mm 进给力：12kN 给进速度：00.40m/s 起拔力：18kN 起拔速度：00.28m/s 钻孔深度：75m 开孔直径：91mm 终孔直径：75mm 钻杆直径：42mm 最大扭矩：540 主轴内经：45mm 成都理工大学毕业设计（论文） 20 = ( + ) = 0.2 (3200 + 0) = 640 (4-1) 动摩擦负载 = ( + ) = 0.1 (3200 + 0) = 320 (4-2) 惯性负载 = = 3200 9.8 1