（机械设计及理论专业论文）管棚支护台车钻机动力头及其液压驱动系统动力学研究.pdf

摘要 摘要 当前，在隧道开挖通过软弱破碎岩体等不良地质条件时，管棚支 护法是应用非常普遍的一种超前支护方法。但是，目前国内还没有厂 家生产专用的管棚支护设备，绝大多数的管棚支护现场施工都是用替 代设备进行，施工效率低、安全性差，而从国外进口的专用管棚支护 设备的价格又非常昂贵。正是在这种背景下，本文开展了对管棚支护 台车的研究。 在管棚支护所钻岩石的力学性质基础上，对管棚支护钻孔所采用 p d c 钻头和回转冲击的钻进方式进行了比较分析。在分析p d c 钻头 刃具的回转冲击钻孔的岩石破碎机理的基础上，对管棚支护台车的钻 机动力头进行了设计。文章在分析管棚支护的钻孔钻头与岩层之间的 干摩擦产生自激振动的基础上，建立了下部钻具组合( 钻柱) 的振动 数学模型，并对其动态特性进行了分析。钻柱将其扭转振动传至钻机 动力头，引起动力头齿轮传动系统的非线性振动。在非线性外部激励 的条件下，建立了钻机动力头齿轮传动系统的扭转振动非线性动态数 学模型，并对其动态特性进行了仿真研究。针对液压系统中非线性因 素比较多的情况，运用功率键合图方法，建立了钻机动力头液压驱动 系统的动态非线性数学模型，并对钻机动力头液压驱动系统的动态特 性进行了仿真研究和实验研究。通过实验测试表明，实验结果与仿真 结果吻合较好，达到预期目的。 以上的综合研究，形成了一个比较完备的钻机动力头动态特性的 研究体系。因此，文章具有一定理论意义和工程实用价值。 关键词管棚支护台车，钻机动力头，动力学，液压驱动系统，功率 键合图，仿真 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，p i p er o o fm e t h o di sw i d e l yu s e di nf o r e p o l i n gm e t h o d s w h e nt u n n e l sa r ee x c a v a t e di na r e a so fw e e ko rd i f f i c u l tg r o u n d b u tt h e r e i sn os p e c i a l f a c i l i t yp r o v i d e dp r e s e n t l ya th o m e i nm o s tt u n n e l s ， s u b s t i t u t ee q u i p m e n ti su s e d ，w h i c hi si n s e c u r i t ya n di n e f f i c i e n t y e tt h e f a c i l i t yi m p o r t e di sv e r ye x p e n s i v e a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e r h a sb e g u nt h es t u d yo n f o r p o l i n gr i g b a s e do nc e r t a i nm e c h a n i c a lq u a l i t yo ft h er o c k ，t h ea n a l y s i so nt h e p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t s ( p d c ) b i ta n dt h er o t a r yp e r c u s s i v e d r i l l i n gi sc a r r i e do u t a f t e ra n a l y z i n gt h ef r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mo f r o c ki nr o t a r yp e r c u s s i v ed r i l l i n g ，t h ed e s i g n i n go fd r i l lp o w e rp a c ko f f o r e p o l i n gr i g i s s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs e l f - e x c i t a t e d v i b r a t i o nt h a tp r o d u c e db yt h ed r yf r i c t i o nb e t w e e nt h ed r i l lb i to f p i p e r o o f i n ga n dt e r r a n e ，av i b r a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb o t t o mh o l e a s s e m b l y ( b h a ) h a sb e e nc o n s t r u c t e d ，a n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci s a n a l y z e d t h eb h a t r a n s m i t si t st o r s i o n a lv i b r a t i o nt ot h eg e a rs y s t e mo f d r i l l p o w e rp a c ka n db r i n g sa b o u tn o n l i n e a rv i b r a t i o n b a s e do nt h e n o n l i n e a re x t e r i o re x c i t a t i o n ，an o n l i n e a rd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo n t h eg e a rs y s t e mo fd r i l lp o w e rp a c ki se s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o no f i t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i sl a u n c h e d b e c a u s eo fn o n l i n e a rf a c t o r si n h y d r a u l i cs y s t e m ，ad y n a m i cn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h e h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mo fd r i l lp o w e rp a c ki se s t a b l i s h e db yu s i n g p o w e rb o n dg r a p h ，a n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a sb e e nr e s e a r c h e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tt e s ts h o w st h a tt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ta n ds i m u l a t i o nr e s u l ta r eb a s i c a l l yi d e n t i c a l ，a n dt h e e x p e r i m e n ta c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e t h es y n t h e t i c a ls t u d yp r e s e n t e da b o v ee s t a b l i s h e das e l f - c o n t a i n e d r e s e a r c hs y s t e mo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lp o w e r p a c ki nt h i s p a p e r w h i c hi sp r o v i d e dw i t hs o m et h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l e n g i n e e r i n g - o r i e n t e dv a l u e k e yw o r d s ：f o r e p o l i n gr i g ，d r i l lp o w e rp a c k ，d y n a m i c s ，h y d r a u l i c d r i v i n gs y s t e m ，p o w e rb o n dg r a p h ，s i m u l a t i o n i i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 进入2 l 世纪，随着科技、经济的不断发展，当今世界铁路、公路和水电站 等山岭隧道及地下隧道工程的发展进入了一个新的时期，这不仅表现在隧道数量 的增加和隧道长度的增长上，还突出地表现在施工技术的突破上。大量的工程实 践促进了隧道施工技术的进步，与此同时岩体力学的迅速发展，导致了现代隧道 支护理论的建立，并在此基础上出现了新奥法、挪威法及浅埋暗挖法等更加有效 的隧道施工方法。掘进机和盾构等用现代技术装备起来的新型隧道施工设备能够 适应从坚硬岩层到软弱含水地层的各种施工条件，其可靠性、耐用性以及高效性， 使其在隧道施工中得到日益广泛的应用，这为长大隧道工程的发展和地下空间的 开发利用奠定了基础【1 】【2 】 3 1 14 1 。 在大规模的工程施工建设中，人们普遍认识到，隧道施工的核心都归结为开 挖和支护两个关键问题。也就是如何开挖，才能更有利于隧道洞室的稳定和便于 支护：如果需要支护，又如何支护才能更有效的保证隧道洞室的稳定和便于开挖。 这是隧道施工中的两个相互促进又相互制约的问题【4 】。 本文正是在隧道支护的要求下展开研究。 1 1 管棚支护法和管棚支护台车简介 1 11 管棚支护法 在松散富水、软弱破碎围岩地段的隧道开挖过程中，由于围岩自稳能力较差， 开挖后早期变形快，往往来不及支护即发生坍塌。因此，在隧道开挖之前应采取 必要的措施加固围岩，保证隧道开挖后围岩和支护的稳定，使工程进展顺利，确 保施工安全。 隧道超前支护，就是指隧道在开挖前，在隧道开挖面内，沿隧道纵向预先设 于隧道开挖轮廓线以外一定范围内的支护，是隧道施工中的一种有效的辅助施工 措施【2 】i ”。目前，隧道超前支护主要有超前锚杆支护、水平旋喷注浆支护、管棚 支护以及预衬砌支护等多种方法，这几种超前支护方法彼此有区别，又相互联系， 有时在隧道开挖中这其中的几种方法可以一起使用或交替使用，共同形成隧道支 护系统。 管棚支护法作为隧道开挖通过软弱破碎岩体等不良地质条件时的一种隧道 超前支护，是在上世纪的八十年代首先应用于意大利的隧道工程，作为隧道施工 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中的一种主要辅助施工方法f 4 】。目前已广泛应用于欧美各国及日本和台湾等其他 地区的隧道和地下工程。由于其施工快、安全性高、工期短等特点，在软弱围岩 隧道施中发挥着重要的作用【5 j 。 一、基本原理 管棚支护基本原理是，在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓线外缘，每隔一定距 离用专用设备以较小的外插角度钻孔，将加工好的钢花管打入已钻好的孔中，沿 隧道开挖轮廓线外排列形成钢管棚，并将钢管在端部横向连接。再向管内注浆以 提高钢管强度，也充填钢管与孔壁之间的间隙，使管棚与围岩固结紧密，以此来 形成对开挖面前方围岩的超前支护。 隧道开挖后，钢管沿隧道开挖方向留一定的搭接长度，再开始下一组管棚支 护，如此循环【4 j 【5 j 。 从图1 1 中可看到，在隧道开挖前，钢花管已经被打入钻好的孔中。 图i - i 隧道开挖前的管棚图 隧道开挖后，钢管管棚留在岩层中，与注浆一起形成隧道管棚支护。从图 1 2 可以看出隧道管棚支护的整体效果。 图1 - 2 管棚支护的整体效果图 二、性能特点和使用条件 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 管棚支护因采用钢管作纵向预支撑，又采用钢供架作环向支撑，其整体刚度 大，对围岩变形的限制能力强，且能提前承受早期围岩压力。因此，管棚支护主 要适用于围岩压力来得快来得大，对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软 弱破碎围岩隧道工程，如土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育 的岩体、断裂破碎带和浅理有显著偏压等围岩的隧道中。 三、设计施工要点 ( 1 ) 管棚设计的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长 度不宜小于l o m ，一般为1 0 4 5 m ；管径7 0 1 8 0 n u n ，i l 径比管径大2 0 3 0 m m ，环 向间距o 2 0 8 m ；外插角1 。2 。；两组管棚间的搭接长度不小于1 5 m 。 ( 2 ) 钢供架应安装稳固，钢管应穿过钢供架；钻孑l 方向应用测斜仪检查控制， 钢管不得侵入隧道开挖轮廓线。 ( 3 ) 第一节钢管要加工成锥尖状，以利于导向插入。要钻一i l ，装一管。 ( 4 ) 钻孔时若出现卡钻或塌孔，应注浆后再钻孔。 隧道支护由于是一个复杂的动态系统工程，通常在隧道施工进程中，要根 据地质条件的不断变化，而采用的各种不同的施工方法和技术，以适应这种不断 变化的过程。所以，管棚支护法也通常和其他的隧道支护方法一起，共同组成隧 道支护系统【5 1 | 6 1 1 孔。 1 1 2 管棚支护台车 管棚支护台车( 也称管棚钻机) ，正是在隧道管棚支护的要求下发展起来的 一神强力式超前支护设备，是管棚支护旌工技术中最关键的设备，它的作用是在 隧道开挖前，沿着隧道断面外轮廓以一定的外插角超前钻孔并安设管棚，其施工 图如图1 3 所示。 图1 - 3 管棚支护台车施工图 中南大学硕士学位论文 帮一章绪论 为了对管棚支护台车有更深入的了解，下面对管棚支护台车的主要部件的功 能和特点作进一步的说明。 按照图卜3 中的台车旋工图，再结合课题的研究，我们制定出管棚支护台车 总体结构图，如图卜4 所示。 从图卜4 中可看出，管棚支护台车主要由钻机动力头、桅杆( 也称推进器) 、 夹持器、变幅机构、动力站、底盘和支腿机构等几大部件组成。 ( a ) 正视图 ( b ) 右视图 图t - 4 管棚支护台车总体结构图 一、钻机动力头 钻机动力头是整个台车的核心部件，是钻机工作的动力源，其主要功能就是 将回转钻进所需的扭矩和转速传给转具，驱动转具回转运动。此外，还和夹持器 配合，完成钻杆的拧卸工作。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 钻机动力头通常由马达或电机驱动，再通过齿轮箱减速，并达到增大输出扭 矩的目的。 本文将在第二章中对钻机动力头进行详细的分析和研究。 二、桅杆 桅杆俗称推进器，是使钻机动力头向前推进和向后回拖的机构，并保证以适 当的速度和轴向推力或拉拔力使钻孔工作顺利进行。推进器的轴向推力的大小， 及推进速度的快慢应能根据地质条件的变化可任意调节，使钻机动力头在最优轴 向推力下工作：同时拉拔力应能满足拔管或钻头的需要。 常用的推进器有马达丝杆式、马达链条式、油缸钢丝绳式和油缸链条式等推 进方式。 三、夹持器 夹持器是在钻孔过程中更换钻杆时旋紧和旋开管子或钻杆的机构。通常夹持 器采用两对夹紧用油缸和一个旋转用油缸，以实现钻具的拧紧和旋开。 四、变幅机构 变幅机构是保证钻孔位置及支护仰角大小，即保证钻孔施工半径范围的机 构。对其主要功能有：能绕支点旋转、支臂可伸缩、能实现仰角调整、定位准确， 并具有较大的强度与刚度以满足钻机动力头推进力和大扭矩的要求。 在管棚支护台车中，变幅机构通常和桅杆一起组成门架式结构，其工作原理 是：两个举臂油缸实现大臂伸缩，举臂油缸焊接到两个大齿轮盘上，齿轮盘的转 动带动大臂的转动。桅杆与油缸举臂采用铰接形式连接，以实现工作偏角的要求。 在桅杆和举臂油缸的连接处安装一补偿油缸，以实现桅杆推进力的补偿。 门架式结构具有钻进效率高、深孔钻进精度高、结构简单、受力均匀等优点。 五、底盘 管棚支护台车的底盘由钢板焊接而成，和行走机构一起，共同作为整个台车 的支架。 底盘的履带行走机构由“四轮一带”( 即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、 以及履带) 、张紧装置、缓冲弹簧、行走机构和行走架等组成。履带的传动由低 转速大扭矩的柱塞式液压马达，通过多级正齿轮减速箱实现。履带的制动由液压 马达和制动器操纵杆连锁的液压控制系统来实现。 履带式底盘，结构简单，体积小，操作方便，安全可靠，易于维修。爬坡和 工作时，台车整机稳定性好。 六、其他 管棚支护台车动力源可采用柴油机、电动机和柴油机加电动机双动力组合等 三种方式。 支腿机构由四个分开的支腿组成，支腿可单独动作，也可联动。支腿撑开支 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 撑地面时，既可增强台车工作时的整机稳定性，又可使台车机体离地做水平旋转 运动，以利于台车工作位置的调整。 从以上管棚支护台车的结构分析可知，管棚支护台车的结构除有一般钻机的 特点外，还有以下基本特点【1 0 1 ： f 1 ) 钻机动力头在桅架上的行程长，能满足一个隧道开挖循环的要求。钻机 动力头能实现多功能钻进，可满足复杂地层钻进要求。 ( 2 ) 钻孔位置的确定采用了不同的定位机构，一种是直角坐标定位方式，另 一种是极坐标定位方式。定位机构为连杆机构和摇臂机构，摇臂机构又分为单摇 臂机构和双摇臂机构。设有固定导向器及中间滑动导向器，使钻杆准确定位。 ( 3 ) 双摇臂机构的钻机，分别由两套独立的动力源( 电动机或柴油机) 来驱动。 如果双摇臂中的一个摇臂暂时用不上，可担当辅助工作，用来搬运钻杆、套管或 其它辅助工具。 ( 4 ) 前后共有四个液压支腿油缸，可增加钻机的稳定性和定位性能。 f 5 ) 装有高效的消音系统和废气净化装置。 ( 6 ) 整机履带装载，机动性能好。 1 2 管棚支护台车的发展及研究概况 1 2 1 国内外管棚支护台车的产生背景 管棚支护台车的出现，是缘于目前使用最广泛的回转器式钻机，而钻机的发 展历程，最早要追溯到2 2 0 0 多年前我国的秦代，据古书川盐既要记载，我 国早在秦代就已开始利用钻探技术凿井取盐。后来钻探技术流传到欧美国家，特 别是近代，钻探技术在欧美取得迅速发展。 早期的钻机是由人力驱动的简单冲击式机械，这种钻机作为当时唯一的钻探 机械，在世界上一直沿用了相当长的历史时期。随着社会生产的不断发展，这种 钻机己不能适应要求。 在1 9 世纪的6 0 年代，生活在法国巴黎的一位瑞士工程师j r 里舒特和他 的助手皮埃特发明了金刚石钻头，并设计制造了世界上最早的回转式钻机，这标 志着钻机发展的新纪元。此后由于金刚石和硬质合金在钻探中的应用，推动了回 转式钻机的发展。 2 0 世纪中叶以后，现代液压技术的推广使用进一步促进了钻机的发展，并 由此产生了液压给进钻机。此后，液压技术及机械制造技术的不断发展，最终导 致移动回转器式( 俗称动力头式) 钻机的产生。这种钻机主要传动均为液压传动， 采用移动式回转器，能实现长行程进给，可实现无级调速，利用操作台可实现远 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 距离集中控制和操作【l o 】。 钻探技术虽然起源于我国，并在古代曾有过一段兴盛时期，但后来由于历经 封建宗法社会的漫长岁月，一直停滞不前。新中国成立后，我国的钻探机械制造 业从无到有、从小到大，逐步得到发展。 从上世纪5 0 年代引进钻机技术国产化开始，历经6 0 年代的自行研制，再到 7 0 年代以后取得蓬勃发展。现在，我国不仅可以生产许多种成套的钻机，而且 已形成具有我国特点的钻机系列。钻机产品的品种逐渐齐全，质量和性能不断提 高，某些产品已接近甚至达到国际先进水平m i 。这其中的典型代表有内蒙古赤峰 金刚石钻探设备有限公司制造的金星一9 0 0 0 全液压多功能工程钻机，该钻机适 用于复杂地层中各种双管屏蔽钻进和单管钻进，采用履带底盘装载，可进行全方 位钻7 l ，带液压冲击器的大扭矩双动力头，特别适用于各种岩土锚固工程，也可 用于隧道管棚支护施工。 目前，生产中常用的石油钻机、岩芯钻机、水文水井钻机、工程地质勘察钻 机、工程施工钻机等其他用途的钻机绝大多数都是移动回转器式钻机，管棚支护 台车也不例外。 在最早的管棚支护法施工中，采用的是普通水平钻机，由于管棚支护法的特 殊要求，以及该方法在隧道施工中的大量使用，迫切需要一种专用的设备来实现 隧道的超前支护，正是在这样的要求下，管棚支护台车便应运而生。 世界上最早推出管棚支护台车的是意大利的r o d l 0 公司，随后一些著名的 制造商，如意大利的c a s a g r a n d e 公司、s o i l m e c 公司、p u n t e 公司和美 国的i n g e r s o l l r a n d 公司等也相继推出了专用的管棚支护台车。目前，国 外管棚支护台车的主要生产厂家还有意大利的e g t 公司、c m v 公司、e n t e c o 公司，德国的e u r o d r i l l 公司、k r u p p 公司、k l e m m 公司，美国的c a s e 公司以及日本的k o k e n 公司等】。 管棚支护法虽然在国外应用已有2 0 多年的历史，而且也有许多制造商生产 出专用的管棚支护台车：国内在最近几年在隧道施工中也有许多应用管棚支护法 的实例，而且有文献【”】 1 4 】对管棚支护台车的研制进行过报道，但是我国目前尚 没有专业厂家生产管棚支护台车。 国内在实际的隧道施工中，有中铁十九局第三公司第一台引进由意大利 c a s a g r a n d e 公司生产的当今世界上最先进的p g l l 5 管棚支护台车，但由于 其价格昂贵，目前国内绝大多数施工现场主要使用改良的地质钻机、坑道钻机、 定( 导) 向钻机、水平钻机、夯管锤等设备作为管棚支护台车的替代设备进行施工。 1 2 2 管棚支护台车的发展趋势 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 伴随着国内外基础处理工程钻机的不断发展，目前管棚支护台车的发展呈现 以下趋势，如图1 5 所示： ( 1 ) 台车向大型化方向发展，主要表现在设备重量、整机功率配置和主执行 机构输出能力等方面日趋加大，这是适应工程难度加大、质量和效率要求提高的 必然结果。 但1 台车向机电液一体化方向发展，以载荷传感系统为依托，借助机载计算 机和屏幕显示系统，使操作、监测实现人机对话，提高了设备运行的可靠性和操 作的灵活性，为有效确保施工质量创造条件。 ( 3 ) 积木式组合设计( 或称模块式设计) 是当前管橱支护台车设计的显著特 征，主要表现在设备采用市场定型的通用性组件或元件，而且其专用执行机构均 以某种标准模块形式设计和组装，使其可以根据工程和客户需要进行互换和组 合。 ( c ) 单门架式( d ) 双门架式 园1 - 5 管橱支护台年发展趋势 ( 4 ) 底盘的全液压履带化转载模式已非常普遍，这可以有效降低整机重心， 减少设备的接地比压，从而提高设备在施工和运移过程中的稳定性。减少了对旋 工场地地面的预处理的要求，使管棚支护台车能够很好地适应施工过程中频繁移 动的要求。 中南大学硕：l ：学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 大扭矩液压顶驱动力头和伸缩式主动钻杆已成为当前管棚支护台车钻 机动力头的典型回转给迸机构。 ( 6 ) 动臂铰支多油缸升降式矩形断面箱形结构桅架是当前管棚支护台车的 典型支承结构。 ( 7 ) 钻具及附属装置配套完整，从而保证了设备性能的充分发挥和不同工艺 施工时的效率。 1 2 3 管棚支护台车的研究现状 目前，国内就管棚支护台车所做的研究，绝大多数都只是限于管棚支护的工 艺上，而对管棚支护台车本身所作的研究很少，即使有过研究，也只是停留在对 整车的设计上。 于鼎拯【l3 j 撰文指出，由铁道建筑研究设计院、铁道部第十_ - - x 程局和地矿部 无锡钻具厂共同研制的“c s g j 一9 6 型冲击式隧道管棚钻机及其施工技术”于1 9 9 5 年1 2 月在北京通过由铁道部科技司主持的鉴定。该管棚钻机采用偏心扩孔跟管 钻具，成功地解决了钻杆和套管同步跟进的问题，并对由8 9 的套管钻进2 1 m 深 的孔进行试验，结果表明，其原理可行、性能可靠、制造工艺符合要求，主要技 术指标基本达到预期目标。但至今在国内的市场上没有发现有该型号的管棚钻 机。 瓜景云【1 4 j 指出，其所在的铁道部武汉工程机械研究所根据铁道部下达的科技 发展计划，对轻型管棚钻机做出过研究，并对管棚钻机进行了设计。该研究所研 究的管棚钻机可以采用双管反螺旋法、套管螺旋法和正循环法等方法进行施工， 钻孔直径最大为1 5 0 m m ，钻7 l 最大深度为3 0 m ，采用前后式的组合动力头，最 大推进力为3 0 k n ，最大拉拔力为5 0 k n ， 9 3 0 0 m m 、正负摆角2 0 。、最大仰角1 5 。 可以用于最低孔位5 2 5 0 m m 、最高孔位 的隧道施工，该机采用积木式的联结方 式，非常方便拆卸和组合。但至今在国内的市场上也没有看到有厂家生产该研究 所所研制的管棚钻机。 就管棚支护台车本身在细节上所作的研究，国内外都鲜有文献进行过报道。 但有文献显示，有少许人对其他相似功能的钻机进行过研究。 袁光杰d 5 、殷朝阳【1 6 】、朱才朝【1 7 】等人分别对旋冲钻井中钻柱纵向振动、 偏心防斜钻具的静力学和动力学以及牙轮钻头纵向横向扭转振动等分别进行过 研究，并对下部钻具组合( 钻柱) 的扭转振动建立了相关数学模型。研究指出， 在钻进过程中，下部钻具组合( 钻柱) 将受到自重、钻压、扭矩、钻井液浮力和 阻尼、钻柱与井壁接触碰撞力及摩擦力等综合作用。在这些力中，有些力是随时 间变化的，如钻压、钻柱与井壁的碰撞力、偏心质量的离心力等，我们称之为干 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 扰力，在干扰力的作用下，钻柱不仅将产生纵向、横向、扭转振动，而且还可能 产生藕合振动。 a d b a t a k o f j 8 】1 2 0 】、r i l e i n e | 1 9 j 、e k a t e r i n ap a v l o v s k a i a l 2 1 】等人研究了钻井 过程中的冲击回转钻进，并建立了钻进系统的非线性动力学模型。指出，在钻进 过程中的钻头与岩层之间的干摩擦会导致钻头的粘一滑运动，即爬行，这种爬行 是一种自激振动。并且指出，这种自激振动在钻头的角速度超过- - l t a 界值后会消 失。在钻进系统中增加主动阻尼，通过反馈控制，可以有效地降低这一临界值， 所以可以延长钻头的非自激振动时间。 1 ，3 课题的来源、任务和意义 1 3 1 课题的来源 综上所述，国内就管棚支护台车虽然有近似功能钻机的研究，但是专用管棚 支护台车的研究几近空白，与发达国家相比大致有2 0 2 5 年的差距。 国内在实际的管棚支护的施工中，大都用替代设备进行，这需要在隧道开挖 面前方搭设支架，而且在支架范围内钻完孔后，支架又得重新搭设，这不仅影响 施工工期，影响钻孔精度，而且安全性差。大量的隧道施工，对于管棚支护台车 的需求显得非常迫切，但进口管棚支护台车的价格非常昂贵。正是由于以上原因， 中南大学机电工程学院与中铁二局集团就管棚支护台车的研制达成合作意向，所 以我们开展了对管棚支护台车的研究。 1 3 2 课题的任务 本文重点是对管棚支护台车的钻机动力头进行研究，因此要完成以下的主要 研究任务： 1 管棚支护地质条件下的钻孔机理分析 ( 1 ) 管棚支护钻进方法分析 ( 2 1 管棚支护钻孔钻具分析 ( 3 ) 管棚支护钻孔的岩石破碎机理分析 ( 4 ) 管棚支护台车钻机动力头的设计 2 管棚支护台车钻机动力头的动态特性研究 ( 1 ) 下部钻具组合动态特性的分析 ( 2 ) 钻机动力头齿轮传动系统的动态特性研究 3 钻机动力头液压系统的动态特性研究 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 液压系统的设计 ( 2 ) 液压系统的动态特性研究 4 实验研究 1 3 3 课题的研究意义 随着我国社会主义市场经济建设的迅猛发展，在现代铁路、交通工程施工中， 对工程质量、a t 速度要求越来越高：掘进设备的现代化程度和掘进速度越来越 快，也就对超前支护设备的要求也越来越高：国际上对我国出口的这类技术和设 备价格很高，而国内对此技术和设备需求量却很大。因此，管棚支护台车的研究 与开发，可以为提高我国隧道施工的装备水平做出贡献。 对管棚支护台车钻机动力头及其液压系统的动力学进行研究，可以为它们的 设计提供理论依据，从而为提高产品质量和缩短生产周期提供可靠保证。 中南大学硕士学位论文 第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 第二章管棚支护钻孑l 机理分析及钻机动力头的设计 管棚支护台车钻机动力头作为整个台车的核心部件，是实现管棚支护施工工 艺的关键设备，承担着隧道开挖前的钻孔和安设管棚的重要作用，其性能能否满 足管棚支护施工工艺的要求，是评价整个台车技术水平的关键指标，而且直接影 响施工效率和管棚支护施工工艺的实现。因此，本章将在分析管棚支护钻孔机理 的基础上对钻机动力头进行设计。 2 1 管棚支护钻孑l 方法分析 目前在钻探工程中广泛采用的钻进碎岩方法是机械式的破碎岩石方式口2 1 ，其 碎岩方式就是利用碎岩工具，并施加一定的外力作用在岩石上，使工具着力点处 的岩石被破碎下来，达到钻进目的。 为适应不同岩石的硬度，可采用相应的钻进方式。根据旋加外力的性质或方 式的不同，可把钻进方法分为：冲击钻进、回转钻进和冲击回转钻进等。下面简 单介绍这几种钻进方式的钻孔破碎岩石原理： 一、冲击钻进 在坚硬岩石上钻孔时，用冲击载荷破碎岩石是一种有效的方法。其钻孔方法 如图2 1 所示。 出错 图2 - i 冲击钻孔图 当具有一定质量的冲击锤以速度u 冲击钎子时，钎尾产生的压缩应力以波的 形式传播到楔形钎头，压应力波通过钎头作用在孔底岩石上面，使岩石破碎并形 成一条沟槽i i ，在冲击锤第二次冲击之前，将钎子转动一个角度b ，则第二 次冲击使岩石破碎的沟槽落在另一位置i i u 的上面。如此连续不断的冲击和转 动，并不断的排出岩屑，便可形成孔洞。 二、回转钻进 回转钻进的钻孔过程是钻头在一定的轴向压力作用下，连续旋转切削岩石， 中南大学硕：i ：学位论文第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 靠刃具的刃角从岩体的外层上剥离出岩块，切削刃具以螺旋线推进，并将破碎的 岩粉排出孔外，形成圆形孔洞。在软岩和中硬以下岩石中钻孔时，采用回转钻进 是非常有效的方法。 珏妊。鞴 ( a ) 块体崩裂( b ) 压八作用( c ) 压碎作用( d ) 块体崩裂 图2 - 2 回转钻进刃具切削岩石图 从图2 2 中可以看出，每次回转钻进破碎岩石过程都要经过从小碎块到大碎 块的过程。刃具切削岩石时，先挖下的是小碎快，施加的切削力也比较小，而且 在小碎块形成的瞬问，切削力会略有下降。随着切削力的增加，破碎分离出的岩 石块度亦相应地增大。经过两三次的破碎，最后崩离出大碎快。 三、冲击回转钻进 冲击回转钻进是冲击钻进和回转钻进相结合的一种方法，其主要特点是钻头 在静压作用下，由纵向冲击载荷和回转切削共同作用而破碎岩石。回转和冲击这 两种方法联合作用，相互补充，发挥出二者的各自优点。图2 3 是冲击回转钻进 刃具上各种不同的作用力。 i l 厂 薄鑫痧纛热丐离譬氍髫二 ( a ) 回转( b ) 冲击( c ) 冲击回转 图2 - 3 冲击回转钻进刃具碎岩图 从上图可以看出，在回转冲击钻进刃具上，轴向除静压力p 静作用外，还作 用由冲击力pm 在回转方向还作用有回转扭矩m 。即刃具除冲击破碎岩石外， 同时还有切削破碎岩石作用。所以冲击回转钻进的孔底破碎岩石，同时具有回转 钻进和冲击钻进两者的特征。在只用回转钻进无法顺利破碎岩石的情况下，再利 用冲击作用。可显著提高破碎岩石效果。 由于管棚支护钻孔的各工序无不与岩石性质密切相关，所以钻机动力头的设 计必须建立在一定岩石性质的基础上。 目前的钻孔方法多采用机械法破碎岩石，即利用不同的外加机械力，使岩石 中南大学硕士学位论文 第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 的一部分从整体上分离下来。因此，岩石的力学性质将是影响钻孔工艺的主要因 素。 如上一章中所述，管棚支护台车主要适用于围岩压力来得快来得大，对围岩 变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程。按照m m 普罗托 基雅科夫的岩石分级法【2 2 1 ，用岩石坚固性系数，即普氏系数值，来表示岩石的坚 固性程度，f 4 l i 可用下面的公式来定义： f ：旦 ( 2 1 ) 。 1 0 式中，p 岩石( 式样) 的单向极限抗压强度( m p a ) 。 由岩石分级【2 列可知，该类岩石的普氏系数值f 6 ，属于中等坚硬以下的岩 石。 根据一般钻孔机械的工作原理，此类岩石通常采用回转式钻机更能发挥设备 的效率，在回转钻进很难钻进的情况下，再利用冲击。 由岩石力学特性可知【2 2 】，岩石的破坏与外载荷的大小和作用速度有关，作用 时间较短的冲击载荷可以使岩石由塑性体变为脆性体，冲击作用时，冲击点的作 用力还来不及重新分配，应力便很快接近或超过岩石的强度极限，产生微裂隙。 同时岩石中裂隙进一步扩展，岩石整体强度降低，易形成体积破碎。 回转冲击钻进 2 司是近年来在冲击回转钻进的统称术语下，分离出的冲击回转 和回转冲击两个不同概念中的其中一个，只是其碎岩方法的主次不同而已。冲击 回转侧重于冲击，其破碎岩石的载荷由冲击引起，轴压力主要是用来克服钻具的 弹力，改善冲击能的传递。回转冲击则侧重于回转，就是把高频低能量的冲击载 荷，加在一般回转钻进的硬制合金钻头和金刚石钻头上。它主要应用于较小口径 钻具上，要求冲击器性能是高频、小冲击功。 回转冲击钻进过程中，钻头除冲击岩石外，还有切削破岩的作用，即旋转剪 切两次冲击间已经产生裂纹但还没有崩离的脊部，正是冲击破碎和旋转剪切两种 破岩方式的交互作用，以及静载和冲击载荷相结合的特点切实提高了钻进效率。 所以，管棚支护台车钻机动力头的工作方式确定为回转加冲击的钻孔方式。 2 2 管棚支护钻孔钻具分析 在初步了解常见机械式碎岩方式的原理后，我们将在分析切削刃具所用材质 的基础上，对钻孔方式进行进一步的分析研究，以最后确定管棚支护钻孔所用的 钻具。 按照破碎岩石的切屑研磨材质2 6 1 ，可把钻进方法分为：硬质合金钻进、金刚 石钻进和钻粒钻进等。以上的这几种钻进方法中，大体上又可以区分为取芯钻进 中南大学硕士学位论文第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 和非取芯钻进( 即全面钻进) 两类。取芯钻进是指在地质勘探中钻取岩芯的钻进 方法，而本文中的管棚支护钻进，跟取芯没有关系，所以我们只对全面钻进方法 进行分析。 一、硬质合会钻进 利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削刃具作为破碎岩石的工具，这种钻进方 法通称为硬质合金钻进。 硬质合金是2 0 世纪初期研制成功的一种坚硬材料，它具有很高的硬度和相 当大的强度，是一种很好的切削材料，因此最初多用于金属的切削加工。后来， 逐渐被应用于矿山开采，石油及地质勘探钻进等方面。 在实际使用中，硬质合金钻进只适用于软弱及中硬以下岩层，即1 7 级和部 分8 级的岩层钻进中。若在更为坚硬的岩层中钻进，则钻进效果很差，钻孔切削 刃具磨损很快而迅速失去钻进能力。当前，在软弱及中硬以下岩层中，硬质合金 钻进方法发挥着主要的钻进作用。 在矿山和地质勘探钻进中，所采用的硬质合金，主要是碳化钨( w c ) 钴( c o ) 系硬质合金。这类硬质合金称为y g 硬质合金，它以碳化钨粉末为骨架金属，钴 粉末为粘结剂，经粉末冶金方法压制烧结而成。一定形式的切削具镶焊在钻头体 上，可制成各种型式的硬质合金钻头。 硬质合金钻进同钻粒钻进相比，可以按任意倾角钻孔，在钻进中操作简单， 较容易保证钻孔质量，以及可以根据不同的岩层要求合理设计和选择钻头结构， 以获得良好的钻进性能。 目前在钻进中广泛运用的钨钴系硬质合金，虽然其强度、硬度和抗磨性均较 其他金属要高，但从钻进工作的要求来说，仍然有不足之处。尤其是钻进在研磨 性的、坚硬而致密的或富含硅质的岩层中时，仍有硬度不足和磨损较快、以及钻 速下降较快的缺点。 二、金刚石钻进 用镶嵌有细小金刚石的钻头钻进的方法称为金刚石钻进【“1 。 从1 6 8 2 年手镶天然金刚石钻头的发明以来，金刚石钻进至今已有一百多年 的发展历史。但是，直到上世纪中叶以后，随着液压技术的广泛应用，金刚石钻 进技术才得到较快的发展。我国金刚石钻进起步较晚，它出现与上世纪的6 0 年 代初期，但是发展很快，只用了不到4 0 年时间，就走完了国外一百多年的历史。 最早，人们只限于使用价格昂贵的大颗粒天然金刚石，采用精细的手工方式 把他们镶嵌在钻头体上，进行钻探。后来随着粉末冶金技术的发展，人们把较小 的天然金刚石镶焊于钻头端面，甚至用更小的金刚石混合在胎体内部，镶焊成孕 镶式金刚石钻头。后来，镶焊技术的发展大大扩展了金刚石钻头的品种，并促进 钻进技术的发展。目前，金刚石钻进已经成为在中硬岩层及硬岩中勘探钻进的主 中南大学硕士学位论文 第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 要手段。 金刚石大体上可分为天然金刚石和人造金刚石两类。用各种人造或天然金刚 石制作的钻头就统称为金刚石钻头，金刚石钻头的分类有多种多样，但按照其钻 进过程和碎岩特点的不同，可以分为：表镶金刚石钻头、孕镶金刚石钻头和聚晶 体金刚石( 含复合片) 钻头三类。 金刚石钻头由三部分组成，及金刚石、胎体和钻头体。 表镶金刚石钻头的金刚石分布在胎体表面层上，相互隔开一定距离。通常都 选用中等粒度的天然金剐石，粒度为1 5 6 0 粒克拉，金刚石粒度的大小可根据 岩层的性质来选取，岩层越硬，越致密，选用的粒度可越小。 孕镶金刚石钻头的金刚石均匀分布整个钻头唇部层。通常都选用小粒度的不 同质量的天然或人造金刚石，天然金刚石的粒度为1 5 0 4 0 0 粒克拉，人造金刚 石的粒度可以更小。 聚晶体金刚石( p c d ) ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ) 是由微粒金刚石，加入微 量的粘合剂( 如n i 、c o 、s i 、b 之类) 在压机上进行二次聚合成的大粒聚合体。 p c d 钻头由于聚晶体的韧性和抗弯强度不足，所以在使用中需要特殊处理。 聚晶金刚石复合片( p d c ) ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t s ) 是在硬质合 金基体上利用高温高压烧结一层厚度为0 5 0 7 m m 的金刚石微粉形成硬质合金 金刚石复合材料。由于它既具有金刚石的高硬度和强度同时又具有硬质合金韧 性，因此被广泛应用于石油地质钻头、拉丝模具、以及其他金属或非金属的切削 加工中。p d c 钻头适宜于软弱、中硬地层中的钻进，具有切削力大、锐利、高 效耐久、安全可靠等优点。该类钻头的切削机理不同于其它常规钻的磨削和压碎 方式，而是以剪切作用钻进，因此，这种钻头不需要太高的钻压和转速，就能够 取得较好的钻进效果【2 。 三、钻粒钻进 钻粒钻进是利用钻粒作为研磨材料来破碎岩石的一种钻进方法。 钻粒钻进方法出现较晚，在1 9 世纪后期才开始用于钻探工程【2 2 1 。它与金刚 石钻进不同，钻粒不是镶嵌在钻头体上，而是自由地放在孔底，靠周围岩石的限 制，在钻头压力和回转力的带动下，在孔底滚动和滑移以破碎岩石。 钻粒钻进作为破碎岩石的方式的确有其独特之处，但却有致命的弱点，如钻 粒消耗过大、钻杆磨损严重，易产生斜孔以及钻孔质量难以保证等。在硬岩中钻 进不如金刚石钻进，在软岩中不如硬质合金钻进。所以从发展来看，钻粒钻进有 被取代的趋势。 目前，在金刚石钻头不足的条件下，钻粒钻进仍然是钻进破碎坚硬岩石的 种主要手段。直到今天，在我国钻探工业中它还占有一定比例。 通过对以上各种钻孔方式比较后，又从前面的论述可知，管棚支护主要是在 中南大学硕士学位论文 第二章管棚支护钻孔机理分析及钻机动力头的设计 普氏系数值厂6 的岩层中钻孔，是属于中等坚硬以下的岩石，所以我们确定采 用p d c 钻头。p d c 钻头结构如图2 - 4 所示。 ( a ) 外观图( b ) 剖视图 图2 - 4p d c 钻头结构图 从图2 - 4 中可以看出，p d c 钻头由钻套、箍环和钻芯三部分组成。钻头型式 为中间凸出型柱齿钻头，中间凸出使钻头在钻进过程中有自行修磨的特点，所以 有较高的钻进速度。这种钻头能使钻速趋于稳定，而且定心较好，所以钻孔偏心 较小。 与前几种切削刃具的碎岩方式不同( 2 ”，p d c 钻头的碎岩不但具有硬质合金 刃具的剪切碎岩作用，而且具有金刚石刃具的压碎碎岩作用，因此p d c 钻头既 可发挥硬质合金的优良韧性，又利用了金刚石的高硬度。即在钻进硬岩层时，有 似孕镶金刚石钻头的磨削碎岩作用：在钻进软岩时，有似硬质合金钻头的切削碎 岩作用。p d c 钻头碎岩的特点，决定了其钻进方面的优越性，既不需要高的钻 压，也不需要高的转速。 2 3 管棚支护钻子l 岩石破碎机理分析 确定了管棚支护钻孔所用的钻头之后，我们将对其钻孔机理进行分析和研 究。由于管棚支护钻进是以回转钻进为主，冲击钻进为辅，所以钻头钻孔的机理 仍然是在回转和冲击的条件下进行研究。 2 3 1p d c 钻头在子l 底的运动分析 钻头在钻进岩石的过程中，钻头上的切削刃具在钻进孔底的运动由以下的三 种基本运动组成，如图2 5 所示： 主塑奎堂堡主兰丝堡塞 笙三童笪塑塞芏竺塾! ! 堡坌塑垦笪! ! 塑三；! 兰堕! ! 生 图2 - 5p d c 钻头破碎岩石图 ( 1 ) 切削刃具绕钻头轴线的旋转运动； ( 2 ) 切削刃具随钻头一起向钻进方向的平动； ( 3 ) 切削刃具在钻进孔底的平面内做规则或不规则的回旋运动。 前面两个运动的合