千米定向钻机各个厂家参数.doc
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一、外形图：
二、主要用途和使用范围：
ZDY3200L、4200L型煤矿用履带（分体）式全液压坑道钻机主要用于煤矿井下钻进瓦斯抽（排）放孔、注浆防灭火孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其它工程孔。
适用于岩石坚固性系数＜f10的各种煤层、岩层。
也可用于金属、非金属固体矿床勘探的金刚石小口径钻进；工民建筑、公路、铁道、桥梁、水坝、国防建设等工程地质勘察以及水文油气田的勘探和堤坝注浆等工程钻孔。
三、主要技术特点：
（1）该钻机具有较高的转矩和合理的转速范围，适合小口径金刚石岩芯钻进和大角度上仰角钻孔，也能满足大口径硬质合金岩芯钻进和各种工程钻孔的要求。
（2）采用分体双履带车配置，单车尺寸小，移动灵活，非常适合需大扭矩钻进但空间狭小的场合使用，适应范围广。
（3） 锚固力大，钻孔给进与起拔能力大，便于处理孔内特殊情况。
（4） 钻机结构简单，布局合理，外形尺寸小，传动效率高。
（5） 钻机为模块化操作，简单方便，操纵灵活可靠，大大降低劳动强度。
（6） 钻机两部分可自行移机，安装方便快捷，准备时间短。
四、主要技术参数：
序号
项目名称
单位
主要技术参数
ZDY3200L型
ZDY4200L型
1
钻进深度
m
350
350-400
2
开孔直径
㎜
94、115～150
94、115～150
3
终孔直径
㎜
75/94
75/94
4
钻杆规格
㎜
63.5/73×1000
（螺旋100×1000）
73×1000
（螺旋110×1000）
5
钻孔倾角
°
-10～+90
-10～+90
6
最大输出转矩
N.m
3200
4200
7
主体部分外形尺寸（长×宽×高）
㎜
2300×1050×1500
2330×1050×1580
8
泵站部分外形尺寸（长×宽×高）
㎜
1900×1050×1280
1900×1050×1310
9
最大分体重量
kg
约2345（不包含钻杆）
约2545（不包含钻杆）
10
电动机功率
（kw）
45/55
55
中国煤炭社科院重庆研究院
千米定向钻机2013-04-02 信息来源：
千米定向钻机主要用于中硬煤层施工瓦斯抽放长钻孔及分支孔，也可用于施工地质探测钻孔。
主要特点：
（1）钻进孔深达1000m以上，钻孔轨迹可以实时控制，并在孔口实时显示，具有侧开分支孔功能；
（2）钻机分为集成式和分体式，可满足不同使用条件的要求；（3）探管采用国内外首创孔外供电方式，避免孔内电池因电能耗尽而撤钻，提高钻孔效率；（4）通缆钻杆强度高、抗扭性能优越，处理塌孔、卡钻等事故能力强，可完成复杂钻孔轨迹；（5）探管信号传输方式采用电流环，相比电压传输方式，抗干扰能力强，传输距离长；（6）测量装置及孔口显示器性能可靠，信号传输稳定，测量精确；（7）螺杆马达扭矩大、转速高，可进行探顶、底板钻孔施工。
主要技术参数：
项目单位ZYWL-6000DZYWL-6000DS
最大钻进深度m>1000>1000
开孔直径mm96、133、153、19296、133、153、192
终孔直径mm 96、133 96、133
钻杆直径mm7373
额定输出转速r/min50～20050～200
额定输出转矩N.m6000～14006000～1400
推进力kN160160
起拔力kN160160
正常进给速度m/min0～1.50～1.5
给进行程mm15001000
制动转矩N.m20002000
最大供水压力MPa1010
行走机构驱动型式 液压液压
行走速度m/min2222
爬坡能力º2020
履带板宽度mm350350
泵站电动机功率kW9090
油箱有效容积L300310
主机外形尺寸（长×宽×高）mm3830×2100×1850主履带车:
3120×1450×1950
副履带车:
3000×1450×1820
整机重量kg约12500（不包括钻具）主履带车6050/副履带车4700
通缆钻杆mmΦ73×3000Φ73×3000
胎体式PDC钻头mm9696
ZSZ1000型随钻测量装置方位角º0～360（±1.5）0～360（±1.5）
工具面向角º0～360（±1.5）0～360（±1.5）
倾角º-90～+90（±0.2）-90～+90（±0.2）
关键元件动力头的研究
摘要：
为了研制出适合煤矿井下水平定向钻进的定向钻机，文章对ZYWL-6000D型水平定向钻机的关键元部件动力头进行了研究；文章通过类比法确定了动力头总体结构，并利用斜面增力机构设计了新型制动装置，利用液控单向阀设计了新型开闭可控式胶套卡盘，并通过双通道配油套实现了对卡盘的控制；样机实验室实验中，动力头的最大传递转矩达到6901N.m，制动装置制动转矩达到4002N.m；样机工业型试验中，动力头累计无故障钻进14000米；实验室实验和工业性试验结果表明，该动力头整体性满足煤矿井下千米定向钻进施工要求。
中国论文网
Abstract：
TheheadpoweristhekeycomponentoftheZYWL-6000Dhorizontaldirectionaldrillingmachineusedincoalmining.Byanalogymethod，thestructureofthepowerheadisschemed，andaslopeforce-amplifierisusedinbraking，therubbersleevechuckincontrolledbyapilot-controlledcheckvalvetoopenandclosethroughadouble-channeldistributor，intheexperimentofthemodelmachine，themaximumtorqueoftheheadpowerisupto6901N.m，thebrakingforceisupto4002N.m.Intheindustrialtest，thedrillingmachinehasdrilledmorethan14000m，andtheheadpowerworkswell.Theexperimentationandtheindustrialtestshowthattheheadpowerisqualifiedtodrillwiththehorizontaldirectionaldrillingmachine.
关键词：
动力头；制动装置；斜面增力机构；开闭可控胶套卡盘；间隙密封；双通道配油套
Keywords：
headpower；brakingapparatus；slopeforce-amplifier；openandclosedcontrollablerubbersleevechuck；clearanceseal；double-channeloildistributor
中图分类号：
TD42文献标识码：
A文章编号：
1006-4311（2013）10-0033-04
1概述
定向钻进作为一种新的钻进技术手段，在顺煤层中进行定向钻孔的施工，能够保证钻孔按预期的设计轨迹进行钻进，提高成孔深度和成孔率，对强化顺煤层瓦斯抽放，保证煤层的安全开采具有重要的意义。
在国际上，由于地质条件和技术、设备方面的优势，美国和澳大利亚在井下定向钻进方面具有成套的装备及技术，且顺层长钻孔最大成孔深度都已超过了千米，顺层长钻孔的瓦斯抽放也取得了很好的效果。
20世纪90年代，我国将定向钻进技术引进了煤矿瓦斯治理领域，并利用联合国在中国的UPDP项目中引进了3台FLETCHER定向钻机[1]，分别用于松藻矿务局和铁法矿务局，但由于地质原因，应用效果并不理想。
近年来，随着国内煤矿企业的发展，国内煤矿井下定向钻进设备及施工工艺有了长促的发展，产品主要有西安研究院生产的ZDY-6000D型煤矿用水平定向钻机、重庆院生产的ZYWL-6000D型煤矿用水平定向钻机及北方交通生产的ZDY-3500L型煤矿用水平定向钻机。
西安院生产的ZDY-6000D型钻机采用联动液压系统，使用传统胶套式卡盘；北方交通生产的ZDY-3500L型采用斜面弹簧卡盘结构。
重庆院生产的ZYWL-6000D型水平定向钻机采用单动液压控制系统，并设计了新型开闭可控式胶套卡盘和制动机构，结合钻机的测量系统、信号传输系统和水路系统等，实现了钻机的定向钻进功能。
在定向钻进过程中，钻杆的旋转、进退杆及钻孔轨迹纠偏都需要动力头来完成，同时动力头还要能实现定向钻进的各种工艺要求，例如在定向钻进过程中对主轴进行制动，在遇到抱钻、卡钻这类的事故时进行故障处理等，因此钻机动力头的性能决定了定向钻机的整体性能参数，该论文的研究意义重大。
2动力头的结构及参数确定
2.1动力头结构根据煤矿井下定向钻进的施工过程中动力头的功能，结合现有煤矿井下钻机动力头的结构特点，设计了新型ZYWL-6000D型水平定向钻机动力头。
动力头主要由液压马达、减速箱体、轴、齿轮、轴承、配油套、胶套卡盘和锁紧机构等零部件组成，主要作用是将液压能转化为机械能，输出旋转运动，实现钻具的旋转。
动力头工作时，液压马达的动力经过减速箱两级齿轮减速后，带动主轴、液压卡盘和钻杆钻具旋转，输出转速和转矩，实现钻进功能。
动力头主轴为中空结构，可以前后上下钻杆，使钻杆的长度不受钻机进给行程限制；通过调节柱塞液压马达的排量来实现动力头输出转速的无级调速。
设计了新型开闭可控式胶套卡盘，通过双通道配油套机构对卡盘进行控制，实现了对钻杆的夹持功能；在动力头一级传动齿轮上设计了制动装置，在定向钻进过程中通过对动力头输入轴的制动实现对定向钻杆的制动，以保证动向孔底马达转进的方向，实现定向钻进功能。
动力头结构见图1。
2.2动力头参数根据现场施工要求，该钻机需要定向钻进的最大孔深为1000米，使用？
准73×3000mm规格的定向钻杆，结合钻杆自重、摩擦力及钻孔阻力，同时根据同类型钻机性能及使用情况，最终确定与动力头相关的钻机技术参数，具体如下：
额定输出转速（r/min）0～210
额定输出转矩（N.m）6000～1600
给进力（kN）160
起拔力（kN）160
正常推进速度（m/min）0～1.5
制动转矩（N.m）2000
其中最大输出转矩6000N·m和输出转速40～210r/min作为动力头设计的主参数。
3动力头制动装置
3.1制动装置的结构设计制动装置的功能为在定向钻进时，将动力头以及齿轮进行制动抱死，将主轴制动，起到控制孔底马达弯头方向，以及克服孔底马达反扭矩的作用。
根据动力头结构尺寸及相关制动装置结构，该装置设计为液压夹紧，弹簧松开的结构[2]，采用斜面增力机构[3]推动卡瓦径向运动来实现对制动轴的夹持及松开，整体结构简洁，性能可靠，其结构图见图2。
3.2制动装置制动力计算制动装置为常开式结构，由动力头上的活塞提供推力，通过楔面传力机构夹紧制动轴，起到制动作用；通过弹簧推动斜面机构反向运动，取消制动。
结构简图见下图3。
①卡瓦作用于刹车轴上的最大正应力Q：
Q=P/f
（1）
式中：
P——作用在刹车走上的圆周力，kN；
P=■
（2）
式中：
M——制动力矩，N·m，取M=2000·m；D■——刹车轴直径，取D■=0.039m；f——卡瓦与钻杆之间摩擦系数，f=0.3；i——动力头减速箱传动比，取i=10.966。
代入数据，计算得：
Q=31.18kN
②计算所需要的最小推力F■：
根据刹车结构受力分析，得出最小推力计算公式为：
F■=Qtan（α+？
准）（3）
式中：
α——卡盘斜面斜角，α=8°；？
准——卡瓦与卡瓦套之间的当量摩擦角，？
准=arctgf2，f2为钢与钢之间的摩擦系数，取f2=0.15，得：
？
准=arctg0.15=8.53°；Q——卡瓦作用于钻杆上的最大正压力，Q=31.18kN。
代入数值，得：
F■=9.25kN。
③计算所需要的最小油压：
根据制动机构的结构，得出制动机构夹紧刹车轴所需要工作压力P：
由公式：
F■=F-F■=P■D■-d■-F■（4）
得出：
P=■
式中：
D——活塞大径，取D=115mm；d——活塞小径，取d=90mm：
F■——制动装置夹紧制动轴时克服蝶形弹簧的弹力，计算为20.12kN。
代入数据，得出P=3.5Mpa。
根据液压系统压力调定，制动机构的夹紧压力调定为18MPa，远大于系统需要的3.5MPa，满足设计要求。
4胶套液压卡盘
4.1卡盘的结构设计卡盘采用开闭可控式液压胶套式卡盘（见图4），主要由壳体、前后端盖、胶套、卡瓦、传扭盘、长短销、弹簧和液控单向阀等零件组成，它在液压力的作用下，依靠液控单向阀、胶套、卡瓦、弹簧等零件共同完成卡盘夹紧、松开功能。
夹紧钻杆时，高压油经主轴、卡盘后端盖及其上的液控单向阀注入密封油腔，胶套受到径向的压力而收缩，使卡瓦组向中心移动，夹紧钻杆，此时停止供油，液控单向阀关闭[4]，密封油腔内保持高压，在液压力的作用下，卡盘处于常闭式状态；松开钻杆时，控制油路供油，液控单向阀被打开，密封油腔回油，压力释放，在弹簧力作用下，卡瓦松开。
4.2卡盘胶套夹紧力计算胶套为卡盘的关键元件，进入卡盘的高压液压有通过压缩胶套，推动卡瓦径向收缩[5]，实现对钻杆的夹持。
定向钻进过程中，卡盘极限状态下需要同时克服动力头传递的转矩和推力，来完成对钻杆的夹持，根据胶套结构及卡瓦受力情况（见图5），对胶套夹紧力进行计算。
①计算胶套夹紧钻杆需要的最大正压力Qk：
根据钻机钻进时，卡盘对钻杆的作用力分析，得出了钻杆需要的最大正压力Qk的计算公式[6]：
Q■=■/f■（5）
式中：
P1——作用在钻杆上的轴向力，kN，P1=160kN；P2——作用在钻杆上的圆周力，kN；
P2=■（6）
式中：
M——为最大输出扭矩，（N·m），M=6000N·m；
D■——为钻杆最大直径，（m），D■=0.073m。
得：
P2=164.38kN；
f■——卡瓦与钻杆之间的摩擦系数，取f■=0.15；
得：
Q■=1529kN。
②卡盘胶套夹紧力计算。
根据胶套卡盘的结构形式及受力情况[7]，得出了卡盘总夹紧力计算公式[8]：
Q=■■DPL（7）
式中：
D——胶套的受压直径，（mm），D=190mm；L——胶套的宽度，（mm），L=160mm；P——最大工作压力，（MPa），P=25MPa。
代入数据，得出卡盘夹紧力为：
Q=1974kN；根据卡盘夹紧钻杆所需要的夹紧力，得出Q=1974kN>Q■=1529kN，满足钻机使用要求。
4.3卡盘配油套的结构设计配油套（如图6所示）是实现卡盘供油的一项关键的技术，配油套和主轴之间采用微间隙密封，既能满足卡盘的供油压力，又能防止配油套和主轴抱死。
根据胶套式卡盘夹持钻杆的要求，要保证卡盘夹紧可靠，必须保证卡盘的夹紧压力不小于20MPa，同时为了限定卡盘夹紧力，通过液压系统对卡盘夹紧力进行了最高压力限制，为20MPa；根据相关流体力学公式，计算配油套与主轴间的配合间隙[9]。
卡盘夹紧状态时，油液不再流向卡盘，而只是通过配油套和主轴之间的间隙泄漏。
为了简化计算过程，这里不考虑铜套沟槽对泄漏的影响。
由流经同心圆柱环形间隙的流量计算公式：
Q=■Δp（8）
其中：
δ为间隙量，d为圆柱直径，l为沿液流方向间隙长度，Δp为两端压力差，μ为液压油的动力粘度。
由公式可知：
δ，d，l，Δp，μ均对泄漏由影响，其中δ影响最大。
假设此时的背压为0.5MPa，于是Δp=19.5MPa。
配油套工作在20°-40°之间，温度对油液的粘度影响很大，温度越高，粘度越小，泄漏就越大。
为了计算配油套的最大泄漏量，这里取40°时46号液压油的动力粘度μ=0.04，δ取最大值0.06mm。
本文中d=170mm，l1=27.5mm，l2=87.5mm。
将这些参数代入流量公式可得[10]：
Q=Q■+Q■=■Δp+■Δp=13.19L/min
液压泵的最大流量为Q■=37L/min，换向阀在阀口完全打开的情况下流量为QV=60L/min，所以完全能满足配油套泄漏流量以及建立20MPa压力的需求。
5钻机实验室性能实验
根据煤矿用水平定向钻机的设计要求，在国家安全技术工程中心对钻机进行转矩及转速测定。
检验标准执行中煤科工集团企业标准《ZYWL-6000DA型煤矿用水平定向钻机检测检验标准》，具体试验情况见表1[11]。
从表1中可以得出，钻机转矩和转速均满足设计要求，并且在转矩达到设计值时，转速有较大的富余量，说明该传动机构的传动效率较高，并具有较大的安全系数；卡盘在夹持实验过程中能够完全对钻杆保持抱紧状态，对钻杆的夹持性能完全满足设计要求。
制动装置在实验过程中能够完全对主轴进行制动，对主轴的制动性能完全满足设计要求。
6钻机现场工业性试验
2011年4月到2011年12月，配用该动力头的ZYWL-6000D型煤矿用全液压钻机，在山西晋城煤业集团寺河矿东五回风巷15#煤层进行了现场工业性试验。
试验期间，使用该钻机共施工主孔13个，分支孔62个，累计总进尺超过14000m，其中，主孔深度超过1000m的钻孔共4个，其最深孔深为1017m，分支孔最大施工深度240米。
正常钻进平均日进尺为150-180m，顺煤层钻孔机械钻速为15-24m/h，顶底板岩石钻孔机械钻速为6-8m/h。
钻孔情况见图7、图8。
7结语
论文研究过程中，通过理论分析加实验室实验的方法，对动力头各个关键零部件进行了研究，进行了创新设计，得出了性能可靠的减速箱传动、钻机制动装置、新型开闭可控型胶套卡盘及双通道配油套装置，形成了以下主要成果：
①合理的利用了斜面增力机构的特性，实现了将活塞的轴向运动转化卡瓦的径向运动，同时增加卡瓦夹紧力的作用，使得整个制动装置结构紧凑，性能稳定。
②采用内置式液压锁实现了胶套卡盘的开闭可控，改变了传统胶套式卡盘的结构；建立了配油套间隙量与泄漏量的数学模型，通过理论分析得出了合理的配油套配合间隙，实现对卡盘的控制。
③通过实验室实验和现场试验，证明钻配用该动力头的钻机整机性能良好，各项参数均达到了设计要求。
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北方交通近水平千米定向钻机
ZDY3500LB近水平千米定向钻机
特点：
整机经全新优化设计，宽度减至1.4m，下井方便、转场灵活
机重降低25%，驱动功率不变，使设备具有更强劲的行走、转弯和爬坡能力
设备由前、后车两部分组成，钻场内可分开布置，对钻场空间要求低
前车具有履带式液压马达驱动行走装置，提高了行走性能
后车采用轮式结构设计，减小了前车拖行阻力
操纵部分采用旋臂型设计，便于操作者在各种条件下操作设备
设备具有方位调整和开孔倾角可调功能，使钻机固定调整灵活方便
钻机配备了各种安全防护和报警装置，瓦斯超标时可实现闭锁，保证井下作业施工安全。
技术参数：
前车尺寸3370×1400×2100mm
后车尺寸2679×1354×1705mm
整机重量9000kg
行走速度2.0km/h
电机90kW1140/660V
最大钻进深度>1000m
终孔直径96mm
最大给进力/后退力320kN
给进速度0—28m/min
给进行程1020mm
额定转矩（低速档/高速档）3500Nm/2750Nm
额定转速（低速档/高速档）10—900rpm/10—1200rpm
方位调整角度±90°
测斜精度倾角±0.1方位角±0.5°工具角±0.5°
ZDY3500LA近水平千米定向钻机
ZDY3500LA模块化近水平千米定向钻机，充分考虑了我国煤矿现有的实际井工条件，采用了模块化整体式结构，在保留整体式钻机结构优点基础上，进行大部件模块装配，使得钻机可以整体下井，也可以解体分部下井，方式灵活。
该钻机测斜精度高、孔位靶向性好、输出扭矩大、系统配置高、可多功能钻孔，是井下瓦斯抽采、探放水钻孔、地质勘探及各类工程施工钻孔的最佳选择。
特点：
钻机经全新设计，整机转场灵活，巷道适应性强
整机各功能模块由高强螺栓联接而成，各模块可单独拆卸运输
高效的倍速增程机构，给进快速平稳，施钻效高
高精度随钻测量系统，采用高端元件制造，确保轨迹测量精度
高强度柔性通缆钻杆，复杂轨迹适应能力强，提高钻进精度和效率
液压系统元件采用国际知名品牌，并采用液控先导比例控制技术，使整机效率显著提升
具备良好的地质适应性和超强的孔内事故处理能力
人机工程设计于一体，方便操作，有效降低钻手工作强度
可用
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