冲击钻机

钢绳冲击钻机第五章钢丝绳冲击钻进是借助一定质量的钻头，在一定的高度内周期地冲击孔底，使岩石破碎而获得进尺。每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而使钻孔形成圆形断面。被破碎的岩屑与水混合形成岩粉浆，当岩粉浆达到一定浓度后，即停止冲击，利用掏砂筒将稠浆掏出，同时向孔内补充液体。由于钢丝绳冲击钻机都是装在汽车或拖车上，设备轻便搬迁方便，操作与管理简单，钻进成本低。因此在水文水井钻、砂矿勘探、露天采矿场和大口径工程等施工中常用这种方法。它对于大砾石、漂石及脆性岩层特别有效。1.钢绳冲击钻进的应用钢绳冲击钻进方法之所以能长盛不衰，原因在于具有以下特点：冲击钻进以冲击动载荷破碎岩石，而岩石在冲击动载荷作用下的破碎强度比静载荷作用下要小的多。钻头破碎岩石不是连续的，冲击钻进时钻头与岩石接触的时间短，因而磨损较慢。钻进时可不需要冲洗液循环，水量消耗少，故适于缺水地区的钻进工作。在复杂的卵石层中钻孔有其独特的优越性。但钢丝绳冲击方法的使用毕竟有局限性。由于它利用钻具自由降落进行钻进，因此，只能钻进垂直孔，且效率低。2.单钢绳冲击钻进的特点3.钢绳冲击钻进基本参数在钢绳冲击钻进过程中，影响钻进效率的一些可控制的参数及其配合关系称为冲击钻进规程。这些基本参数包括：钻具质量、冲击高度、冲击次数和悬距。钻具质量：是影响钻头冲击功的主要因素，钻头质量越大，冲击孔底时的能量越大，但钻具质量越大，冲击机构的负荷越大，功耗越大，冲击机构尺寸也越大。冲击高度：冲击高度越大，钻具所获得的加速度和冲击岩石时的速度也越大，冲击力越大，但过大的冲程将增大冲击机构的整体尺寸。冲次：冲次为钻具每分钟冲击孔底的次数，冲次越大，单位时间内对岩石破碎的次数也越多，但冲次不能太高，这将增大冲击机构的加速度和惯性冲击。悬距：当冲击机构置于上止点位置，钻头距离孔底的高度，悬距在钻进中应及时调整，当钻进硬岩时，若不留悬距，则钻具冲击时，钢绳由于弹性变形就会有剩余长度，这样，再次提升钢绳处于松弛状态，钻具易发生抖动和摆动现象，而且由于钢绳突然绷紧，致使井上设备受到冲击，还容易造成其他事故。最优悬距，是保证最大切入深度而使钢绳没有剩余长度。5.典型钢绳冲击钻机结构CZ－22CZ型钻机在国内有CZ-20、CZ-22、CZ-30等产品，它们的工作原理相同，结构也大同小异，只是钻进能力的不同。如图为CZ-22型钻机总体图，该钻机由以下部分组成：动力机、冲击连杆机构、钻具天轮、桅杆、钢绳、抽筒天轮、机架、机械传动系统等组成。(1)钻机机械传动系统该钻机采用电动机驱动，其动力经过皮带轮传动传给主轴2，主轴2起动力分配作用，通过链条驱动工具卷筒4，通过三对齿轮副分别驱动冲击机构3，取渣卷筒5和辅助卷筒6。主动链轮、齿轮都以轴承空套在主轴上。通过操纵机构使相应的摩擦离合器结合，才能传递动力。冲击齿轮被驱动后，带动轴和固定在轴上的两个曲柄回转，两根连杆的下端以销轴与曲柄铰接，上端与框架式双臂冲击梁4、支臂5相铰接。曲柄回转时，通过连杆带动冲击梁4、支臂5和支臂轴上的压轮6绕轴做圆弧是上、下摆动。(2)冲击结构工作原理从工具卷筒上引出的钢绳绕过导向轮、压轮和桅杆顶部的天车，与孔内的冲击钻具连接。冲击梁向下摆动时，压轮下压钢绳，将冲击钻具提离孔底一定高度，压轮随冲击梁向上摆动，则放松钢丝绳，冲击钻具在重力作用下加速下降，从而冲击孔底岩石。如此循环，实现冲击钻进。冲击钻具的提升高度可通过改变连杆与曲柄的铰接位置来进行调节，而钻具每分钟的冲击次数（冲次）则决定于曲柄的转速。通常用更换不同直径的钻机主轴皮带轮的方法改变曲轴的转速，进而改变钻具的冲次。CZ型钻机的曲柄上有四个距离不等的销孔，备有三个直径不等的皮带轮，故它有四种冲程和三种冲次可供调节。在冲击梁的两个臂梁上装有缓冲装置。包括前端以销轴与支臂铰接的支杆和套在支杆上的缓冲弹簧等。缓冲装置对钻具的冲击运动起缓冲和补偿作用，其作用原理如图：在压轮到达上止点，开始下压钢绳的瞬时，压轮及压轮轴将受到钢绳的反作用力P，这个反作用力的作用时间虽短，但数值却很大（特别是发生在冲击钻具不能落到孔底的情况下），并且有冲击载荷的性质。在P力作用下，压轮、压轮轴和支臂将绕冲击梁前端的销轴逆转一个角度，并带动支杆后移，压缩缓冲弹簧，弹簧吸收冲击能量，保护钻机不受刚性冲击，并减少振动，这就是它的缓冲功能。在支臂逆转时，压轮的位置抬高，松放一段钢绳，使钻具增加一段自由降落的距离，保证钻具不受阻滞地冲击孔底。钻具落到孔底，钢绳松弛，缓冲弹簧将伸长并推动支杆前移，支杆与压轮顺向转回原位，压轮位置降低，将预紧原松弛的钢绳，避免下一循环开始时出现钢绳抖动现象。钢绳的这一小距离的松放和预紧作用，就是缓冲装置的补偿功能。(3)工具卷筒4：用于冲击时起落钻具和调节钻具在孔内的位置。它由筒体、圆盘、隔板和制动盘组成。卷筒由隔板分为两个部分，一边为工作钢丝绳储存部位，另一边为非工作钢丝绳储存部位。(4)取渣卷筒和辅助卷筒5,6：取渣卷筒用于升降取渣筒，辅助卷筒用于冲击中升降套筒和处理事故时作为起重机使用。这两种卷筒装在同一轴上，两端用U型螺栓将轴固定在机架上。(5)冲击钻具简介冲锤转向装置捞渣筒其钻具由冲锤、转向装置和捞渣筒组成。冲锤多为十字形刃口，钻进时，钢绳通过转向装置与冲锤连接在一起，在钢绳的提拉和下放过程中，由于钢丝绳编织拉紧、松开会形成转动，转向装置使这种转动作用力周向转动冲锤，以保证十字形刃齿钻具可冲击成圆形孔。当钻进一定深度，提出钻具，下入捞渣筒捞渣。CZ－22单绳冲击钻机为无循环冲击钻机，即钻进一段时间后，需下打捞筒捞渣，这样，会产生重复破碎现象，使得钻进效率降低，为了克服这一缺陷，国外在20世纪70年代研制了冲击反循环钻机，我国目前也有冲击反循环钻机生产，如CJF－20等。CJF-20型冲击反循环钻机CJF-20型冲击反循环钻机能充分满足施工地下连续墙和大口径钻孔灌注桩的要求。能适应在复杂地层、卵石层、胶结砾岩层的钻进成孔。其主要特点：采用双轮双连杆梁式冲击机构、液压电器联合控制和手动机械控制，性能稳定可靠。钻塔液压起落，搬运安装方便。设有两种冲击功能，正常以连杆冲击为主，特殊情况可以换成卷扬冲击。钻机采用液压步履纵横移位，钻塔采用液控前倾角度，移位对孔口位方便。结构组成主机主要由离合器主轴．副卷扬机．主卷扬机冲击机构．钻塔．钻头等部分组成。同CZ－22最大的不同是主卷扬机为差动双筒单制动形式，采用直齿差动机构的双筒卷扬机，性能稳定可靠，灵敏度高。配有三通逆止式砂石泵组，具有启动方便，不易卡堵管路，使用寿命高的优点。主要技术参数钻孔直径0.8～2.0m；钻孔深度80m；额定钻头质量4t(最大5t)；连杆冲击冲程0.65～1.00m；连杆冲击频率46.36次/min；主卷扬机提升能力50kn；主机质量25t；整机运输尺寸6.8m*2.8m*3.2m钻进工作原理该钻机具有两种冲击功能，在正常钻进以连杆冲击为主，当遇到较坚硬岩层，可通过离合器用卷扬机直接进行冲击。正常钻进是用两根钢绳对称地提升冲击钻头，通过差动双筒单制动式同步卷扬机，能始终保持双绳提升平衡。主电机通过传动机构使冲击曲柄连杆机构与主卷扬配合，使钻头作上下往复运动，形成极大的瞬间冲击力破碎地层。在两根钢丝绳之间放置排渣管，排渣管的下端插入钻头中心管中，在钻头作上下冲击运动时，排渣管保持相对静止，通过外接6BS沙石泵连续排出破碎下来的岩石渣块，实现冲击反循环钻进。1-离合器分动箱；2-副卷扬机；3-主卷扬机；4-冲击机构；5-钻塔；6-底盘；7-排渣管；8-液压控制系统钻机的组成及机械动力传动系统钻机主要由以下部分组成：离合器、分动箱、主卷扬机、副卷扬机、冲击机构、钻塔、底盘、排渣系统、钻头、液压控制系统、电控系统等组成。离合器、分动箱离合器2为干式摩擦片式，弹簧压紧、杠杆松开的常闭式摩擦离合器。分动箱的作用是将电机经离合器输入的动力分成钻头冲击动力和卷扬提升动力，动力经主轴分别用齿轮与冲击输出轴和卷扬机输出轴相联，冲击输出轴有快慢两种输出转速，由冲击手柄操纵该轴上的牙嵌离合器完成。卷扬输出轴有正反两种输出转速，由卷扬手柄操纵该轴上的牙嵌离合器完成。整个传动装置采用机械方式。副卷扬机副卷扬机用于提升排渣管。通过钢丝绳端的吊环与机上排渣管的吊环连接，完成吊挂、提升、下降动作。其传动由分动箱卷扬输出轴将动力输入传动轴带动副卷扬机的大齿轮，经大齿轮内的涨闸离合器带动卷筒转动，完成提升、下降动作。主卷扬机：主卷扬机为差动双筒单制动式同步卷扬机，分别通过两个卷筒上的两根钢丝绳端与钻头联结完成提升、下降钻头动作。其传动由副卷扬大齿轮带动主卷扬大齿轮，经主卷扬内的涨闸离合器带动卷筒转动，完成提升、下降动作。双筒卷扬为差动连接，能始终保持双绳提升、下降平衡。冲击机构该钻机具有两种形式的冲击机构：卷筒式和连杆式。正常钻进时采用连杆冲击、遇特殊情况连杆不能进尺时，可转换为卷扬冲击。连杆机构的结构简单耐用，钢丝绳磨损小，易实现自动冲击，用大齿轮兼作曲柄，改善了大齿轮轴的受力状态，利用四杆机构的“急回”作用，实现了“慢提快放”动作，节省能源。如图为重锤冲击反循环钻进与冲击钻头图，反循环出渣可采用泵吸也可采用气举的形式。该钻机采用泵吸，反循环钻头与一般冲击钻头不一样为双筒梯形，每层焊有许多合金刀头，合金刀头如楔齿刀头。钻塔和底盘钻塔：钻塔由塔身、塔座、塔撑、天车、起落塔油缸等组成，结构轻便，承受载荷大。油缸完成起落动作，液控前顷角度，调整对位快，操纵平稳。底盘：底盘采用液压步履式行走机构，现场连接液压动力源后，可自行行走，纵横向移位、对孔位方便。排渣系统：排渣系统由排渣管、沙石泵、三通逆止阀、泥浆泵、胶管等组成。使用时，先开泥浆泵进行正循环、排除管内空气，停泥浆泵，起动砂石泵，实现反循环。电控系统：电控系统分为主电控操纵箱和辅助操纵按钮盘两部分。因主电动机功率较大（45KW），采用自耦变压器降压启动液压系统：液压系统主要由电动机、齿轮泵、多路换向阀、单向顺序阀、油箱、管路等元件组成，其系统原理如图：钻机液压系统GCF反循环钻机主要特点：主要参数选择合理、可满足大口径钻孔的需要；纯机械传动、结构简单、紧凑、布局合理、操作方便可靠；标准化、通用化程度高，维修方便；冲击钻头质量大，形成巨大冲击功，产生良好的破岩效果；采用同步卷扬机构，提拉钻头的两根钢丝绳能严格同步；采用压梁冲击实现钻头起落，工作稳定可靠；采用反循环工艺，排渣效率高；可采用双管射流反循环工艺，利用双管环隙向井下补水、利用内管吸水排渣，只在钻孔底部形成旋涡，提高护壁功能，尤其适用于易坍塌地层，实现反循环工艺的新突破。主要技术参数GCF—12GCF—18GCF—24钻孔直径mm150020002500钻孔深度m707070钻头额定质量kg280035005600钻头冲程mm800,900,1000800,900,1000800,900,1000冲击频率次/min404040同步卷扬提升力KN405570副卷扬提升力KN303550钻塔有效高度mm770077007700钻塔额定载荷KN200280320主电机型号Y280S—6Y280M—6Y315M—6主电机功率KW455590主电机质量Kg8500950012000排渣方式单、双管正反循环单、双管正反循环单、双管正反循环反循环泵组型号SPS150射流泵SPS150射流泵SPS200射流泵运输尺寸mm7720×2200×15507720×2200×15507720×2200×1550部分工程钻机GM-20A塔高10.5m钻孔深度80mGM-20GPY-26GQ-15AGJP-20A泰山－20YCJF-25型全液压冲击反循环钻机，主要适用于深基础工程大口径钻孔灌注桩施工，该机可适用于各种地层。YCJF-25型全液压冲击反循环钻机及CQ-15CQ-15型工程钻机思考题1.简述CZ-22冲击机构组成及工作原理。该钻机主要适用于那些施工领域？2.CJF-20钻机如