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液压系统传动设计第4章地表岩心钻机动力头液压系统设计(看钻探3D视频)全液压动力头式地表岩心钻机代表了岩心钻探技术的先进水平。该类型钻机由于具有钻速高、调速范围大、能实现无极调速和无极调压、工作平稳、给进行程长、过载保护好、机械化自动化程度高、适用范围广等优点，成为目前地表岩心钻机的主流机型。国外多数发达国家的岩心钻机行业经过几十年发展，已进入全液压钻机时代，部分发展中国家也开始大力推广应用全液压岩心钻机，国外主要的岩心钻机生产厂商已全面生产全液压岩心钻机，不再生产机械立轴式岩心钻机，但在一些发展中国家，机械立轴式岩心钻机还有着广泛的应用。目前，地表岩心钻机有机械驱动式、电驱动式和全液压式驱动三种。机械驱动式立轴岩心钻机的外观和结构如下图所示。组合机床动力滑台液压系统钻探工程是通过钻探机械向地下钻进钻孔，并从中取得岩心、矿心、矿粉借以了解地下地质矿产资源情况并圈定矿体的工程。地质勘探中的钻孔作业有浅层取样钻探(通常称为浅钻)和岩心钻探两类方法。浅钻一般为垂直的浅层钻进，其深度一般在100m以内，设备简单，费用低，效率高。(见三个便携钻机视频)岩心钻探是一种采用机械回转并加压的钻进方法，配备有一整套机械设备，包括钻塔、钻机、水泵、采油机或电动机、钻杆及套管等，其钻进深度为100~1000m。(岩心钻探视频)4.1.1地表岩心钻机的应用及分类地表岩心钻机可完成取心钻探、工程地质勘察、锚固孔施工、地下资源探采(如浅层石油、天然气、煤炭、地下水)、堤坝注浆、坑道通风排水等钻孔工程。地表岩心钻机通常采用的钻进方法包括金刚石取心钻进(金刚石钻头视频)、反循环钻进(简称RC，反循环视频)、螺旋钻进(螺旋视频)、空气取心钻进、起动冲击钻进(冲击钻视频)以及声波钻进。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统电驱动式岩心钻机未找到视频和图片。与机械驱动式和电驱动式钻机相比，全液压钻机具有功率重量大、结构紧凑、控制性能好、易于实现远程遥控及自动化控制等优点。目前，国外钻机多以全液压顶驱动力头式为主流结构，国内全液压钻机品种和数量也呈现出快速增长的趋势。全液压式钻机是指钻机全部执行机构的驱动部件均为液压执行器的一类钻机。目前，全液压钻机逐渐取代传统的立轴式岩心钻机。右图所示为CS-1000型全液压顶驱动力头式地表岩心钻机。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统瑞典阿特拉斯·科普柯公司的C6地表全液压岩芯钻机，见视频。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统4.1.2全液压动力头式地表岩心结构CS-1000型全液压顶驱动力头式地表岩心钻机的主要工作部件包括给进机构、动力头(回转机构)、升降机构(提升绞车和取心绞车)、滑架变幅机构液压夹盘(钻杆夹持机构)以及控制器和辅助装置等，如图4-2所示。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统其中，钻机的给进机构、回转机构和升降机构是实施钻进动作的主要执行器，而变幅、夹持、卸扣等执行机构实现辅助动作。全液压动力头式地表岩心钻机所有功能模块均由液压系统驱动和实施。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统CS-1000型的进给机构是为主机提供推进和回拖动作的机械传动和执行机构。液压夹盘是一类特殊设计的钻杆夹持机构，由特制的机液联合操纵装置组成，液压夹盘安装在动力头上，可随动力头沿导轨移动。另一钻杆夹持机构为“木马式”夹持器，辅助实现钻杆与动力头的分离及分离后的加持与悬停。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统升降机构实际上是由主、副卷扬机两个执行器组成，其中主卷扬用于提放成孔钻具，副卷扬用于提放取心钻具，主、副卷扬一般采用了定制的液压绞车成品部件。在副塔上安装有钻杆扶正器，可在加接钻杆过程中协助上部钻杆轴线对准动力头回转中心。钻杆扶正器的执行元件是一个轻型液压缸，该液压缸驱动一套带有扶正凸轮的连杆机构，可实现钻杆导板的升高和降落。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统4.1.3动力头(会钻机构)的结构全液压钻机动力头的功能是将液压能转化为机械能，使钻具以不同转速和扭矩，做正向或反向回转运动。全液压动力头式地表岩心钻机动力头的主体包括液压马达、输入端变速箱、主变速箱、液压夹盘、润滑系统以及翻转机构，其结构如图所示。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统由于岩心钻机主轴转速高，安装在输入轴侧的液压马达通常选择高速小扭矩马达。输入端变速箱用于手动变速，能够可靠锁定在确定档位。主变速箱用于驱动动力头主轴回转。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统液压夹盘与动力头主轴刚性相连，在夹持钻杆的状态下，其内套可在动力头主轴驱动下随同钻杆一同回转。夹盘通过动力头主轴上的推力调心滚子轴承克服轴向载荷。翻转机构由锁紧液压缸和翻转液压缸组成，用于完成下钻过程中的动力头开合操作。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统在动力头工作过程中，由高速液压马达驱动输入端变速箱，然后通过变速箱输出轴驱动主变速箱，传递功率，带动主轴回转。动力头主轴与液压夹盘相连接，夹盘夹持钻杆后可带动钻杆回转，实现加压回转钻进。在工作过程中，动力头在驱动钻杆钻头回转的同时需要承受钻进、回拖过程中的反力。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统4.1.4对钻机功能模块技术要求(1)给进装置要求调压准确、平稳，并可实现加、减压钻进，称重，快速提升等动作。(2)回转机构应有大范围不停钻无极调速功能，调速过程平稳，扭矩大，负载适应能力强，转速不受负载变化影响。(3)提升绞车机构应有足够提升力，提升和下放速度可灵活调整，调速过程平稳，不受负荷变化影响，载荷波动小。(4)取心绞车机构除提供足够的取心提升力外，还应具有较高的提升速度，以提高系统取心效率。(5)为适应偏远地区钻探需要，节省动力成本，应减小钻探过程中能量损失，调高系统能量利用率。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统4.1.5对钻机动力头液压系统技术要求(1)动力头的转速与扭矩可在较大范围内无级调节，调节过程平稳，以适应孔内钻进情况变化的需要；(2)为满足孔内特殊工艺要求，动力头应具有较低反转转速；(3)具有机械硬特性，即转速不受负载变化影响；(4)具有带载频繁启停功能，且启停平稳；(5)具有一定的超载能力及过载保护功能；(6)为保证钻头的正常钻进工况和钻孔质量，钻机动力头应回转平稳，振动和摆动小；(7)功率损耗小，回转运动效率高；(8)具有处理卡钻等特殊工况的能力。4.1地表岩心钻机动力头液压系统设计要求4.1.6设计参数(1)最大钻进深度1000m(对应φ73mm钻杆)；(2)钻孔直径范围57.15~117.47mm；(3)柴油机最高转速为2400r/min。组合机床动力滑台液压系统4.2.1执行元件的选择本设计实例要求实现连续的回转动作，因此应考虑采用液压马达作为系统的执行元件。液压马达有高速液压马达和低速液压马达两种。由于低速大扭矩液压马达外形尺寸大，占用空间多，又考虑到本设计小孔径金刚石钻进工艺对高转速的要求，因此本动力头采用小排量柱塞式液压马达作为执行元件。考虑到动力头转速的调节要求，应选用变量液压马达。可供选择的变量液压马达有德国力士乐公司的REXROTHA6V系列液压马达，意大利的BREVINIH2V系列液压马达以及瑞典林德公司和国内贵州力源液压的产品。考虑到钻机液压系统在质量可靠性、可维护性、供货周期、制造成本等方面的要求，同时动力头设计结构需紧凑，设计时又综合考虑给进滑车所承受的倾覆力矩，尽可能减小径向尺寸以降低主轴回转中心，因此最终选定性价比高的手动变量A6VM系列液压马达作为动力头执行元件。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统4.2.2传动方案的选择本设计拟采用高速液压马达作为动力头液压系统的执行元件，为满足主轴最大输出扭矩要求，可在动力头主轴与输入端(液压马达输出端)之间设置必要的减速传动装置。本设计在动力头主轴和液压马达之间采用一个主变速装置来实现传动。液压马达输出端，即动力头主轴输入端采用输入端变速装置，如图所示。4.2动力头液压系统方案拟定根据岩心钻探工艺方法对转速分级要求，输入端变速装置采用多级齿轮变速箱。钻机结构设计要求输入轴与主轴平行布置，并考虑主轴设计方案及输入轴一侧零部件装配空间，主变速装置选择齿形链传动方式，电传动装置由链轮、小链轮和齿形链组成，传动速比2.28(厂家提供的数值)。组合机床动力滑台液压系统4.2.3动力图液压主回路方案拟定液压系统的设计必须考虑到负载特性对液压回路的性能要求，选择最佳的液压系统设计方案。钻机动力头液压系统全回路可采用开式循环回路和闭式循环回路，如图所示。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统开式循环回路正反转线路图。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统在开示循环回路中，溢流阀起调压作用，液压马达的最大输出扭矩由溢流阀调节，如图所示。开示循环回路功率损失大，但由于可采用容量较大的油箱，散热性能好，对液压油的清洁度要求不高，适合在野外复杂环境条件下工作。另外，动力头回转系统最好使用单独的液压泵供油或使用压力补偿器，以避免引起压力和运动干扰。开式循环回路不需要额外的辅助液压泵，因此不会引起压力和运动干扰。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统有些大功率的钻机动力头液压系统也采用闭式循环方式，如图4-5所示。闭式循环回路中主回路溢流阀作安全阀处于常闭状态，只起到限压保护作用。闭式循环回路完全由动力头的负载决定。因此，系统工作压力的变化不会影响动力头转速和其他执行机构正常工作。闭式循环回路效率高，但系统散热条件差，需要单独的冷却系统，对液压油的清洁度要求高。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统根据前述动力头液压系统的设计要求，本设计实例动力头液压主回路采用液压泵和普通多路阀控制方式，其结构连接示意图如图4-6所示。又根据前述动力头液压系统负载适应能力和节能的设计要求，动力头液压系统主回路适合采用开式循环回路。为提高系统效率，可考虑采用负载敏感系统。4.2动力头液压系统方案拟定组合机床动力滑台液压系统目前，地表岩心钻进方法主要是金刚石绳索取心钻进、硬合金取心钻进等。在特殊需要时，也时常采用空气泡沫钻进、冲击回转钻进以及反循环钻进等。本实例全液压动力头式岩心钻机以金刚石绳索取心钻进方法为主要工艺，但本设计实例的钻进规程参数也可满足其他工艺方法的基本要求。岩心钻机动力头的工况分析包括运动分析和负载分析。运动分析主要是对动力头输出转速及其变化规律进行分析，其中转速包括最高转速、最低转速、速度档数及各中间速度。负载分析主要是分析动力头的负载扭矩及其变化规律。4.3.1运动分析在我国现有条件下，采用不同的钻进方法和不同直径钻头的使用转速分别如表4-1和表4-2所示。4.3工况分析组合机床动力滑台液压系统地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到1.5~3.5m/s，而表镶金刚石钻头适用的圆周线速度一般为1~2m/s。在钻头直径不变的情况下，钻头转速越快，转速越高。但钻头转速过高会引起金刚石磨损加剧，钻杆柱发生强烈振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头转速范围。4.3工况分析组合机床动力滑台液压系统地表岩心钻机钻进工艺主要采用表镶或孕镶金刚石钻进，其中孕镶金刚石钻头的圆周线速度应达到1.5~3.5m/s，而表镶金刚石钻头适用的圆周线速度一般为1~2m/s。在钻头直径不变的情况下，钻头转速越快，转速越高。但钻头转速过高会引起金刚石磨损加剧，钻杆柱发生强烈振动。因此，在钻机设计过程中药选择合适的钻头转速范围。动力头主轴的主要参数包括最高转速、最低转速和调速范围。(1)动力头主轴最高转速nmax以往给类钻头的适用最高转速通常是按照最小钻头尺寸