MZ150型全液压多功能锚杆钻机的研制 - 文章

MZ150型全液压多功能锚杆钻机的研制

作者：长春科大潘淑璋郑午郑治川王智明

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摘要：MZ150型全液压多功能锚杆钻机由变角机构、动力头回转机构、给进机构等几部分组成，采用液压传动方式。对钻机的总体方案、机构设计及主要参数作了介绍。样机经过工业性试验，效果良好。
关键词：锚杆钻机；全液压；变角机构

1 总体方案的制定

为适应市场需要，我们研制了MZ150型全液压多功能锚杆钻机，该钻机具有功能较多、能力较大、钻进工艺多、体积小、质量轻、便于操作等特点，主要用于锚杆(索)孔钻进，也可用于其它用途钻孔。

为了使我们研制的钻机性能在国内外处于领先地位，在结构等方面与国外先进产品相媲美，在满足国内施工需要的同类产品中具有自已的特色，价格具有竞争力，我们力求结构简单，简化液压系统，减小整体结构尺寸，减轻质量，降低成本，并且操作方便，简单易学，而且可在此基础上逐步增加功能，形成系列产品。

1.1 变角机构

由于锚杆钻机要求钻孔倾角在0～90°范围内变化，既要灵活方便地调整角度及方位，又要使结构尽量简单，同时还要使钻机的使用及维修简单易学、操作方便。经过反复分析比较，确定了如图1所示的变角机构。此机构的特点是：结构比较简单，操作灵活，重心低，稳定性好，高度方向在一定范围内可调，给进滑架变角范围大。

图1 变角机构
1—给进滑架；2、5—活塞杆；3—变角油缸；4—调整油缸；6—调整支架；7—机架

1.2动力头回转机构

采用低速大扭矩液压马达直接驱动钻杆回转的方式，加大给进行程，缩短传动链，提高作业效率，可实现无级变速。

1.3 给进机构

给进机构如图2所示。此机构为倍速机构，其特点是：可使油缸行程减少一半，结构简单，导轮数量少，有利于提高钢丝绳使用寿命，轴向结构尺寸小，有利于加大给进行程，油路由活塞杆内部引入，无运动油管。

图2 给进机构
1—动力头滑板；2—给进油缸

2钻机的结构设计

2.1 变角机构

2.1.1运动分析在变角机构中，如图1所示建立坐标系。当构件4、5无相对运动时，构件2、3相对运动，机构中B点的运动方程为：

(xb-xa)2+(yb-ya)2=AB2(1)

直线AB的运动方程为：

或

y-ya=tgθ(x-xa)(3)

式中A(xa，ya)坐标由前油缸(构件4、5)决定，θ角由后油缸决定。

由式(2)可以看出，只要后油缸行程足够，即可实现θ在0～90°范围内变化；

当构件2、3无相对运动，构件4、5相对运动时，此时机构中A点的运动轨迹为：

(xa-xc)2+(ya-yc)2=AC2(4)

当前油缸伸缩时，A点绕C点作圆周运动，即C点的y向位移决定了调整孔口垂直方向位置的范围，此时B点的运动轨迹为：

(xb-xe)2+(yb-ye)2=BE2(5)

直线AB方程为：

(y-ya)/(x-xa)=(yb-ya)/(xb-xa)(6)

从(1)～(6)式中可以看出，当两个油缸同时动作时，直线AB作平面运动。

式中各构件结构上的参数，由刚度、强度、结构设计决定。

2.1.2 受力分析

将变角机构各运动副拆开，其受力情况如图3所示，按力学分析有：

图3 受力图

后油缸承载力：P2=Fa/(Abcosα1)
前油缸承载力：P1=AC〔Fsin(θ+ψ)+P2cos(θ+ψ+α1)〕/(Fccosα2)

经分析计算，我们认为：在钻水平孔时，适当增大ψ角，则可减小油缸直径，降低成本。

2.2 给进机构

该机构以液压缸驱动，可以根据不同地层条件及钻进情况，实现给进速度的无级调节，最大限度地提高钻进效率。同时，在处理孔内事故过程中，可以实现钻具回转与提升或给进同步，提高了事故处理能力。最大给进力为30 kN，最大提升力为50 kN。

2.3 回转机构设计

动力头回转速度为10～70 r/min，最大扭矩为2000 N.m，选用2SQJM321.6型内曲线马达。

考虑到潜孔锤钻进需要，动力头上有一个引风(水)口，同时将最大输出扭矩扩大至3500 N.m，以便进行螺旋钻进。
为利用动力头拧卸钻杆，在动力头上设计了拧卸装置，如图4所示。其右端与动力头相连，拧卸钻杆时，先在钻杆下端用垫叉卡住钻杆止动，动力头反转，在A处卸开与钻杆联接的螺纹，然后动力头后退，使上端方口B处对准钻杆上端卡口，插入小垫叉(专用)，动力头再向后退，下端垫叉卡住下一根钻杆的上端卡口，此时动力头再反转，则可卸开两钻杆间的螺纹，取出上端小垫叉，即可卸下一根钻杆。动力头再前进，联接下一根钻杆上端，重复上述过程，最终将全部钻杆卸下。此装置在实际工作中操作方便、省力，效果良好。

图4 拧卸钻杆机构

2.4 液压系统设计

液压系统如图5所示，它具有如下特点：

图5 液压系统原理图
1—滤油器；2—双联泵；3—多路阀；4、5—液压阀；6、7—立架油缸；8—单向节流阀；9—给进油缸；10—双速马达；11—节流阀；12—多路阀；13—溢流阀(背压阀)；
14—冷却器；15—油箱；16—压力表开关；17—压力表

(1)为避免回转运动和给进运动供油互相干扰，采用双联齿轮泵，大泵用于回转，小泵用于给进；
(2)动力头的给进和快速升降采用同一油缸，正常钻进时由小泵供油，快速升降时由大泵供油；
(3)液压马达的调速采用双速马达和旁路节流相结合的方式，扩大了调速范围，给进油缸采用回油节流的调速方式来限制给进速度；
(4)为防止钻进时发生角度变化，给进滑架的变角油缸设有液压锁。

3 钻进试验

3.1 实验室试验

钻机在校园内进行了试钻，结果见表1。

表1 试验条件及结果

岩性钻孔直径/mm 序号钻孔深度/m 钻孔倾角/(°) 平均时效/(m.h-1)
回填土/粉质粘土 130 1 15 30 20
回填土/粉质粘土 130 2 13 30 20.5
回填土/粉质粘土 130 3 50 15 12
回填土/粉质粘土 150 1 15 15 15
回填土/粉质粘土 150 2 14 30 15
花岗岩 100 1 1 90 6.1
花岗岩 100 2 1 90 5.5
花岗岩 100 3 1 90 5.8

注：在回填土、粉质粘土中采用螺旋钻进，普通锥形螺旋钻头，转速为30～100 r/min，液压系统压力为10～16 Mpa；在花岗岩中采用潜孔锤钻进，WC85型风动潜孔锤，转速为10～30 r/min，液压系统压力为10～16 Mpa，花岗岩试块尺寸为1.5 m×0.5 m×1 m。

3.2 工业性试验

样机先后在长春市站前国际商贸中心、人民大街新世界广场、建设街期货交易大厦进行了深基坑土层锚杆钻孔生产性试验；在大连不夜城大厦基坑锚索施工中，进行了岩石钻孔试验。

钻机在广东省地质工程公司、广东大地基础工程公司进行了生产使用，土层条件为：粘土、残积土、强风化泥质砂岩等，累计进尺282446 m，钻进效率为10 m/h，使用单位对其性能、效益等均给予很高评价。

4 结论

本项目经方案讨论、设计、样机试制、实验室试验、工业性试验几个过程，并分析、总结了国内外大量有关资料，1997年9月通过了吉林省科委组织的项目鉴定。鉴定委员会认为：

(1)MZ150型全液压多功能锚杆钻机是为满足我国岩土锚固工程施工需要而研制的新型钻机。具有结构设计合理、操作简单方便、制造成本低等特点。其各项性能指标均达到或超过了合同规定要求。
(2)该钻机变角机构、拧卸钻杆机构、给进机构新颖，实用性强。
(3)该钻机经过生产实践检验，可靠实用，使用操作方便，已经取得了较大经济效益。
(4)经国内外查新表明，该钻机就功能及钻进能力而言，与国内外同类产品相比，处于领先地位。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/6/2004)


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