地表岩心钻机动力头液压系统设计(液压系统经典设计实例)

组合机床动力滑台液压系统 4.3 工况分析
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
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 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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42所示。
液压系统传动设计 第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4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。
组合机床动力滑台液压系统 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
组合机床动力滑台液压系统 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 4.2 动力头液压系统方案拟定
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。 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 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.2 动力头液压系统方案拟定
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.3 工况分析
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。
开式循环回路正反转线路图。
组合机床动力滑台液压系统 4.2 动力头液压系统方案拟定
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。
组合机床动力滑台液压系统 4.2 动力头液压系统方案拟定
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。
组合机床动力滑台液压系统 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 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
4.1.6 设计参 数 (1)最大钻进深 度1000m(对应 φ73mm钻杆)； (2)钻孔直径范 围 57.15~117.47m m；(3)柴油机 最高转速为
组合机床动力滑台液压系统 4.2 动力头液压系统方案拟定
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REXROTH A6V系 列液压马达，意大利的BREVINI H2V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。
组合机床动力滑台液压系统 4.1 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。
组合机床动力滑台液压系统 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 地表岩心钻机动力头液压系统设计要求
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。