工程钻机应用研究

王帅

[摘要]本文通过分析现阶段工程钻机的应用情况，归纳了目前工程钻机应用与推广中存在的问题，以GCPS-20型工程钻机为例提出了工程钻机在应用和推广中的一些建设，总结了该研究成果，为工程钻机的应用推广研究提供了依据。

[关键词] 工程钻机;系统;变速箱

随着国家基本建设的投入持续增长，尤其是像奥会奥运场馆等一批国家重点项目的陆续启动，将对工程钻机技术要求更高、钻機不仅要具有高效性、环保性，更要具有复合性。通常使用的工程钻机在工作时只有钻进，当遇到较为坚硬的岩石层，如卵石、灰岩、花岗岩等硬岩石地层，就不得不改变钻进方位，或另钻它孔。

1.国内外研究现状

随着全球经济的高速发展，各类建筑和工程施工的数量激增，工程难度日益加大，质量要求越来越高，极大的推动了各类基础处理施工技术的发展，尤其是近 20 年来，由于建筑的大型化和高层化，各种处理范围广，效率高，污染少，成本低的深基础施工工法，如大型旋挖桩、地下连续墙、各种锚固、高压旋喷、深层搅拌等已成为基础工程施工的重要手段。而现有国产基础施工设备效率低下，污染严重，不能适应新施工技术的要求，施工企业一直在大量进口该类设备。加大开发适合我国国情的新型基础工程施工钻机的力度，满足市场急需，替代进口，是该类设备制造业的首要任务。

2.存在的主要问题

工程钻机是在我国改革开放后才得以蓬勃发展的，但大部分钻机主要是在原水井钻机的基础上演变过来的，钻机直径较小。这几年向大型化发展趋势非常明显，过去只能钻1.5～2m孔径的钻机已不能满足要求，能完成2.5～3m孔径的钻机生产企业较少，大扭矩、大功率配置是这类钻机的特点。目前这类钻机仍以转盘式泥浆正循环或泵吸反循环形式为主，多采用门形钻塔，型钢底盘散装形式，钻孔直径增大后，转盘、卷扬机等部件都随之增大，使整机更为笨重、庞大，而且钻机直径增大后，落后的泥浆循环钻进工艺对环境污染更为明显，不少地区出现了限制使用的情况，这就限制了这类钻机的发挥。

3.以JCPS-20型工程钻机为例

3.1方案设计

在这一阶段，要按选择最优方案所需的技术—经济论证来制定产品总体和主要部件方案，同时要确定关于工作原理、可靠性和强度的问题范围，这些问题必须加以研究，有些要得到实验验证。要对不致太大影响技术任务书中规定的设计对象，它的最终主要指标的那些结构要素作近似计算。如果想在有接近于设计对象的实际样机，就可以不经过计算而拟订各个机构要素，但在方案设计中，为了进行于选择最优设计方案有关的技术—经济计算，必须充分精确地估计对最终结果有影响的参数。

在确定设计原理方案时，还必须体现机械工业的技术发展政策。根据机械的实际工作情况，尽量采用微电子技术和新型材料，设计机电一体化产品。

3.2技术设计

在技术设计中，要拟定设计对象的总体和部件，具体确定零件的结构，对所设计的机械产品提出的要求是：制造和维护经济，操纵方便而安全，可靠性高，使用寿命长，为了能达到这些要求，零件应满足一些准则，简而言之，可以用：“明确、简单、安全”六字来表达。

4.系统原理

GCPS-20型工程钻机的系统主要由传动系统、气动系统、电动系统、工具系统等系统组成。其中传动系统是指电机的动力经皮带传至变速器，变速器为一进三出结构，一路输出经齿轮传至主副卷扬机;一路输出至减速器，经由万向轴传至转盘，供回转钻进;一路输出经链轮传动冲击卷扬机，供冲击提升。气动系统是指空压机输出压力气，由空气包至气控箱，分两路经操纵阀控制，传至冲击卷扬机两只气胎离合器，完成冲击提升及降落。电气系统是指控制电机启动及关闭，为气动系统提供电源控制，为操纵箱提供控制系统。工具系统是指游动滑车、水龙头、主动钻杆、孔内钻杆、加重块、刮刀钻头、垫叉组成回转钻进工具系统。游动滑车、水龙头、孔内钻杆、冲击排渣管、冲击钻头、孔口导向工具、垫叉组成冲击钻进工具系统。

5.各部件功能

5.1转盘

转盘用于驱动主动钻杆及钻具回转，转盘系一级圆锥齿轮传动机构，通过大锥齿、转台、大、小补心驱动钻杆工作。

5.2减速器

减速器是进一步降低转速、提高扭矩而设计的，有两档变速，由双联滑动齿轮实行。

5.3变速箱

变速箱为二轴一级变速箱，有三档变速，由单、双联齿轮滑移实现变速。变速箱内有正、反转装置，由双向牙嵌离合器实现，单向牙嵌离合器实现卷扬机离合。

5.4主、副卷扬机

主、副卷扬机均为行星式卷扬机，靠制动行星轮来实现钻具的提升。

5.5底座

底座由滑台、下座、油缸、孔口板组成，转盘、卷扬机组固定于滑台上，钻塔固定于下座上，油缸一段固定于滑台，另一端与孔口板相联，油缸用于滑台的后移和孔口板开合

5.6钻塔

钻塔用于悬挂游动滑车、水龙头和提升器等提升设备，结构形式为“n”型，钻塔内设有导向槽和主动钻杆后置悬挂装置，导向槽用于水龙头导向，悬挂装置用于换接钻杆时主动钻杆不落地。钻塔起落由油缸完成。

6.锥齿轮的计算

7.研究结论

这台JCPS-20型工程钻机是集回转、冲击钻进工艺于一体的多功能复合型钻机，用转盘回转钻进时可用于第四世纪覆盖层，冲击钻进时可用于卵石、灰岩、花岗岩等硬层地层，最大钻孔直径为2000毫米，钻机为机械传动，机械液压操作，操作方便、可靠。动力为电机，主、副卷扬机均采用行星式卷扬机构，提升能力强，辅助水龙头后置悬挂装置，主动钻杆不落地，减轻劳动强度，缩短辅助作业时间。

[参考文献]

[1]成大先.机械设计手册[M]第一卷、第二卷、第三卷.北京：化工工业出版社，2018

[2]贺利乐.机械系统动力学[M].北京：国防工业出版社，2014

[3]焦健.铁路工程地质钻机的现状与发展[J].现代工业经济和信息化，2020（12）：120-125.

[4]卢玉忠，尤克强，吴艳，张发智.水井钻机和工程钻机的现状及展望[J].探矿工程（岩土钻掘工程）.2004（7）：33-34.

山东协和学院 工学院 山东济南 250109