钻通ZT－150H型非开挖铺管钻机研制

魏华超

（无锡市钻通工程机械有限公司，江苏 无锡214161）

1 引言

目前，非开挖市场前景广阔。随着世界人口的不断增长，工业化程度的不断提高，各种燃气，石油，自来水，电信管道的铺设非常广泛，现在市场的需求量由小型设备转变为中大型设备。由于一些直径大的管道需要铺设，尤其是在一些偏远的山区以及岛屿地带，也需要铺设一些自来水管道，要穿越河流，山体等障碍物，不便于明挖，这就需要非开挖设备来施工，满足那些地区的人们的生活需要。

2 整体方案设计

非开挖钻机有整体与分体式两种结构形式。由于整体式结构对于大吨位钻机而言，体积大、重量重，行走不灵活，运输极不方便；又因市场的需求，工程施工的需要，设备能力加大，但单件重量要适合运输。为此，我们研制了一种分体式全液压非开挖钻机，方便拆装与运输，适合长距离的搬运以及在恶劣的路面上自由行走。

该钻机采用全液压多泵组合传动方式，主泵提供回转与给进回拉，副泵提供夹持与辅助动作及履带行走马达动力。动力头、钻架、夹持器、行走小车、起塔油缸构成塔架部分；柴油机、油泵组、吊车、支脚、履带车构成动力站部分。这两个部分是该钻机的重要组成部分，发挥着重要作用。当移动钻机时，把塔架前端油缸顶起，在履带车的牵引下行走；当钻机工作时，履带车从塔架下开出，然后起塔油缸支起调整施工角度，前后地锚装置固定好，油管与电器连接一块，通过操纵室来实现给进、回转、夹持、卸扣一系列的动作来进行施工。总体来说，该钻机分为两大块：动力站与塔架，这种分体式结构便于安装调试运输，操作灵活，其中夹持器结构采用全程移动方式，更方便拆卸钻杆。动力站及其塔架如图1、2所示。

3 钻机的主要机构与参数设计

3．1 钻机的主要机构

ZT－150H型非开挖钻机具体可分为九大部分：动力头、钻塔、给进机构、履带车、夹持器、动力站、液压系统、电路系统、地锚装置。

（1）动力头

动力头采用整体封闭齿轮箱体式结构，箱体通过齿轮的转动实现飞溅润滑；空心主轴后面配备旋转水龙头结构，方便泥浆与水从后面通过进入钻杆中达到施工要求；驱动方式通常有3种，大多数采用中低速马达驱动。①低速大扭矩马达直接驱动；②低速大扭矩马达通过减速机传动；③高速马达通过行星减速机和齿轮传动。就以上3种驱动方式而言，①与②这2种方式速度慢，转速调节范围窄，扭矩比较大，③转速快些，调节范围宽，由于本钻机要求转速范围有3个档位，同时要求转速也较高，所以选择③传动方式。动力头还要配备浮动结构，一般有2种方式：整体浮动与主轴浮动。整体浮动是箱体下端通过2根销轴穿在与箱体相连接的小车架上，然后通过在箱体前端安装一个小油缸来支撑，始终让箱体处于后端，钻杆上扣时拉动箱体前进防止丝扣损坏，制作方便。主轴浮动是指在主轴前端分2段，前端主轴固定在花键套内，花键套与后端主轴相连，中间带有密封装置，防止漏水，此方式也应用较普遍，但是加工周期长，制造精度高。ZT－150H型钻机采用前一种浮动形式。

图1 履带式动力站

图2 塔架

（2）钻塔

钻塔结构形式有多种，如桁架式，型材拼接式，板材拼接式，型材与板材相结合式等。由于桁架式结构有些复杂，同时加工工艺比较麻烦，焊点比较多，型材与板材这两种形式，虽然焊接方便快捷，但是存在制造精度低不能直接满足使用要求。ZT－150 H型钻机采用型钢与板件焊接而成，整体刚度比较好，采用对称结构，便于加工制造，前后有支撑点，后支撑采用油缸连接，可以方便的调整钻塔角度，满足施工要求同时后支撑点处增加限位，避免履带车与塔架整体行走时产生振动，导致整机不稳。

（3）给进机构

给进机构有3种传动结构方式：①油缸直接推进式；②链条马达式；③齿轮齿条式。由于油缸直接推进式给进力大时，油缸制作起来比较大而且笨重，再有油缸杆不能做的过长否则容易弯曲，稳定性不好，传动环节比较多，不便于拆装。链条马达式在给进回拉力比较大的情况下，链条不能承受较大载荷，容易拉断，传动起来不是很平稳。齿轮齿条式传动扭矩比较大，传动平稳，受力比较均匀，同时不受行程的限制，更适合大吨位钻机。本机采用多组马达同时驱动齿轮，与固定在钻架上的齿条做相对运动来实现给进与回拉。

（4）履带车

履带车可以与钻塔拆装分离，也可以驮着钻架行走，底盘类似挖掘机底盘，它包括驱动轮，涨紧轮，承重轮，支重轮，链轨（所谓的四轮一带）。刚性连接式车架，行走方便灵活，适合泥石路以及路面凹凸不平的道路，外置控制盒操作，可以远离设备控制，防止意外事故发生。

（5）夹持器

夹持器结构有对夹式与三爪式两种。对夹式加工制造方便，同时稳定性也较好；三爪式虽然受力均匀，夹持体上的3个等分加工难度高，同时3个油缸的同步性比较差，难于保证3点同时着力。因此，本机采用双油缸对夹方式，夹持力大，对中性好，夹持器整体可以自由移动，方便拧卸钻杆丝扣；卸扣采用双边油缸同时着力，卸扣扭矩大，来满足施工的需求。

（6）动力站

动力站可以独立行走，发动机采用美国进口康明斯品牌，动力强劲，配备豪华装饰的超大驾驶室，带有大吨位吊车，可以吊运钻具，方便安全，四周还有支腿支撑增加整体稳固性。

（7）液压系统

两组油泵与柴油机通过分动箱连接，传动平稳，回转与给进采用闭式系统，单独使用不会与其他系统有任何干涉，功率上比较强大能满足性能要求，同时闭式系统变量泵为集成式结构，补油泵及补油、溢流、控制等功能阀组集成于液压泵上，使管路连接变得简单，不仅缩小了安装空间，而且减少了由管路连接造成的泄漏和管道振动。由于仅有少量油液从油箱中吸取，减少了油箱的损耗；采用开式负载敏感系统，此负载敏感回路包括轴向柱塞变量泵，负载感应驱动机构和配置有负载感应梭阀网络的比例多路换向阀构成。多路换向阀中负载感应网路通过一系列梭阀与每个工作控制阀片的A口和B口相通，从而保证所感应到最高负载压力可以通过梭阀传至变量泵的控制阀。负载感应网路的LS口与变量泵负载感应控制阀的X口相连负载感应控制的变量泵，它基本消除了无效功的发热损耗，系统的发热损耗仅限于换向阀进出口实际流量的压降发热损耗，而且随实际系统工作压力的变化保持恒定，节省功率，性能优越，系统稳定可靠。

3．2 主要参数

发动机功率：448k W

给进／回拉力：1500k N

回转转速：0～30，0～60，0～90r／min

回转扭矩：66k N·m

给进行程：6．6m

给进行走速度：0～0．45m／s

钻杆直径：114mm

入射角度：8～15°

外形尺寸：11800×2550×3360mm

4 结束语

目前，此非开挖钻机样机已经制造完成，调试与部分性能测试也已完成，可以和国外的设备相媲美，操作方便灵活，可以适合一些恶劣工况的施工，对岩石工况更为适合，即将应用到实际施工中去。

［1］ 成大先 ．机械设计手册 ．北京：化学工业出版社，2002．

［2］ 花容 ．非开挖导向钻机中几种主要结构设计［J］．探矿工程（岩土钻掘工程），2009（8）．

［3］ 路甬祥 ．液压气动技术手册 ．北京：机械工业出版社，2002．