JF380非开挖水平定向钻机技术介绍及设计说明

1、JF380 非开挖水平定向钻机技术介绍及设计说明佟明内容提要：本文主要对 JF380 非开挖水平定向钻机的 工作原理、技术特点、性能参数、结构原理、关键技术和 关键部件做了较详细的说明。重点对动力头的设计做了详 细介绍和说明。关键词： 非开挖 JF380 钻机原理 设计介绍一、非开挖技术简介 非开技术是指利用少开挖或不开挖的方法对地下管 线、管道进行铺设、维修、更换或者探测的一门施工技术。 非开挖施工应用了定向钻进技术的原理，极大地降低了地 下管线施工对交通、环境、基础设施、居民生活工作等造 成的影响，成为现代城市技术设施施工、建设、管理的一 个重要组成部分。非开挖施工开始于 1896 年的美国，兴起于上世纪 80 年代发达国家并形成产业，我国于 1953 年首次在北京应用 非开挖技术施工，上世纪 90 年代开始起步，近年来发展迅 速。目前在石油天然气、城市给排水、煤气供应、电力、通讯、供热等管道铺设与维护领域得到了广泛应用。非开挖水平顶钻机的工作原理和施工程序主要分为下 面三个步骤：1、钻头、钻杆钻进固定设备后，按照设定的角度，在动力头的作用下， 钻头带动钻杆旋转前进，并在导向仪的控

2、制下，按照施工 要求的深度和长度进行钻进，穿过地面障碍物后，穿出地 面。在钻进的过程中，为防止钻杆被土层夹紧、抱死，需 要由泥浆泵通过钻杆、钻头打出膨化水泥或泥浆，同时也 起到固化通道，防止管道塌陷的作用。钻杆钻进示意图2、回扩头回扩在钻头带着钻杆穿出地面后，卸掉钻头，将回扩头于 钻杆安装固定，动力头回拖，钻杆带着回扩头反向回拖， 扩大管道直径尺寸。回扩示意图3、管道回拖在回扩头回拖的同时，将管道固定在回扩头后，动力 头拖动钻杆，带着回扩头和管道同时进行反向回拖运动， 直至将管道拖出地面，完成管道铺设施工。管线回拖示意图二、JF380非开挖水平定向钻机的基本结构无论是大型还是中小型水平定向钻机 , 其基本结构都 包括主机、钻具、导向系统、泥浆系统，有的还配备智能 辅助系统。我们设计的JF380非开挖水平定向钻机设计思路 为中端产品，故未配备智能辅助系统。1、主机主机主要由底盘、发动机、动力头、驾驶室和泥浆系 统构成。（1）底盘的设计JF380水平定向钻机底盘为液压驱动，刚性连接式车 架。行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮 履带总成、履带张紧装置、行走减速机 和纵梁组成 。底

3、盘示意图行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后 , 与中间整体 框架式车架焊接成为一个整体车架。车架后端设置 2 个支 腿, 可有效降低支腿部分重力及简化结构 , 工作时支腿支 起, 增强整车的稳定性。行走减速机选用进口的内藏式行星减速机 （ 包括马 达）, 输出扭矩大、结构紧凑。履带采用金属履带，强度高 , 可承受更大的载荷, 损 坏后可以更换。（2）发动机的选用水平定向钻机的发动机系统包括发动机、散热器、空 滤器、消音器、燃油箱等。发动机作为设备的心脏，其功 率和性能是衡量钻机能力的重要指标，钻机在钻进和回拖 的过程中，往往需要以恒定的载荷运行。钻机工作时功率消耗主要集中在旋转和泥浆上，由于JF380水平钻机采用油缸进给机构，所以功率消耗不大，减 小了系统的发热量，同时油缸进给机构效率高。通过对动力头、泥浆泵的载荷计算，同时对比借鉴了 国内其他大规模厂家的 4 0吨左右非开挖设备的发动机配 置，最终选择康明斯160Kw发动机。在可以完全满足钻机工 作需要的同时，让机器在动力方面拥有更加卓越的表现， 远胜徐工等厂家选配的140kw发动机，从而在市场竞争中更 具优势。（3）动力头的设计动力

4、头是钻机设计最重要的部分，如果说发动机是机 器的心脏，那么动力头就是核心。其功能主要有 : 驱动钻 杆钻头回转; 承受钻进、回拖过程中产生的反力 ; 泥浆进 入钻杆的通道。动力头由两个低速大扭矩马达驱动减速机 , 由减速机 驱动减速箱 , 再由减速箱输出轴驱动钻杆转动 , 输出轴中 空, 结构如下图所示。r动力头示意图 动力头功率计算如下：动力头旋转在额定 15000N.m 扭矩，仅 63ml 泵供油工作时：额定压力 20MPa液压传动装置总效率n y=0.85减速箱机械效率:n j= n 齿轮* n 轴承=0.96*0.98=0.94液压泵总效率:n b - 0.8考虑管路及阀件中压力损失的效率:n gu (201 5)/20=0.93总效率:n 总=n y* n j* n b* n g=0.85*0.94*0.8*0.93=0.59 液压泵总功率 :Q=P*q*n/(60* n b) =20*63*2200/(60*0.88)=52500(W)式中：P 液压系统压力 q 液压泵排量n液压泵转速n b液压泵机械效率动力头旋转在额定15000Nm扭矩，63ml+32ml泵供 油工作时：

5、额定压力 20MPa液压传动装置总效率 :n c=0.85减速箱机械效率 :n j= n 齿轮* n 轴承=0.96*0.98=0.94液压泵总效率:n bu 0.8考虑管路及阀件中压力损失的效率:n g (2025)/20=0.88总效率:n 总=n c* n j* n b* n g=0.85*0. 94*08*0 88=0.56液压泵总功率 :Q=P*q*n/(60* n b)=20*(63+32)*2200/(60*0.88)=79166(W)式中：P 液压系统压力 q 液压泵排量n液压泵转速n b液压泵机械效率(4) 动力头回转机构的设计 由于动力头钻机具有给进行程长、传动链短、结构简 单、操作方便等特点 , 所以选用动力头作为回转运动的输 出机构并将其作为本设计的回转机构。给进/回拖机构是动 力头回拉或进给运动的执行机构 , 通过液压马达、减速机 链条, 由链条向动力头提供进给力或回拉力，前后油缸协 调动作, 以调节合适的钻进角度。动力头给进/ 回拖机构示意图5）夹持器的设计JF380非开挖水平定向钻机采用前夹紧设计，夹持器有夹紧与旋转两个动作，配合动力头完成装卸钻杆的任务。

6、夹持器钳主要由2 个夹紧体和加力机构构成 , 夹紧体主要 由钳臂、夹紧块、 V 形块构成; 加力机构由带有左右旋向螺纹的十字形螺杆和分别带有左、右旋螺纹的 2 个销轴构 成。带牙的V形块用螺钉分别固定在钳臂和夹紧块的凹槽 内，活节螺栓与钳臂通过销铰接 ; 螺杆和加力臂成十字形 焊在一起, 构成十字形螺杆。工作时, 分别将钳臂和夹紧块通过活节螺栓、螺母夹 紧两钻杆相邻端部 , 将带有左、右旋内螺纹的左、右销轴 分别从十字形螺杆两头旋入 , 并将左、右销轴分别插入两 钳臂的末端销轴孔, 用限位销分别将左、右销轴限位,转动 十字形螺杆, 即可实现钻杆的拧紧或分离。夹持器翻转工作示意图(6) 驾驶室针对野外施工环境，JF380非开挖水平定向钻机专门为 操作者设计了驾驶室，并在驾驶室内配置了空调系统。这 是国内其他钻机厂家从未做过的设计，虽然增加了生产成 本，但是为操作者提供了更加舒适的工作环境，充分体现 了人性化设计的理念，提高了设计层次和产品档次。2、 钻具(1) 钻头钻头一般为楔形 , 在前进过程中 , 若钻头不断旋转 , 则钻进轨迹为直线。当钻头想绕过障碍物或以一定曲率半 径前进时 ,

7、钻头停止转动 , 使楔面停留在某一角度再推 进。这样 , 钻头就以与楔面相背的方向前进。改变钻孔方 向就是依靠导向设备，应用此原理来控制钻头的姿态从而 实现的。钻头斜板通常有喷嘴 , 高速膨胀水泥或泥浆从喷嘴喷 出, 对土层进行冲刷、加固。对不同土层 , 应选用不同的 钻头，如在较软的粘土中 , 一般选用较大尺寸的钻头 , 便 于在推进过程改变方向；在较硬的钙质层中 , 选用较小的 钻头；而在硬岩钻进则要选用特殊的钻头 , 如镶焊小尺寸 硬质合金钻头。由于日后的销售主要针对东北市场，所以针对东北的 土层结构我们选用了河北中星穿越公司生产的巾130mm硬 质钻头，使用简单、方便，结实耐用。(2)钻杆钻杆为中空结构，这样才能让膨胀水泥或泥浆从中穿 过，但是又必须有足够的强度, 以免扭折、拉断； 同时还 要有足够的柔性, 才能钻出弯曲的孔道。在长距离穿越中 , 钻杆的长度直接影响钻进效率 , 特 别是采用有线导向时, 长钻杆使钻杆连接次数减少 , 将明 显节约连接时间。我们为JF380非开挖水平定向钻机选配的是河北中星 穿越公司生产的巾73 x 3000mm，壁厚9. 19mm的钻杆。完全

8、能够满足施工要求。带钻头的钻杆示意图(3)扩孔器扩孔器种类繁多 , 不同的扩孔器适用不同土层。如凹 槽状扩孔器适用于沙地和含有岩石的紧密沙地 , 而在粘性 高的粘土中运行容易变成球状 ; 杆状切割器适用于硬土 层、粘土层 , 而无法在岩石地或卵石地有效运行。扩孔器 需要按照具体的施工环境来具体确定，JF380钻机的设计性 能是能够穿越硬土层和冬季的冻土层，并顺利回扩 1000mm 一下的孔。这点也顺利的通过了后来的实际施工检验。导向完之后从八方套拆开接扩孔器扩孔器心轴公拉头 (3T)分动器 母拉头扩孔器示意图3 、导向系统导向系统包括无线导向系统和有线导向系统。无线导向系统由手持式地表探测器和装在钻头里的探 头组成。探测器通过接收探头发射的电磁波信号判断钻头 的深度、楔面倾角等参数 , 并同步将信号发射到钻机操作 台的显示器上 , 以便司钻及时调整钻进参数以控制钻进。在穿越河流、湖泊时 , 由于地面行走困难或钻孔深度 太深 , 电磁波信号难以接收 , 就必须使用有线导向系统。 探头通过钻杆后接电缆把信号传给操作台，来指导司钻操 作钻机。4、 泥浆系统泥浆系统是保证扩孔以及管道回拖顺利进

9、行的重要设 备。膨胀水泥、膨润土、水以及添加剂等在泥浆罐里充分 搅拌混合后, 通过泥浆泵加压, 经过钻杆从钻具喷嘴喷出 , 冲刷土层并把钻屑带走 , 起到辅助钻进的作用。钻进泥浆 还可冷却钻具 , 以免钻具过热而磨损。钻进泥浆的另一重要作用是在回拖管道时降低管壁与 孔壁之间的摩擦力。在理想状态时 , 管道是悬浮在泥浆中 被拉出, 因此在实际工程中 , 若钻孔成型好时, 管道所需 的拉力往往比预料的要小得多。水平定向钻管孔直径一般比较大 , 孔壁稳定性差 , 而 钻进泥浆凝固后 , 可以起到稳定孔壁的作用。泥浆泵工作功率计算如下：泥浆泵在仅32+32ml泵供油，油压20MPa压力下工作时：泥浆泵自身总效率:n n=0.7泥浆泵驱动马达总效率:n m= n 容积* n 机械=0.96*0.91=0.87液压泵总效率:n b - 0.8考虑管路及阀件中压力损失的效率 :n gu (20-1 5)/20=0.93总效率:n 总=n n* n m* n b* n g=0.7*0.87*0.8*0.9=0.45液压泵总功率:Q=P*q*n/(60*n b)=20*64*2200/(60*0.88)=52500(W)式中：P 液压系统压力q 液压泵排量n液压泵转速 n b液压泵机械效率最终我们选用的衡阳BM320泥浆泵，最大流量为 320L/min，最大压力 10Mpa。三、设备技术指标及设计要求JF380 水平定向钻机最终的技术参数为： 发动机功率： 160kw最大给进/回拖力： 380/380KN最大扭矩：15600N *m

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