牙轮钻机技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

牙轮钻机是一种包括有机械系统、压缩空气系统、液压系统和电气系统的产品。所有这些都融合于一体，以提供满足既定市场条件所需的穿孔、行走及控制功能。

机械系统实质上是钻机的主体结构和支承部分。机械系统由底盘与行走驱动装置、主机架、钻架及加压／提升驱动装置组成。

压缩空气系统通常由两台空压机组成。大空压机提供用于穿孔中清洗和冷却钻头、将钻屑排至孔外所需的压缩空气。由一台相对较小的空压机提供的辅助性压缩空气，主要用于为钻机提供控制用压气，如制动器和联轴器所需的压气。

液压系统困钻机的型式而异。它为钻进、辅助及控制功能提供动力。钻进功能包括回转、加压／提升和行走等，而辅助功能则包括启动钻架、千斤顶、卸扣、油缸、卷缆筒及钻架绞车。

电气系统实质上是补充或代替液压系统的功能。在柴油是钻机的主要动力的场合下，电力则限于照明和控制功能。在电力是钻机的主动力的场合下，电气系统包括所有钻进功能、控制功能和许多辅助功能。电气系统由三个相互依存的动力实体组成：交流系统、直流系统及其它的电子装备系统。交流系统给交流电动机、直流整流器及控制器、照明系统及控制装置提供电力。直流系统可用于驱动回转、提升／加压及行走功能。电子系统用于控制某些辅助功能、自动化功能及监测功能。

第二节 产品工艺特点或流程

由于采用了不同的或更流行的技术和操作经验，牙轮钻机已得到了发展。钻机上采用的液压、电力及电子技术系统的程度愈高和机械驱动系统的程度愈低，那种钻机的资本投入就愈大，作业费用就愈低。

1、在牙轮钻机上采用液压驱动系统，主要是开路系统，就全部或部分取消了需要大量维修时问和效率低的许多机械驱动系统，如直角传动系统、中间轴传动系统、带式传动系统和链式传动行走系统。过去20年间，在牙轮钻机上推广闭路静液力驱动系统，提高了液压系统的能量效率。而今，在较小钻机上，具有现代控制系统的开路和闭路液压系统两者都得到了广泛的应用，提供了经济有效的动力。

2、在大型牙轮钻机上引用电力(电动机一发电机组)驱动系统提供了一种能量效率比早期的机械和液压驱动系统更高的驱动系统。业已证明，该系统中的电力组件的尺寸和重量在几个方面都是一个重要的因素。它们明显增大了钻机的工作重量，它们对驱动提供了额外的惯性。最初的驱动装置具有华特—利奥纳式三磁场控制系统，易于维修，但由它对系统的温升和环境高温敏感，工作效率明显下降。70年代初，直流驱动的控制系统改进为固态技术，消除了对温度的敏感性，提供了很可靠的高效驱动系统。自80年代初以来，电动机一发电机组驱动系统已处于由静态(SCR—DC，即半导体控制整流器一直流)整流与控制系统所取代的过程。这类系统代表着向能保证更为经济的一种技术前进的步伐。

3、应用电子技术的牙轮钻机，约在l5年前就已进入了市场。采用一些早期的模拟技术来履行钻机上的自动化元件的功能，并提供监测数据。这类系统取得的成功虽然有限，但它们的确为钻进系统提供了某些保护性措施。不久前，具有可编程逻辑控制器的固态技术的发展取得了更大的成功。这类系统在单台钻机的应甩范围和功能方面往往受到限制，再者，只是在把自动化和监测系统组成一完整操作单元方面获得了有艰的成功。过去l0年已投入应用的这类系统已证实是有用的，它们已取得了节省费用和提高生产率的效果。80年代初投入应用的自动化系统，它可根据异常的钻头背压调整推压力，并在实时基础上调整回转扭矩，因而预防了许多回转电机和钻头的损坏 已经应用的一些监测系统取得了不同程度的成功。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

1、机械系统

未来的驱动装置将是全封闭系统，将免除多数日常的维修。监测将实现标准化。齿轮箱和液压油油箱的油位连同温度读数一起将使操作者能观察到实况，当超出极限时就自动停车。振动传感装置将直接置于轴承上，当振动信号超出预调极限时就会警示操作者。将利用 分析 器正确诊断哪个轴承或齿轮需要维修。

未来的多数钻机将采用齿条和没有加压链的加压系统，这种系统为钻具提供了最稳定的给进机构。齿条和齿轮系统可保持很高的轴压力，这是因为回转机构系刚性地装在钻架内，并对钻具提供了一约束端以大大加强其从钻架获得加载的能力。当正确对正和妥当支撑以降低系统的振动时，应由受控扭矩而特别注意钻具。依程序连接和卸开接头时亦应与钻扦整体进行。提高生产率的关键是提高回转速度。如果钻具偏离中心线转动或让钻具明显偏斜时。就会大大增强振动。

对于所有接头，自动化接杆装置将准确把各接头扭紧至规定的极限位置。这将使接口的磨损最轻，并使任何扭紧得不当的接头产生的振动问题最小。同样，松开钻杆的扭矩扳手经受的磨损与钻架无关，因为不再需甩回转机构来卸开接头。也不会在钻架中形成应力。还将更加强调钻杆的接卸机构。目前的钻杆接卸机构没有对钻杆的磨损和对倾斜钻孔中在连接接头时足能使其妥当定位的补偿功能，未来的钻杆接卸装置将对准钻杆，以便尽量减小每个接头装卸时的任何问题。

未来的钻机将采用完全均衡的重型结构，以便当施加重载荷时均匀地偏斜。硬岩中钻孔需要重型结构，以便减弱将引起明显磨损的振动和加强不足以有效传递载荷的任何接头或结构。

所有这些系统都将是自动化的。除补充钻头和钻杆外，操作者不必走到平台上去。操作室将采甩防坠落物装置，并将按人类工程学设计，以尽量减小设备产生的任何噪声或振动。消音技术，如抵消主要噪声振动的自噪声将甩于操作室和钻机周围其它重要地点，以尽量减轻在机房、操作室以及钻机周围的危害。

2、液压系统

由于钻孔业要求减少日常维修工作量，未来的液压系统将限于配合间歇式操作的装置。寒冷的环境和大型设备上的巨大振动将比电力系统要更快地使液压系统恶化。从而，未来多数大功率的驱动装置将是电力的。多数液压系统将采用比例控制装置，以顶替操作者的感觉，并将装备自动调平装置和其它电子控制的液压系统，以适应钻孔过程的作业。

3、排碴压气系统

未来的压气系统将有以PLC（可编程序逻辑控制器）为基础的控制装置，以保证输出的排碴压气量能适应不同岩层条件下的孔径和钻杆直径。根据实测的孔径和钻杆直径，操作者即可调整钻机达到最高生产率时的压缩机排气量。压气向上排碴的功能对钻头的钻进速度有明显的影响，从而需要适当控制排碴气流速度。一般而言，在未来的钻机上，将要求更大的压气量。以保持排碴速度在6000～7000英尺min左右（1英尺=0.3048m）。

4、电气系统

多数未来的钻机的顶部回转驱动机构和主要动力系统将由目前的静态直流装置演变到未来的静态交流装置。紧凑的结构和这些装置的坚固程度，结合现代控制系统。将使这些驱动装置能对钻机提供优良的服务。所有装置将是无链条的。并将装备全封闭式齿轮箱。

5、电子系统

在钻机结构上．最明显的变化将是电子控制装置对主动力驱动系统的接口。由于以最低单位输入功率达到最大穿孔速度，推进速度将随回转速度和钻头类型的变化而受到控制。因穿孔速度将受到控制，从而钻头便以对应于钻头类型的精确恒定的穿孔速度推进。振动将减至最小，功率的消耗量将减到最小，而推进速度将达到最高，因为产生的将是理想的岩屑。


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