大口径大推力水平钻孔机的设计方案
施工技术研究所 丁英立
一、概述
** 工程是西部大开发标志性工程，该工程己开工建设。管道建设总长4000公里，管径1016mm，在管道工程施工中，铁路穿越35次，公路穿越421次。有望启动的中俄“俄**南送”工程，绵延2000多公里也必将经过大量的铁路、公路。在这类地带如果采用大开挖施工，显然已是不可能，必须采用穿越施工方法。如采用定向穿越进行公路、铁路的施工，因施工管径大，并且穿越距离较短，工程造价相对较高。如果采用水平钻机顶管穿越施工就能很好的解决这个问题。在国内公路、铁路的穿越施工一般采用夯管施工方法及液压顶管施工方法，但施工管径都比较小，一般在219—720mm之间并且施工穿越距离较短。** 管道工程，中俄“俄**南送”工程在穿越铁路、公路时，预先穿越施工的套管直径大，并且穿越距离较长，如采用原有的穿越施工设备己无法完成施工，根据这种情况亟须研制一种大口径大推力的水平钻孔机来进行** 管道套管的穿越施工。对该研究课题的提出也正是基于此目的。
二、水平钻机设计方案及设计参数
钻机的设计参数是以美国奥格公司同类型钻机技术参数为参考并根据大口径管道穿越公路、铁路施工的实际情况而确定的。
美国奥格公司60—1200s钻机技术参数如下： 发动机功率：119Kw@2300rpm 最大施工管径：1524mm(60”) 钻杆输出扭矩：175139 N.m@8 rpm
24427 N．in@58 rpm
最大推力：5338 KN
液压系统工作压力41.37 Mpa 推力**缸直径：203.2mm(8”) 推进**缸行程：890mm(35”) 但根据公式P=T·n／9550
即P=T·n／9550=175139x8／9550=146 Kw>119 Kw
根据以上技术参数通过计算得出，该型号钻机输出扭矩对应的输出转速不符，即在标定的输出扭矩下输出转速要相应降低。
美国奥格公司60—1200s钻机的驱动方式为：以柴**发动机为动力源，柴**机主输出端配装离合器、
变速箱，再经由行星齿轮减速器终输出，通过驱动螺旋钻杆旋转出土。柴**机后输出端装配高压**泵驱动液压缸伸缩，作为钢管推进的主动力。这种驱动方式的优点是：由于驱动钻杆旋转为机械传动，效率较高，因只有钢管推进装置采用液压传动，使液压系统整体结构较为紧凑。缺点是：外型尺寸较大，整机重量大，造价较高。又因钻杆转速的调整是通过人工手动换挡操作，控制较为复杂，并且在钻土和顶进同时进行时，由于掘土功率不可控制，易使发动机熄火。
根据奥格公司60—1200s钻机的驱动方式和国内发动机的应用特点，以及大扭矩行星减速器的选择，我们设计方案拟订钻机采用全液压驱动方案，即采用液压缸作为钢管顶进的执行机构，采用液压马达直联行星减速器作为驱动螺旋钻杆旋转的执行机构。采用全液压方案，钻机的整体结构尺寸小，重量减轻，造价相对降低，钻杆旋转可通过液控比例手柄控制做到无级调速。整机控制方式简便，对操作人员的技术要求较低。但是与国外钻机的机械传动方式相比，效率较低。
钻机的技术参数确定如下：
1、发动机功率为102KW，额定转速为2100r／min； 2、最大施工管径1500mm；
3、额定推力589吨，最大推力618吨； 4、最大推进距离80米；
5、额定推进速度0.5 m／min，最大推进速度0.6m／min； 6、钻杆旋转扭矩19100Nm--110000Nm(3 rpm--27rpm) 7、推进液压系统工作压力为31.5Mpa； 8、钻杆旋转液压系统工作压力为40Mpa。 三、钻机分部设计方案 1、发动机的选择：
发动机的选择是依据在推进钢管和钻杆旋转出土时所消耗的功率的总和，以及在这两项工作同时进 行时的功率分配而确定的。
在额定推力589吨，推进速度0.5m／min时消耗的功率为： P=F·V=589×102×102×0/5／60=49 Kw 在钻杆旋转最大扭矩下所消耗的功率为：
P=T·n／9550／n= 110000×3／9550／0.9／0.8=45.5Kw
功率总和为94.5Kw。考虑到在施工时推进和钻杆旋转出土并不同时在满负荷状况下应用，功率可进行互用。因此，选用功率为102 Kw的玉柴工程机械用废**蜗轮增压柴**发动机。
2、推进系统方案：
钢管推进是顶管器通过由4个液压缸推动来执行完成，顶管器可根据施工管径的不同来进行选配使用。液压缸安装存机器的底部，目的是为了降低机器的重心，减小在顶进时机器的倾覆力矩，顶进液压缸一端作用在行走机器上，一端通过固定销固定在基座轨道上。顶进液压缸基座上的固定销由伸缩液压缸控制。在道轨上两侧，每隔一定距离设有锁定固定销的开孔。当推进**缸顶进钢管后，固定销通过伸缩液压缸回收，推进**缸带动固定销回缩，当到达基座另一个组开孔后，固定销再由伸缩液压缸伸出插入基座的开孔内固定。推进**缸伸出继续推动钢管前进，周而复始。推进液压系统的液压泵采用德国力士乐公司产品A11V060开式泵，该泵的最高工作压力可达35Mpa，能满足推进使用要求。并且通过对泵实行恒功率控制，在推进时保证最大推力，但推进速度会相应降低。
3、螺旋钻杆旋转系统方案
螺旋钻杆旋转驱动主要目的是为了将钢管内的土质通过钻头掘下，并通螺旋钻杆将其向管外输送，以利于钢管的顶进。钻杆驱动采用两个变量液压马达直联行星减速器再经一级开式齿轮减速器进行减速来完成。
液压传动方式采用闭式传动方案。液压泵及液压马达采用德国力士乐公司产品，液压泵为A4VG90闭式变量泵，液压马达为／A6VE107变量马达。为了存螺旋钻杆旋转出土及钢管推进时防止因功率使用过载而造成发动机熄火，该液压系统也采用了恒功率控制。行星减速器也同样采用力士乐公司产品。
闭式液压泵及液压马达的工作压力可达40Mpa，能达到设计要求的输出扭矩，钻杆的驱动旋转轴采用4”六角钻头与钻杆相联，插装快速方便。
4、螺旋钻杆及钻头设计方案
螺旋钻杆在输送土的过程中，将承受很大扭矩，因此钻杆选用**使用的高强度钻杆，根据施工管径的不同在钻杆上焊接相应直径的螺旋叶片。为了运输及安装的方便，钻杆设计以3m一5m为一节。钻头的设计直接影响着掘土效率，钻进时钻头采用外伸方案，即在钢管外部掘土施工。钻头制作采用四爪飞旋式结构，在每个飞旋爪上安装由高强工具钢制作的切割刀具，并且可根据不同地质情况更换钻头。
5、行走导轨架设计方案
行走导轨用于钻机推进行走及推进**缸的固定，推进导轨采用槽钢制作并对其加强，并在导轨两侧开取固定销的开孔。为了运输的方便，每条导轨架设计长度为3m-4m，撬装式结构。在安装时采用螺栓将其联接固定。
6、控制系统方案
钻机液控系统由两台液压泵，两台液压马达，4根推进**缸，2个伸缩**缸及两个液压先导控制阀组成。推进**缸通过液控换向控制阀进行控制，伸缩**缸通过电磁换向阀进行控制。闭式泵和开式泵均采用恒功率控制，通过两个液压先导控制阀控制。由于本机主控部分采用了液压先导控制，电控部分较
少，操作较为简单方便。
四、结束语
在长距离大口径管道的施工中，为顺利完成铁路、公路的穿越，做好大口径大推力水平钻孔机的技术储备研究是十分必要的。
（本文获2002年度公司优秀技术论文二等奖）
1053丁英立：大口径大推力水平钻孔机的设计方案.doc
