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簡介

貴陽白云專賣潛孔鉆機的廠，一般分回轉式鉆機機、沖擊式鉆機和復合式鉆機3大類。依靠鉆具的回轉運動破碎巖層而成孔。主要有大、小鍋錐鉆機，正、反循環轉盤式鉆機，液壓動力頭式鉆機，潛孔振動回轉式鉆機等。簡單的回轉式鉆機只有鉆進裝置，結構完善的回轉式鉆機則有鉆進裝置和循環洗井裝置兩部分組成。轉盤式水井鉆機的鉆具包括鉆桿和鉆頭。常用鉆桿的名義直徑有60、73、89和114毫米4種。鉆頭分全面鉆進用鉆頭和環狀鉆進用鉆頭兩大類。

大、小鍋錐 　

貴陽白云專賣潛孔鉆機的廠利用其鍋錐形鉆具旋轉切削土層。根據鉆具的大小分別稱為大鍋錐和小鍋錐，可由人力或動力驅動。切下的土屑落到鍋內，提升到地面卸出，其結構簡單,工效低,只能用于一般土層或砂卵石直徑不大于10厘米、含量不超過50%的地層。小鍋錐開孔直徑0.55米，鉆井深度80～100米；大鍋錐開孔直徑1.1米，鉆井深度30～40米。正、反循環泥漿洗井轉盤式鉆機　

常用的回轉式鉆機,即正循環泥漿洗井轉盤式鉆機由塔架、卷揚機、轉盤、鉆具、泥漿泵、水和電動機等組成。作業時，動力機通過傳動裝置驅動轉盤，由主動鉆桿帶動鉆頭以30～90轉/分的轉速旋轉破碎巖層。泥漿由泥漿泵抽吸加壓后通過鉆桿上方的水壓入空心鉆桿，向下流入鉆頭，由水口射出，以冷卻、潤滑鉆頭；井底巖屑通過鉆桿外的環形通道被帶出井口，在沉淀池沉淀后，泥漿流回泥漿池供循環使用。反循環泥漿洗井轉盤式鉆機的鉆進方式和結構與上述基本相同，但泥漿的循環方式相反：泥漿在沉淀池沉淀后從井口自行流入井底，攜帶巖屑的泥漿則由砂石泵經鉆頭水口通過鉆桿內腔向上抽吸出井，回到沉淀池。這種方式稱泵吸反循環。也可用水泵將加壓水流從井底通過噴嘴射入鉆桿內腔，形成攜帶巖屑的上升水流，稱射流反循環。鉆機在鉆桿內可形成很高的上升流速，排出巖屑和卵石的能力較強，因而鉆進速度較快。

適用于土層、一般砂層和卵石直徑小于鉆桿內徑的松散地層，所用鉆桿的內徑較大,一般為150～200毫米，zui大可達300毫米。但因受泵的抽吸或壓送能力的限制,鉆井深度一般在150米以內，井深在50米以內時排屑效率較高。壓氣洗井轉盤式鉆機 　是在轉盤回轉式鉆機上用空氣壓縮機代替泥漿泵，用壓縮空氣代替泥漿洗井。通常采用反循環方式,又稱氣舉反循環（圖2）。即將壓縮空氣通過供氣管路送至井內氣水混合室，使其與鉆桿內的水流摻混，形成比重小于 1的摻氣水流。在鉆桿外圍環形水柱的重力作用下，鉆桿內的摻氣水流挾帶巖屑不斷上升并排出井外，流入沉淀池，沉淀后的水流以自流方式流回井內。采用這種鉆機在井深較大時(50米以上)，排屑能力大于采用泵吸或射流反循環的鉆機，因而適用于井深較大的情況和缺水的干旱地區，以及寒帶凍土地層。

有的轉盤式鉆機同時備有泥漿泵和空氣壓縮機，可根據情況選用不同的洗井方式。

液壓動力頭式鉆機　

回轉式鉆機的一種。由液壓馬達通過減速器驅動，并以沿塔架上下移動的動力頭代替轉盤式鉆機上的轉盤和水，驅動鉆桿和鉆頭旋轉切削巖層?？捎弥睆竭_1米的大型鉆頭鉆鑿大口徑水井,其特點是鉆進速度快，鉆具的裝卸和下井管較簡便，接長鉆桿時無需提升鉆具，簡免了卷揚機、提升滑車、轉盤、水、方鉆桿等一系列部件。

潛孔振動回轉式鉆機　

是以振動和回轉運動相結合的方式鉆進巖層的一種回轉式鉆機。鉆具由鉆頭、振動器、消振器和導向筒等組成。振動器產生的激振力使整個鉆具作錐擺運動。鉆頭通過摩擦圈套裝在振動器外殼的外面，一方面隨振動器作頻率約為1000轉/分、振幅約9毫米的水平圓周振動；另一方面又繞振動器軸線作3～12轉/分的低速旋轉運動以破碎巖層，而鉆桿則不轉，并借消振器避免將振動傳給鉆桿。采用壓縮空氣反循環方式洗井，使巖屑通過位于振動器中心的導管和鉆桿內腔排出井外。這種鉆機結構簡單，鉆進效率高。井孔直徑為600毫米左右,鉆進深度可達150米。

靠鉆具的垂直往復運動，使鉆頭沖擊井底以破碎巖層。其結構簡單,但沒有循環洗井系統,巖屑的清除與鉆機不能同時進行，因而工效較低。鉆井深度一般在250米以內,有的可達500～600米。主要類型如下述。

沖抓錐 　

一種簡單的沖擊式鉆機，利用鉆具本身的重量沖擊地層。鉆具的下端是幾個可以張合的尖角形抓瓣，當鉆具在自身重量作用下向下運動時,抓瓣張開,各抓瓣*在直徑約1米的圓周上切入巖層,然后由卷揚機通過鋼絲繩提升鉆具，抓瓣在閉合過程中將巖屑抓入尖錐體內，提出井口后再張開抓瓣卸出巖屑。沖抓錐的鉆井深度通常為40～50米，zui深可達100～150米。鋼絲繩沖擊式鉆機 　由桅桿和其頂端的提升滑輪、鋼絲繩、沖擊機構、鉆具（包括鉆桿和鉆頭）、電動機等組成。作業時,電動機通過傳動裝置驅動沖擊機構，帶動鋼絲繩使鉆具作上下往復運動。向下運動時靠鉆具本身重量使鉆頭切入并破碎巖層，向上運動則靠鋼絲繩的牽引。鉆具下落的高度即沖程大小，根據巖層情況確定，一般為0.5～1米，硬巖層用大值；沖擊頻率常用為30～60次/分。切下的巖屑用抽砂筒清出地面，也可用將鉆頭與抽砂筒合成一體的抽筒鉆具，鉆進與清除巖屑同時進行，使切下的巖屑直接進入抽筒，積滿后提升鉆具，將巖屑倒出。為提高鉆頭的耐磨性和鉆進速度，常在鉆頭端部堆焊鎢鋼粉，成為合金補焊鉆頭。復合式鉆機

有兩種類型：

一類是在轉盤回轉式鉆機的基礎上增設沖擊機構,以回轉鉆進為主,當遇到卵石層時用沖擊鉆進的兩用水井鉆機，對各種地層的適應性較強；另一類是將沖擊與回轉作用結合在一起鉆進的水井鉆機,如風動潛孔錘鉆機。它所使用的潛孔錘鉆具(圖5)由缸套和在缸套中上下運動的活塞等組成。缸套下端與鉆頭連接，上端通過螺紋接頭與鉆桿相連，由空氣壓縮機提供的0.7～1.4兆帕的高壓空氣通過活塞上方的逆止閥、空氣分配器和活塞下方的進氣口，推動活塞沖擊頻率作為 700～1200次/分的上下往復運動，使活塞頻繁地沖擊鉆頭，以增強鉆頭鉆進巖層的能力。與此同時，鉆具以35～60轉/分的較低轉速作回轉運動。由活塞上、下空腔排出的空氣，向下進入鉆頭，起冷卻鉆頭的作用，并將孔底巖屑帶出井口。其回轉和循環洗井部分的結構與用壓縮空氣洗井的轉盤回轉式鉆機基本相同，所用鉆頭為碳化鎢球齒鉆頭或牙輪鉆頭等。風動潛孔錘鉆機可用于硬巖層深井的鉆進，鉆進速度高，且鉆井速度不因鉆進深度的增加而降低，鉆出的井孔較直。

為了適應不同地層鉆進的需要，提高鉆進效率，水井鉆機正向多用途鉆機及全液壓傳動與操縱的方向發展：即一臺鉆機備有多種設備和附件，可采用沖擊式、回轉式和潛孔錘等多種鉆井方式；還可采用泥漿洗井、壓縮空氣洗井和正、反循環洗井等方法。

全液壓鉆機的基本組成  

從系統仿真建模角度，多變幅工程鉆機可分為四個主要部分：動力系統、液壓系統、機械系統、操作系統。工程鉆機作為一個有機的整機，其性能與各個系統的關系密不可分。 

1)動力系統 

由于工程鉆機的工作地點主要在野外，環境溫度變化大，所受負荷、沖擊也大，并且鉆進過程中產生大量的灰塵，污染物較，維護不便，因此鉆機的動力由柴油機來提供。柴油機工作性能可靠、維修方便、燃油消耗經濟，符合工程鉆機的工作特點。 

2)液壓系統 

多變幅工程鉆機的主要動作有整機的行走、平臺回轉、變幅油缸的變幅、鉆具的給進、鉆具的起拔、回轉器的回轉、鉆具的夾緊、鉆具的卸扣等，所有的運動都靠液壓傳動來完成。根據以上工作動作要求，把液壓元件通過油管有機的連接起來即是工程鉆機的液壓系統。 

柴油機利用泵把機械能以液壓油為介質，轉變為液壓能，傳遞給給進油缸和馬達，再轉變為機械能，機械能傳給各個執行機構，實現運動和工作的各個過程。液壓系統設計的好壞直接決定鉆機的性能。同樣的液壓元件，系統不同對鉆機的性能影響很大。本鉆機根據鉆進的工藝特點及動作要求采用雙泵系統，使用一個負載敏感泵和一個恒壓變量泵。 

3)機械系統 

多變幅工程鉆機的機械系統是完成鉆機各個動作的執行者，基本包括： 履帶行走裝置：整個鉆機的基體和支撐部分，承受整個鉆機的質量和鉆進過程中外載荷的反力，并且可以做短距離的行走，搬遷方便，減少作業輔助時間。 

回轉裝置：在某個工作位置，使機身圍繞*回轉軸旋轉一定的角度，這樣整機不用移動就可以做多角度施工。 

工作裝置：是鉆機完成鉆進的主要組成部分，常用的有機身、回轉器、夾持器、卸扣器等。工作裝置是整個鉆機的核心，為鉆機的執行機構。當鉆機鉆進時，工作裝置驅動鉆桿旋轉和給進；當起下鉆具時，除了驅動鉆桿前進和后退外，還  可以實現機械擰卸鉆桿。

4)操縱裝置 

全液壓鉆機的操縱裝置作系統是對柴油機、液壓閥、液壓泵、換向閥和執行元件控制的操作裝置，把所有的執行元件通過管路連接集中在一個操作平臺上，通過操作液壓手柄可控制鉆機的各種工作過程。 

2.2 全液壓鉆機的工作原理  

全液壓鉆機是以鉆頭進行鉆進作業的機械，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現。變幅裝置由大臂油缸、大臂調整油缸、桅桿伸縮油缸、托架擺動油缸、大臂、調角連接板等組成。大臂鉸點鉸接在回轉平臺上，通過大臂油缸的伸縮調整大臂與水平面的夾角。機身與水平面的位置通過大臂調整油缸的伸縮來實現。當機身固定在水平某一位置后，可以通過托架擺動油缸的伸縮來實現機身在水平面的轉動。 

鉆進作業時，先加載鉆桿，然后調整大臂油缸、大臂調整油缸、托架擺動油缸，使機身變幅到鉆進位置。操縱桅桿伸縮油缸，讓鉆頭接近地面。啟動回轉馬達，，同時緩慢移動給進油缸，鉆頭開始切削土壤。給進油缸達到zui大行程后，回轉馬達停止轉動，用夾桿裝置加載上另外一根鉆桿，繼續回轉鉆機，中間不斷加載鉆桿，直至鉆進到設計深度。  在鉆機的實際鉆進過程中，由于地層的情況，鉆進面的情況和鉆機液壓系統設計的差異，變幅裝置和給進機身在實際鉆進循環中動作配合是多種多樣的，根據現場情況來定，上述情況只是理想的鉆進過程。 

總之，全液壓鉆機采用大臂油缸、大臂調整油缸、桅桿伸縮油缸機身具有三個自由度，機身可以實現在有限的平面空間內運動，加上托架擺動油缸的運動，使機身的運動擴大到有限的空間，再通過履帶馬達的驅動，使全液壓鉆機的鉆進空間可以沿水平方向得到擴大，從而滿足多變幅，多角度的鉆進要求選擇液壓基本回路

 4.2.1調壓回路     

當液壓系統工作時，液壓泵應向系統提供所需壓力的液壓油，且又應節省能 源，減少油液發熱，提高執行元件運動的平穩性。在液壓系統出現故障的時候，液壓泵的工作壓力上升時，一旦壓力達到溢流閥的調定壓力，溢流閥將開啟，并將液壓泵的工作壓力限制在溢流閥的調定壓力下，使液壓系統不致因壓力過載而受到破壞，從而保護了液壓系統。 

4.2.2調速回路     

由工況圖可知，這臺液壓鉆機滑臺運動速度低，工作負載為阻力負載且工作中變化小，故可選用進口節流調速回路。為有較好的低速平穩性和速度負載特性，

可選用調速閥調速，并可以在推進缸中進油時設置單向閥調速。液壓回路的合成  壓油源部分由油箱、進口過濾器、電機、液壓泵、安全閥、壓力表、出口過濾器和回油過濾器組成,其功能為向工作機構提供壓力油?？紤]到實際工作環境,油箱設計為封閉結構,其上裝有油溫表、油標、空氣過濾器等。電機驅動液壓泵5,把機械能轉化為液壓能。出口過濾器是根據其特殊的工作要求而設置的,在多年的工程使用中,多次發生液壓缸拉傷的情況,液壓泵出口精密過濾是十分必要的。溢流閥為系統安全閥。 

控制顯示部分由調速閥、多路換向閥、液控單向閥、單向調速閥、分流節流閥、壓力表組成,起著控制各執行元件的壓力、流量、方向和顯示其工作壓力的功能。當支撐缸伸縮時,其他執行元件是不工作的,這時調速閥控制支撐缸活塞桿的伸縮速度,以達到改變鉆桿傾角的目的。當支撐缸調節完成后,多路換向閥中的閥置于中位,鉆桿的角度固定。當鉆桿鉆進或撥起時,多路換向閥中的換向閥各自搬到相應位置,此時單向調速閥調整進給速度或拔起速度,壓力表分別顯示進給缸進給壓力或拔起壓力,調速閥調整液壓馬達的轉速,進而控制鉆桿的鉆速,壓力表分別顯示雙馬達進、出口的壓力,進而得知鉆桿的轉矩。  各執行機構同處鉆機主體部分,如下圖所示,由液壓缸、液壓馬達和液壓缸組成,液壓缸支撐鉆機工作滑臺,同時調節其傾角,使其在0°～90°(水平向上)

鉆機結構簡介 

采用分組式布置，全機分主機、泵站、操縱臺三大部分，各部分之間用軟管連接，擺布靈活，解體性好，便于搬遷運輸，在運輸條件較差的地區，主機還可以進一步解體。

4.1 主機 

主機由回轉器、夾持器、給進裝置、機架組成。各部分之間裝拆方便

回轉器 

回轉器由斜軸式變量馬達、齒輪減速器和膠筒式液壓卡盤組成。馬達經兩級齒輪減速，驅動主軸及液壓卡盤實現鉆具的回轉。調節馬達排量可以改變回轉器的輸出速度。主軸為通孔結構，通孔直徑75mm，回轉器安裝在給進機身的拖板上，借助給進油缸沿機身導軌往復運動，實現鉆具的給進或起拔。回轉器具有側向開合裝置。液壓卡盤采用液壓夾緊、彈簧松開常開式結構，具有自動對中，安全可靠、卡緊力大等特點，它不但能保證正常鉆進，還可用來升降鉆具、強力起拔等（卡盤可配用不同規格的鉆桿、更換卡瓦時，用工具壓縮卡瓦組的彈簧并將其放入膠筒內）。

夾持器 

夾持器采用碟形彈簧夾緊，油壓松開的常閉式結構。固定在給進裝置機身的前端，用于夾持孔內鉆具，還可配合回轉器實現機械擰卸鉆桿。夾持器卡瓦座落在卡瓦座上, 靠上下兩根銷桿限制卡瓦的退出。圓周方向靠卡瓦座上的一對平鍵固定。將兩根銷桿抽出，卡瓦就可以取出，夾持器通孔即可通過108mm的粗徑鉆具。