大功率深孔定向钻机双马达动力头设计

张 锐

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

定向长钻孔可提高回采煤层瓦斯钻孔成孔率和抽采效率[1-2]。随着煤炭产业供给侧改革对煤矿产能优化，大型、特大型煤矿产能占比达到70%以上，大型矿井超长工作面机械化快速开采对瓦斯、水害等灾害高效防治技术需求日益迫切；对灾害防治定向孔的成孔深度、钻进效率、成孔质量等提出了更高要求，因此对大功率深孔定向装备的需求更加迫切[3-4]。动力头是大功率定向钻机的关键部件，其主要作用是传递动力，使钻具以不同的转速和转矩作正向或反向回转运动，同时具备处理孔内事故的能力。根据钻进工艺要求，回转器的转速和扭矩性能应能适应孔内钻进情况变化的要求。

1 总体方案

煤矿井下钻进施工工艺与地面钻探施工工艺不同，具有特殊性，因此制定设计动力头总体方案时采用液压驱动为设计思路。输入原件选用高速轴向柱塞变量马达，由于该类型马达属高速小扭矩，要实现动力头的低速大扭矩输出，就应与大降速比的变速箱结构相组合，才能实现其性能，动力头转速调节通过调节液压马达的排量进行。双马达动力头结构如图1。动力头的结构包括液压马达、变速箱、制动装置和卡盘，其工作原理是变量柱塞马达通过变速箱带动卡盘回转，从而使钻具回转。变速箱为二级减速机构，包括行星减速和斜齿轮减速[5]。

2 动力头性能参数

图1 双马达动力头结构Fig.1 Structural configuration of dual motor power head

设备的用途和所配套的钻进工艺是动力头转矩和转速的决定性因素。深孔钻进时回转速度过高对钻孔内壁扰动大，影响成孔率，因此动力头的转速不宜过高。深孔定向钻进时需通过动力头带动孔内钻具缓慢调节螺杆马达的工具面向角，此时需要动力头具备慢速回转精准控制的功能。动力头的输出扭矩应满足大直径回转扩孔和顶板高位钻孔的需要，还必须具备处理孔内事故的能力。综合以上因素，将回转器的输出扭矩设定为15 000 N·m，输出转速设定为135 r/min。

3 动力头关键部件

3.1 双马达大扭矩动力头

为了解决大能力输出和设备小型化的矛盾，采用双液控变量马达作为动力头驱动单元[6-7]。

动力头上安装2 个液压马达，液控马达选用进口A6V200 型液压马达，理论排量50～200 mL/r；系统泵采用的是A10V190，理论排量190 mL/r，电动机转速n 为1 480 r/min。当液压马达排量qm最大时，即qm=160 mL/r 时，nmin=600.9 r/min；当液压马达的排量最小时，即qm=50 mL/r 时，nmax=2 812 r/min；故液压马达转数范围在700～2 812 r/min 之间，小于允许最高转速。

液压马达的输出扭矩M 如式(1)：

式中:△p 为压力差，MPa；qm为马达排量，mL/r；ηmm为马达机械效率；k 为马达个数。

液压马达输出扭矩见表1。

变速箱部分采用的是二级减速机构，第一级减速机构为行星减速，第二级减速机构为斜齿机构，两级传动比之和为11.86，经过变速箱减速后其输出性能参数见表2，动力头最大扭矩可达到18 463 N·m。

表1 液压马达输出性能参数表Table 1 Table of output performance parameters of hydraulic motor

表2 动力头输出性能参数表Table 2 Table of output performance parameters of rotary head

3.2 卡 盘

大功率双马达动力头卡盘采用橡胶囊式构造。液压卡盘结构如图2，它由外壳、套座、橡胶套筒、卡瓦组组成。卡瓦组由4 块卡瓦组成，各卡瓦接触面之间均由若干弹簧，卡瓦外边有1 块挡板，当没有液压力作用时，4 块卡瓦面之间即保持一定间隙又不致散开。

图2 液压卡盘结构Fig.2 Structure of hydraulic chuck

胶囊式液压卡盘工作原理是高压油进入橡胶套外侧，压迫卡瓦使其产生径向位移从而夹紧钻杆。配油套与主轴之间的密封属于非接触密封，非接触密封也是间隙密封，它是使用有限的通道，允许有很小的但能控制的油量排除，这部分油还可以起到润滑轴承和散热的作用。

胶囊式卡盘结构简单，动作迅速，机械效率高，通过调节夹紧压力可调整卡盘夹紧力，这对保护钻杆是非常有用，因而在坑道钻机中有着广泛的应用。

胶囊是胶囊式卡盘中一个关键部件，其作用是不但要传递抱紧钻杆的径向力，还要保证液压油的密封，材质多选用耐油橡胶，邵氏硬度为60～70 左右[8-10]。太硬弹性差，容易撕裂，太软的容易挤入端面间隙中，使啃噬问题加剧。

胶囊的形状非常重要，对胶囊的内孔形状曾有3 种不同的设计：方形、圆形和多边形。方形和多边形的形状较复杂，不利于加工成型，且壁厚变化处易产生裂纹而撕裂漏油，使密封失效。圆形的形状较简单，胶囊与卡盘组之间产生相对滑移，有利于均衡胶囊内部的应力，克服了前2 种形状的缺点，因此采用这种形状。为了保证胶囊各部分尺寸的准确性，应了解橡胶收缩率的大小，根据多次试验，一般取0.15%左右合适。在胶囊的中部设有隔圈支撑，它与胶囊外缘形成高压油腔的密封，并限制其变形的范围。滑板的作用是防止胶囊挤入卡盘体之间。

3.3 箱 体

变速箱箱体通常采用铸钢，其壁厚根据回转器能力的大小一般为10～12 mm，线体表面应平整，外壁铸造出加强筋以提高强度和刚度。加强筋的位置布置应有利于提高轴承孔处的刚度以及箱体抵抗外载荷引起的变形的能力。

为了便于箱体的铸造和加工，应尽量减少箱体内壁的台阶和隔板。轴孔设计，应使同一直线上不同的孔依大小顺序排列，便于一次装夹就能将同一轴线上的轴孔钻、镗加工出来，保证各孔的同轴度。

变速箱的密封必须可靠。箱体、轴承和轴承座之间采用密封圈和石棉垫进行密封，箱体上的螺孔不应钻透防止润滑油沿螺纹孔泄漏，轴的外伸段采用双唇骨架油封。

3.4 定向制动装置

定向制动装置安装在动力头输入轴后端，用于定向钻进施工时抱紧主轴[11-12]。其原理是制动时油压推动活塞杆沿轴向运动，推动压盘移动，使主动摩擦片和被动摩擦片接触，伴随压力的增加，摩擦力逐渐增大，完成制动功能。摩擦片是抱紧装置的关键零件，其可靠性的高低影响整个制动的性能。由于摩擦片为非标结构件，在加工中也遇到了各种困难，开始加工选用15 号钢，通过渗碳和淬火等方式增加材料的强度和耐摩性能，由于摩擦片本身很薄，很难保证要求的渗碳深度，材料的性能将不能完全满足使用要求，经过多次改进，最终选取65Mn 作为摩擦片的材料，经过一定热处理，采用线切割的方式成功加工出符合使用要求的高品质摩擦片。

4 工业性试验

双马达动力头设计加工试制完成后安装在中煤科工集团西安研究院生产的大功率定向钻机上，在国家安全生产西安勘探设备检测中心进行性能测试后取得煤矿安全标志证书。整机在晋煤集团寺河煤矿进行了工业性试验。

现场试验从 2014 年 8 月 10 日开钻，8 月 22 日结束，施工完成最大主孔深度为1 881 m 钻孔，单孔总进尺2 601 m，分支孔11 个，其中探顶分支7 个、探底分支4 个，钻孔施工平均日进尺210 m。

从2014 年10 月至今，晋煤集团寺河矿使用大功率钻机已施工本煤层定向长钻孔和顶板高位定向长钻孔累计进尺超过60 000 m，其中直径为φ153 mm 的煤层顶板高位大直径定向钻孔进尺约3 000 m，对双马达动力头的性能进行了充分的验证。

5 结 语

双马达动力头采用行星轮加斜齿轮两级减速型式，通过双液驱高速马达驱动，具备大扭矩的输出性能，提高了钻机处理孔内事故的能力，具有较强的工艺适应性；采用湿式摩擦片结构的制动装置设计，解决了大扭矩动力头在大直径孔、超深孔钻进过程中的强力制动难题；满足本煤层和顶板高位瓦斯抽放钻孔深孔施工需要。