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摘要： 为了研制出适合煤矿井下水平定向钻进的定向钻机，文章对ZYWL-6000D型水平定向钻机的关键元部件动力头进行了研究；文章通过类比法确定了动力头总体结构，并利用斜面增力机构设计了新型制动装置，利用液控单向阀设计了新型开闭可控式胶套卡盘，并通过双通道配油套实现了对卡盘的控制；样机实验室实验中，动力头的最大传递转矩达到6901N.m，制动装置制动转矩达到4002N.m；样机工业型试验中，动力头累计无故障钻进14000米；实验室实验和工业性试验结果表明，该动力头整体性满足煤矿井下千米定向钻进施工要求。
Abstract： The head power is the key component of the ZYWL-6000D horizontal directional drilling machine used in coal mining. By analogy method， the structure of the power head is schemed， and a slope force-amplifier is used in braking， the rubber sleeve chuck in controlled by a pilot-controlled check valve to open and close through a double-channel distributor， in the experiment of the model machine， the maximum torque of the head power is up to 6901N.m， the braking force is up to 4002N.m. In the industrial test， the drilling machine has drilled more than 14000m， and the head power works well. The experimentation and the industrial test show that the head power is qualified to drill with the horizontal directional drilling machine.
关键词： 动力头；制动装置；斜面增力机构；开闭可控胶套卡盘；间隙密封；双通道配油套
Key words： head power；braking apparatus；slope force-amplifier；open and closed controllable rubber sleeve chuck；clearance seal；double-channel oil distributor
1006-4311（2013）10-0033-04
1 概述
定向钻进作为一种新的钻进技术手段，在顺煤层中进行定向钻孔的施工，能够保证钻孔按预期的设计轨迹进行钻进，提高成孔深度和成孔率，对强化顺煤层瓦斯抽放，保证煤层的安全开采具有重要的意义。
在国际上，由于地质条件和技术、设备方面的优势，美国和澳大利亚在井下定向钻进方面具有成套的装备及技术，且顺层长钻孔最大成孔深度都已超过了千米，顺层长钻孔的瓦斯抽放也取得了很好的效果。20世纪90年代，我国将定向钻进技术引进了煤矿瓦斯治理领域，并利用联合国在中国的UPDP项目中引进了3台FLETCHER定向钻机，分别用于松藻矿务局和铁法矿务局，但由于地质原因，应用效果并不理想。
近年来，随着国内煤矿企业的发展，国内煤矿井下定向钻进设备及施工工艺有了长促的发展，产品主要有西安研究院生产的ZDY-6000D型煤矿用水平定向钻机、重庆院生产的ZYWL-6000D型煤矿用水平定向钻机及北方交通生产的ZDY-3500L型煤矿用水平定向钻机。西安院生产的ZDY-6000D型钻机采用联动液压系统，使用传统胶套式卡盘；北方交通生产的ZDY-3500L型采用斜面弹簧卡盘结构。重庆院生产的ZYWL-6000D型水平定向钻机采用单动液压控制系统，并设计了新型开闭可控式胶套卡盘和制动机构，结合钻机的测量系统、信号传输系统和水路系统等，实现了钻机的定向钻进功能。
在定向钻进过程中，钻杆的旋转、进退杆及钻孔轨迹纠偏都需要动力头来完成，同时动力头还要能实现定向钻进的各种工艺要求，例如在定向钻进过程中对主轴进行制动，在遇到抱钻、卡钻这类的事故时进行故障处理等，因此钻机动力头的性能决定了定向钻机的整体性能参数，该论文的研究意义重大。
动力头主要由液压马达、减速箱体、轴、齿轮、轴承、配油套、胶套卡盘和锁紧机构等零部件组成，主要作用是将液压能转化为机械能，输出旋转运动，实现钻具的旋转。
动力头工作时，液压马达的动力经过减速箱两级齿轮减速后，带动主轴、液压卡盘和钻杆钻具旋转，输出转速和转矩，实现钻进功能。动力头主轴为中空结构，可以前后上下钻杆，使钻杆的长度不受钻机进给行程限制；通过调节柱塞液压马达的排量来实现动力头输出转速的无级调速。设计了新型开闭可控式胶套卡盘，通过双通道配油套机构对卡盘进行控制，实现了对钻杆的夹持功能；在动力头一级传动齿轮上设计了制动装置，在定向钻进过程中通过对动力头输入轴的制动实现对定向钻杆的制动，以保证动向孔底马达转进的方向，实现定向钻进功能。动力头结构见图1。
2.2 动力头参数 根据现场施工要求，该钻机需要定向钻进的最大孔深为1000米，使用？准73×3000mm规格的定向钻杆，结合钻杆自重、摩
额定输出转矩（N.m） 6000～1600
给进力（kN） 160
起拔力（kN） 160
正常推进速度（m/min） 0～1.5
制动转矩（N.m） 2000
其中最大输出转矩6000N·m和输出转速40～210r/min作为动力头设计的主参数。
根据动力头结构尺寸及相关制动装置结构，该装置设计为液压夹紧，弹簧松开的结构，采用斜面增力机构[3]推动卡瓦径向运动来实现对制动轴的夹持及松开，整体结构简洁，性能可靠，其结构图见图2。
3.2 制动装置制动力计算 制动装置为常开式结构，由动力头上的活塞提供推力，通过楔面传力机构夹紧制动轴，起到制动作用；通过弹簧推动斜面机构反向运动，取消制动。结构简图见下图3。
①卡瓦作用于刹车轴上的最大正应力Q：
Q=P/f （1）
式中：P——作用在刹车走上的圆周力，kN；
P=■ （2）
式中：M——制动力矩，N·m，取M=2000·m；D■——刹车轴直径，取D■=0.039m；f——卡瓦与钻杆之间摩擦系数，f=0.3；i——动力头减速箱传动比，取i=10.966。
代入数据，计算得：Q=3
根据刹车结构受力分析，得出最小推力计算公式为：
F■=Qtan（α+？准） （3）
式中：α——卡盘斜面斜角，α=8°；？准——卡瓦与卡瓦套之间的当量摩擦角，？准=arctg f2，f2为钢与钢之间的摩擦系数，取f2=0.15，得：？准=arctg0.15=8.53°；Q——卡瓦作用于钻杆上的最大正压力，Q=3
③计算所需要的最小油压：
根据制动机构的结构，得出制动机构夹紧刹车轴所需要工作压力P：
由公式：F■=F-F■=P■D■-d■-F■ （4）
得出：P=■
式中：D——活塞大径，取D=115mm；d——活塞小径，取d=90mm：F■——制动装置夹紧制动轴时克服蝶形弹簧的弹力，计算为20.12kN。
代入数据，得出P=
4.2 卡盘胶套夹紧力计算 胶套为卡盘的关键元件，进入卡盘的高压液压有通过压缩胶套，推动卡瓦径向收缩[5]，实现对钻杆的夹持。定向钻进过程中，卡盘极限状态下需要同时克服动力头传递的转矩和推力，来完成对钻杆的夹持，根据胶套结构及卡瓦受力情况（见图5），对胶套夹紧力进行计算。
①计算胶套夹紧钻杆需要的最大正压力Qk：
根据钻机钻进时，卡盘对钻杆的作用力分析，得出了钻杆需要的最大正压力Qk的计算公式[6]：
Q■=■/f■ （5）
式中：P1——作用在钻杆上的轴向力，kN，P1=160kN；P2——作用在钻杆上的圆周力，kN；
P2=■ （6）
式中：M——为最大输出扭矩，（N·m），M=6000N·m；
D■——为钻杆最大直径，（m），D■=0.073m。
得：P2=16
得：Q■=1529kN。
②卡盘胶套夹紧力计算。
根据胶套卡盘的结构形式及受力情况[7]，得出了卡盘总夹紧力计算公式[8]：
Q=■■DPL （7）
式中：D——胶套的受压直径，（mm），D=190mm；L——胶套的宽度，（mm），L=160mm；P——最大工作压力，（MPa），P=25MPa。
代入数据，得出卡盘夹紧力为：Q=1974kN； 根据卡盘夹紧钻杆所需要的夹紧力，得出Q=1974kN>Q■=1529kN，满足钻机使用要求。
4.3 卡盘配油套的结
根据胶套式卡盘夹持钻杆的要求，要保证卡盘夹紧可靠，必须保证卡盘的夹紧压力不小于20MPa，同时为了限定卡盘夹紧力，通过液压系统对卡盘夹紧力进行了最高压力限制，为20MPa；根据相关流体力学公式，计算配油套与主轴间的配合间隙[9]。
卡盘夹紧状态时，油液不再流向卡盘，而只是通过配油套和主轴之间的间隙泄漏。为了简化计算过程，这里不考虑铜套沟槽对泄漏的影响。由流经同心圆柱环形间隙的流量计算公式：
Abstract： The head power is the key component of the ZYWL-6000D horizontal directional drilling machine used in coal mining. By analogy method， the structure of the power head is schemed， and a slope force-amplifier is used in braking， the rubber sleeve chuck in controlled by a pilot-controlled check valve to open and close through a double-channel distributor， in the experiment of the model machine， the maximum torque of the head power is up to 6901N.m， the braking force is up to 4002N.m. In the industrial test， the drilling machine has drilled more than 14000m， and the head power works well. The experimentation and the industrial test show that the head power is qualified to drill with the horizontal directional drilling machine.
关键词： 动力头；制动装置；斜面增力机构；开闭可控胶套卡盘；间隙密封；双通道配油套
Key words： head power；braking apparatus；slope force-amplifier；open and closed controllable rubber sleeve chuck；clearance seal；double-channel oil distributor
1006-4311（2013）10-0033-04
1 概述
定向钻进作为一种新的钻进技术手段，在顺煤层中进行定向钻孔的施工，能够保证钻孔按预期的设计轨迹进行钻进，提高成孔深度和成孔率，对强化顺煤层瓦斯抽放，保证煤层的安全开采具有重要的意义。
在国际上，由于地质条件和技术、设备方面的优势，美国和澳大利亚在井下定向钻进方面具有成套的装备及技术，且顺层长钻孔最大成孔深度都已超过了千米，顺层长钻孔的瓦斯抽放也取得了很好的效果。20世纪90年代，我国将定向钻进技术引进了煤矿瓦斯治理领域，并利用联合国在中国的UPDP项目中引进了3台FLETCHER定向钻机，分别用于松藻矿务局和铁法矿务局，但由于地质原因，应用效果并不理想。
近年来，随着国内煤矿企业的发展，国内煤矿井下定向钻进设备及施工工艺有了长促的发展，产品主要有西安研究院生产的ZDY-6000D型煤矿用水平定向钻机、重庆院生产的ZYWL-6000D型煤矿用水平定向钻机及北方交通生产的ZDY-3500L型煤矿用水平定向钻机。西安院生产的ZDY-6000D型钻机采用联动液压系统，使用传统胶套式卡盘；北方交通生产的ZDY-3500L型采用斜面弹簧卡盘结构。重庆院生产的ZYWL-6000D型水平定向钻机采用单动液压控制系统，并设计了新型开闭可控式胶套卡盘和制动机构，结合钻机的测量系统、信号传输系统和水路系统等，实现了钻机的定向钻进功能。
在定向钻进过程中，钻杆的旋转、进退杆及钻孔轨迹纠偏都需要动力头来完成，同时动力头还要能实现定向钻进的各种工艺要求，例如在定向钻进过程中对主轴进行制动，在遇到抱钻、卡钻这类的事故时进行故障处理等，因此钻机动力头的性能决定了定向钻机的整体性能参数，该论文的研究意义重大。
2 动力头的结构及参数确定
2.1 动力头结构 根据煤矿井下定向钻进的施工过程中动力头的功能，结合现有煤矿井下钻机动力头的结构特点，设计了新型ZYWL-6000D型水平定向钻机动力头。动力头主要由液压马达、减速箱体、轴、齿轮、轴承、配油套、胶套卡盘和锁紧机构等零部件组成，主要作用是将液压能转化为机械能，输出旋转运动，实现钻具的旋转。
动力头工作时，液压马达的动力经过减速箱两级齿轮减速后，带动主轴、液压卡盘和钻杆钻具旋转，输出转速和转矩，实现钻进功能。动力头主轴为中空结构，可以前后上下钻杆，使钻杆的长度不受钻机进给行程限制；通过调节柱塞液压马达的排量来实现动力头输出转速的无级调速。设计了新型开闭可控式胶套卡盘，通过双通道配油套机构对卡盘进行控制，实现了对钻杆的夹持功能；在动力头一级传动齿轮上设计了制动装置，在定向钻进过程中通过对动力头输入轴的制动实现对定向钻杆的制动，以保证动向孔底马达转进的方向，实现定向钻进功能。动力头结构见图1。
2.2 动力头参数 根据现场施工要求，该钻机需要定向钻进的最大孔深为1000米，使用？准73×3000mm规格的定向钻杆，结合钻杆自重、摩
源于：查抄袭率毕业论文www.udooo.com
擦力及钻孔阻力，同时根据同类型钻机性能及使用情况，最终确定与动力头相关的钻机技术参数，具体如下：额定输出转速（r/min） 0～210额定输出转矩（N.m） 6000～1600
给进力（kN） 160
起拔力（kN） 160
正常推进速度（m/min） 0～1.5
制动转矩（N.m） 2000
其中最大输出转矩6000N·m和输出转速40～210r/min作为动力头设计的主参数。
3 动力头制动装置
3.1 制动装置的结构设计 制动装置的功能为在定向钻进时，将动力头以及齿轮进行制动抱死，将主轴制动，起到控制孔底马达弯头方向，以及克服孔底马达反扭矩的作用。根据动力头结构尺寸及相关制动装置结构，该装置设计为液压夹紧，弹簧松开的结构，采用斜面增力机构[3]推动卡瓦径向运动来实现对制动轴的夹持及松开，整体结构简洁，性能可靠，其结构图见图2。
3.2 制动装置制动力计算 制动装置为常开式结构，由动力头上的活塞提供推力，通过楔面传力机构夹紧制动轴，起到制动作用；通过弹簧推动斜面机构反向运动，取消制动。结构简图见下图3。
①卡瓦作用于刹车轴上的最大正应力Q：
Q=P/f （1）
式中：P——作用在刹车走上的圆周力，kN；
P=■ （2）
式中：M——制动力矩，N·m，取M=2000·m；D■——刹车轴直径，取D■=0.039m；f——卡瓦与钻杆之间摩擦系数，f=0.3；i——动力头减速箱传动比，取i=10.966。
代入数据，计算得：Q=3
1.18kN
②计算所需要的最小推力F■：根据刹车结构受力分析，得出最小推力计算公式为：
F■=Qtan（α+？准） （3）
式中：α——卡盘斜面斜角，α=8°；？准——卡瓦与卡瓦套之间的当量摩擦角，？准=arctg f2，f2为钢与钢之间的摩擦系数，取f2=0.15，得：？准=arctg0.15=8.53°；Q——卡瓦作用于钻杆上的最大正压力，Q=3
1.18kN。
代入数值，得：F■=9.25kN。③计算所需要的最小油压：
根据制动机构的结构，得出制动机构夹紧刹车轴所需要工作压力P：
由公式：F■=F-F■=P■D■-d■-F■ （4）
得出：P=■
式中：D——活塞大径，取D=115mm；d——活塞小径，取d=90mm：F■——制动装置夹紧制动轴时克服蝶形弹簧的弹力，计算为20.12kN。
代入数据，得出P=
3.5Mpa。
根据液压系统压力调定，制动机构的夹紧压力调定为18MPa，远大于系统需要的3.5MPa，满足设计要求。4 胶套液压卡盘
4.1 卡盘的结构设计 卡盘采用开闭可控式液压胶套式卡盘（见图4），主要由壳体、前后端盖、胶套、卡瓦、传扭盘、长短销、弹簧和液控单向阀等零件组成，它在液压力的作用下，依靠液控单向阀、胶套、卡瓦、弹簧等零件共同完成卡盘夹紧、松开功能。夹紧钻杆时，高压油经主轴、卡盘后端盖及其上的液控单向阀注入密封油腔，胶套受到径向的压力而收缩，使卡瓦组向中心移动，夹紧钻杆，此时停止供油，液控单向阀关闭[4]，密封油腔内保持高压，在液压力的作用下，卡盘处于常闭式状态；松开钻杆时，控制油路供油，液控单向阀被打开，密封油腔回油，压力释放，在弹簧力作用下，卡瓦松开。4.2 卡盘胶套夹紧力计算 胶套为卡盘的关键元件，进入卡盘的高压液压有通过压缩胶套，推动卡瓦径向收缩[5]，实现对钻杆的夹持。定向钻进过程中，卡盘极限状态下需要同时克服动力头传递的转矩和推力，来完成对钻杆的夹持，根据胶套结构及卡瓦受力情况（见图5），对胶套夹紧力进行计算。
①计算胶套夹紧钻杆需要的最大正压力Qk：
根据钻机钻进时，卡盘对钻杆的作用力分析，得出了钻杆需要的最大正压力Qk的计算公式[6]：
Q■=■/f■ （5）
式中：P1——作用在钻杆上的轴向力，kN，P1=160kN；P2——作用在钻杆上的圆周力，kN；
P2=■ （6）
式中：M——为最大输出扭矩，（N·m），M=6000N·m；
D■——为钻杆最大直径，（m），D■=0.073m。
得：P2=16
4.38kN；
f■——卡瓦与钻杆之间的摩擦系数，取f■=0.15；得：Q■=1529kN。
②卡盘胶套夹紧力计算。
根据胶套卡盘的结构形式及受力情况[7]，得出了卡盘总夹紧力计算公式[8]：
Q=■■DPL （7）
式中：D——胶套的受压直径，（mm），D=190mm；L——胶套的宽度，（mm），L=160mm；P——最大工作压力，（MPa），P=25MPa。
代入数据，得出卡盘夹紧力为：Q=1974kN； 根据卡盘夹紧钻杆所需要的夹紧力，得出Q=1974kN>Q■=1529kN，满足钻机使用要求。
4.3 卡盘配油套的结
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构设计 配油套（如图6所示）是实现卡盘供油的一项关键的技术，配油套和主轴之间采用微间隙密封，既能满足卡盘的供油压力，又能防止配油套和主轴抱死。根据胶套式卡盘夹持钻杆的要求，要保证卡盘夹紧可靠，必须保证卡盘的夹紧压力不小于20MPa，同时为了限定卡盘夹紧力，通过液压系统对卡盘夹紧力进行了最高压力限制，为20MPa；根据相关流体力学公式，计算配油套与主轴间的配合间隙[9]。
卡盘夹紧状态时，油液不再流向卡盘，而只是通过配油套和主轴之间的间隙泄漏。为了简化计算过程，这里不考虑铜套沟槽对泄漏的影响。由流经同心圆柱环形间隙的流量计算公式：
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