ＺＤ２０７０新型水平定向钻机

非开挖技术作为一项新兴产业，在我国方兴未艾，进口产品正大量涌入我国市场，而我国同类产品的开发尚处于初始阶段。为适应非开挖产业日益高速发展的需要，我院在参考国内外同类产品的基础上独立自主开发水平定向钻机系列产品ＺＤ２０７０定向钻。该机采用橡胶履带，具有钻杆自动装卸、自动钻进、回拖，自行锚固等特点，为目前国内自动化程度和效率最高的一种水平定向钻机。

一、用途

ＺＤ２０７０水平定向钻机是在不开挖地表的条件下，铺设各种地下公用设施（管道，电缆等）的一种施工机械，广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、文物保护区、农作物和植被保护区等不易开挖的条件下进行供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线的铺设。该机配有多种钻进或回扩钻头，自动化程度和生产效率高，可进行较大钻孔工程的施工，最大回扩孔直径６５０ｍｍ，最大钻孔长度３３０ｍ。适用于我国大部分非硬岩地区的施工。

二、主要技术参数

最大回拖／进给力（ｋＮ）２００／２００

动力头最大扭矩（Ｎ·ｍ）７０００

最小钻孔直径（ｍｍ） Φ１２７

最大回扩孔直径（ｍｍ） Φ６５０

最大钻孔长度（ｍ）３３０

钻杆长度（ｍ）４．５

入土角度（°）１０～２６

泥浆最大流量（Ｌ／ｍｉｎ）４５０

发动机功率（ｋＷ）１３８

最小离地间隙（ｍｍ）１９０

最大行走速度（ｋｍ／ｈ）４／２

最大爬坡度％ ≥３０

外型尺寸（运输状态）（ｍｍ）

８０００ｘ２１８０ｘ２４１０

整机重量（带一箱钻杆）（ｋｇ） ≤１３０００

三、主要部件及结构特点

ＺＤ２０７０总体布局：整机主要有底盘、动力头、钻架、动力系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成。

１、底盘

底盘主要包括主车架和左、右行走装置，采用液压驱动，橡胶履带。主车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架。行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带涨紧装置及行走减速机、纵梁组成。左、右行走装置和主车架用高强度螺栓连接成一体，车架后端带有液压支腿。行走减速机选用内藏式定量马达减速机，底盘选用进口整体式橡胶履带。底盘具有以下优点：强度高，可承受更大的载重量，损坏后可以更换，驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接配套。

２、动力系统

动力系统包括：发动机、散热器，空滤器，消音器，燃油箱等。考虑到国内应用的普遍性和服务维修的方便，选用美国康明斯公司的增压中冷发动机，用户也可选装二汽东风的康明斯发动机。空滤器、消音器、散热器等附件选用国产配套件，燃油箱自制，水散热器与油散热器并在一起采用吸风冷却。

３、液压系统

液压系统实现的主要功能有：

１）履带底盘的行走，转向，制动；

２）动力头的正、反向旋转；

３）动力头的推、拉进给；

４）地锚的钻进与钻出；

５）前后虎钳的夹紧与旋转；

６）泥浆泵的驱动；

７）钻架角调整油缸的伸缩；

８）后支腿油缸的伸缩；

９）钻杆的更换与润滑；

１０）液压压力显示（旋转、推进、泥浆等）。

动力头采用闭式回路控制系统，选用进口变量柱塞泵，采用电比例排量控制；行走、钻进与回拖、地锚、虎钳及泥浆共用一个负荷敏感油泵，采用开式回路，其中行走、钻进与回拖、泥浆回路采用电液比例控制，钻进与回拖在小负载时具有倍速功能；这两个泵共同由发动机飞轮驱动。钻杆更换与润滑、支腿、座椅、钻进角的调整共用一个齿轮泵，由发动机辅助取力口驱动，其中支腿、钻进角的调整采用手动控制。为保证液压系统的可靠性，泵、阀、马达等关键件进口。

４、电气系统

电气系统采用２４Ｖ直流供电，主要的控制功能有发动机的控制、油门控制、泥浆流量控制、自动润滑控制、地面行走控制、前后虎钳控制、钻杆的人工更换及自动存取控制、自动钻进和回拖控制、动力头双速控制、钻机的故障自诊断功能、触电保护、导向钻进监控、遥控关机、安全保护等。

５、钻架

钻架包括钻架体、推拉装置。钻架体采用箱形结构Ｔ字型滑架，推拉装置主要采用链条传动、齿轮齿条传动及液压油缸等方式，相比之下，链条传动容易布置，结构简单，在中小机型中采用较多。采用链条传动，由低速大扭矩马达直接或通过减速机驱动链轮，由链条传动为动力头提供推进力或回拉力。滑架与底盘采用双摇臂机构相连，通过前后液压油缸来调节滑架的倾角。

６．动力头

动力头由高速液压马达通过减速机驱动，动力头两级减速，动力头输出的最大转速高达２００ｒｐｍ以上，此方案结构复杂，但钻进效率高；．本机采用铸造结构，结构紧凑，强度和刚性好；本动力头还带有弹簧缓冲机构，以缓冲钻杆装卸时的冲击力。

动力头有以下功能：（１）驱动钻杆钻头回转；（２）承受钻进、回拖过程中产生的反力；（３）泥浆进入钻杆的通道。

７、钻杆夹持器及钻杆存取装置

钻杆夹持器位于钻机的前部，由前、后虎钳组成。前、后虎钳由液压油缸径向推动卡瓦来夹持钻杆，且后虎钳可在液压油缸的作用下与前虎钳产生相对旋转，以便更换钻杆时进行钻杆丝扣的拆卸。钻杆存取装置可以自动进行钻杆的存、取，二者配合可以进行钻杆的自动更换，高效而省力。

８、锚固装置

锚固装置的作用是在作业时对整机起稳定、锚固作用，提高整机作业稳定性，位于整机的前端。本机采用螺旋钻进机构，用低速大扭矩马达驱动螺旋杆，用液压油缸施加推、拉力进行钻进或钻出，省去了人工锚固的麻烦。

９、导向定位系统

导向定位系统由三部分组成：孔底探头，地表手持式接收机和同步显示器。目前市场上主要有ＤＣＩ公司的Ｄｉｇｉｔｒａｋ导向装置、雷迪公司的ＲＤ３８６型导向仪等，以ＤＣＩ的应用最为广泛，精度和数据处理速度更快，技术较为先进，用户反应较好。本机选用ＤＣＩ的ＭＡＲＫＶ或Ｅｃｌｉｐｓｅ导向仪。

１０、泥浆系统主要包括泥浆泵送系统和泥浆搅拌系统。

泥浆泵送系统采用液压马达驱动方式，选用国外著名公司ＦＭＣ公司的活塞泥浆泵，最大流量４５０Ｌ／ｍｉｎ，泥浆搅拌系统包括泥浆罐、泥浆搅拌装置，泥浆罐单罐容量近３８００升，用户根据需要可选用两个泥浆罐并联使用，泥浆搅拌泵选用日本ＨＯＮＤＡ的离心泵。

四、工作原理

该机主要功能为下车行走、上车定向钻进作业，两部分通过换向阀互锁。下车行走时，由发动机驱动油泵供油到行走马达，再经行走减速机带动驱动轮及橡胶履带，实现底盘的行走、转向、制动等功能。可通过油缸张紧装置，调节橡胶履带的松紧。

导向钻进作业：首先准备好钻孔工具，将发射器装入探头容纳管内，连接到缓冲杆上，再通过钻杆存取装置把第一节钻杆和缓冲管连接；钻机就位，调整好钻机倾角，锚固好钻机，安装好接地装置，即可准备钻进。在钻进的同时启动泥浆泵并开始输送泥浆。钻进的导向是通过地表接收器接收探头容纳管内的发射器发出的信号，测出钻头的倾斜角、转角和深度，钻机上的远程显示仪同时显示接收器上的倾斜角、转角和深度，钻机操作员就可依据此信号调整钻进轨迹。若需直线前进时，使钻杆在向前推进的同时继续旋转，即可保持钻杆保持直线前进；若需改变钻进方向时，动力头停止旋转，调整钻头导向板的方向朝向所需方向，使钻头只向前推进，既可造斜钻进。同时监测钻头的倾斜角、转角和深度，待达到所需方向后，继续保持直线钻进；整个钻进过程需不断进行调整，以保持与设计的钻进轨迹相近，直至导向钻孔完成。

铺管作业：导向钻孔完成后，根据土壤类型、铺管直径大小的不同，选择不同的回扩孔装置，进行一次或多次的回扩，直至达到所需孔径。最后一次回扩孔时，通过万向节与需铺设的管道相连，把管道从导向孔中拉出直至铺管结束。整个回扩铺管过程均需泥浆供应。

五、采用的新技术

１、电液控制技术

ＺＤ２０７０水平定向钻产品有几十个功能操作，钻杆的自动装卸，泥浆系统与夹持器之间等多种逻辑控制，应用了先进的ＰＬＣ编程控制，电比例操作。液压双向变量泵闭式回路和开式回路、负载反馈控制等先进技术。电液控制系统设计较为复杂。可在以下几个方面进行详细的分析研究，以提高该机的整体技术水平。

①多种逻辑控制功能及ＰＬＣ控制技术的研究；

②防触电报警及其故障自诊断系统的研究；

③液压系统合理匹配及关键专用液压元件的研究；

④电液比例、负载反馈控制技术的研究。

２、钻杆柔性自动装卸装置及控制技术

该技术装置可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。该装置采用柔性进给装置，协调性要求较高。需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，提高整机的机械自动化程度。

３、定向钻进导向技术

该技术是实现定向钻进的关键，定向钻进导向装置是一套完整的信息系统。它包括智能型的无线抗干扰双频探头或有线探头发射装置，手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为１０～１６Ｍ，可连续显示钻头的深度、面向角、温度，电池状况等信号。以保证施工的顺利完成。