摘要：以水平定向钻机为背景，分析了水平定向钻机的主要结构，
关键词：水平定向钻机：结构 设计 探讨
一、概述：
水平定向钻机作为非开挖技术中最具活力的一项施工技术，具有导向准确、有利环保、效率高等特点。它能在一定曲率半径范围内绕开障碍物，能避免破坏管线经过地区的生态环境，施工速度快，效率高，穿越长度长，深度深。目前在国内已越来越多地应用于石油、天然气、电力、电信等领域。目前生产水平定向钻机的国内企业厂家有：河北廊坊勘探技术研究所、原地矿部中地装备集团技术中心、徐工集团、中联重科、上海隧道股份有限公司、中南冶金机械厂、宣化英格索兰公司、北京煤矿机械厂、山东探矿机械厂、重庆探矿机械厂、石油物探局装备制造厂、河南畅通电信管道工程有限公司，以及部分高校科研院所，如清华大学、重庆大学（含原重庆建筑大学）、同济大学、长春科技大学、煤炭科学研究院上海分院、中国地质大学、上海市政工程研究院、浙江大学等在研发水平定向钻机。徐工研究院在调查研究的基础上已开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻，ＺＤｌ２４５／ＺＤｌ５５０／ＺＤ２０７０整机主要有底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成，作为该系列产品的研究开发人员，结合目前的国内外水平定向钻机结构，对水平定向钻机主要结构设计进行探讨，有着十分重要的意义。
二、主要结构
１、底盘的结构
水平定向钻机的底盘是指机体与行走机构相连接的部件，它把机体的重量传给行走机构，并缓和地面传给机体的冲击，保证水平定向钻机行驶的平顺性和工作的稳定性，底盘是水平定向钻机的骨架，用来安装所有的总成和部件，使整机成为一个整体。水平定向钻机底盘目前的结构一般为液压驱动，刚性连接式车架，底盘主要包括车架及行走装置，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；底盘的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、纵梁等组成。行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后，与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。底盘的车架后端设计时可两个蛙式支腿或两个垂直的支腿，可有效降低支腿部分重量及简化结构，水平定向钻机工作时支腿支起，增强整车的稳定性。底盘的行走减速机目前一般选用进口的内藏式行星减速机（包括马达）或两点式变量马达减速机，行走时能够实现行走快慢双速，输出扭矩大、结构紧凑。底盘的行走装置主要包括履带张紧装置、橡胶履带总成、驱动轮、导向轮、支重轮及行走减速机等组成。底盘的橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用ＢＲＩＧＥＳＴＯＮＥ公司的整体式橡胶履带；二可采用ＢＥＲＣＯ公司的组合式橡胶履带的结构，二者相比前者结构简单，节距较小，车架高度较低，但后者强度高，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。底盘的履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成。履带张紧装置的作用是保持履带一定的张紧度。一般设计时优先选用整体式橡胶履带，若不能选到适合水平定向钻机重量的履带，则要选用ＢＥＲＣＯ公司的橡胶履带。
另外底盘的结构在设计前应协调知道以下几个方面的：
（１）与发动机系统设计者和发动机罩设计者及其它相关人员协调相对安装结构布置形式尺寸及与车架的连接形式；
（２）支腿布置尺寸具体结构应满足几何相容；无机构干涉现象；
（３）进行车架结构强度计算并出具计算书；
（４）如有问题请及时反馈，并与相关设计者协调等等。
徐工研究院开发出ＺＤｌ２４５／ＺＤｌ５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的底盘的结构为：底盘为液压驱动，刚性连接式车架。
２、发动机系统的结构
水平定向钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器，空滤器，消音器，燃油箱等。一般水平定向钻机设计时发动机选用国外的Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ增压水冷发动机或选用美国康明斯公司的增压中冷发动机，为了适应不同用户的需求，也可选装国内的二汽东风的康明斯发动机及玉柴等厂的发动机。 其水散热器、空滤器等附件选用国产配套件，燃油箱自制．发动机系统设计时应先知参数为：发动机型号及发动机参数：功率：ＫＷ（ＢＨＰ）：扭矩：Ｎ．ｍ（１ｂ．ｆｔ）和详细参数参考。由上来确定发动机选件及安装形式采用几点式安装；向液压系统设计者提供发动机取力口（ＰＴＯ）旋向及输出功率的资料；与散热系统设计者协调发动机风扇直径，速比及风量的数据；与电器设计者协调发动机电路连接方案；选定并安装联轴器；进排气附件安装；设计要求满足发动机工况并加装进气阻塞指示报警装置；具体安装形式和安装结构与相关设计者协调，如有问题请及时互相反馈等。徐工研究院开发出ＺＤｌ２４５／ＺＤｌ５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的发动机的结构为：国外的Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ增压水冷发动机及玉柴的发动机等。
３、动力头的结构
水平定向钻的动力头的结构一般由一个高速马达驱动减速机，由减速机驱动动力头，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空。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。目前国内水平定向钻的动力头的结构基本一样，不同点在于：
３．１、减速机的选型不一样：同吨位的水平定向钻选不到完全相同的减速机，所以各厂家的该减速机的减速比和性能参数有所变动。
３．２、动力头的减速比不一样：由于减速机传动比的改变，所以动力头的减速比也有变动。
目前，动力头的传动方式主要有链传动和齿轮传动；如ＣＡＳＥ钻机的动力头的传动方式为链传动；链传动的优点是结构简单，制造容易，缺点是传动平稳性差、寿命短、输出扭矩小。ＤＩＴＣＨ ＷＩＴＣＨ公司钻机的动力头的传动方式为齿轮传动；齿轮传动的优点是传动平稳、使用寿命长、输出扭矩大，缺点是制造要求精度高。另外动力头推拉装置是动力头回拉或进给运动的执行机构，一般由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头推拉装置目前各厂家不同，如ＤＩＴＣＨ ＷＩＴＣＨ公司的链轮链条机构，该机构的优点是工作速度快，工作平稳，结构紧凑，成本适中。缺点是链轮链条受力较大；ＣＡＳＥ公司的链轮链条倍力机构，该机构的优点是链条受力是推拉力的一半，工作平稳，缺点是工作速度慢，结构尺寸大，成本高；国内廊坊双油缸机构，该机构的优点是回拖力大于钻进力，成本较低，缺点是结构尺寸太大，工作的平稳性差，使用寿命低，不能用于自动化要求高和自行走的机型上等。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的动力头的结构为：由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。动力头推拉装置的结构为：动力头推拉装置是动力头回拉或进给运动的执行机构，通过液压马达，减速机，主动链轮，链条，由链条向动力头提供进给力或回拉力。前后油缸协调动作，以调节合适的钻进角（钻进角的调整范围各机要求不同）。
４、钻杆装卸的结构
目前水平定向钻的钻杆装卸的机构：该机构一般由钻杆、钻杆箱、钻杆起落、能伸出缩回的梭臂、钻杆列数自动选择装置等组成。国内外各厂家的结构不尽相同，主要在钻杆的存取、输送上有差别，有的采用人工存取钻杆，人工装卸钻杆方式作业不仅效率低而且增加了操作人员的劳动强度；有的采用四连杆机构存取钻杆，但它们普遍利用弹簧的回缩力作为夹紧力，经常出现钻杆脱落等事故，工作不可靠，不但影响作业效率，而且可能引起已钻孔的坍塌、埋钻等重大事故；有的采用旋转结构输送钻杆，该机构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。该机构采用柔性进给装置，协调性较高。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，控制系统采用先进的ＰＬＣ控制；总之，上述的动作过程及逻辑控制基本相似，以ＤＩＴＣＨ ＷＩＴＣＨ公司的最为先进，沟神的液压抓手、梭臂液压止动、丝扣油自动涂抹、列数自动选择装置等功能，已被作为钻杆存取的速度、可靠性、效率方面的行业标准。而威猛、ＣＡＳＥ两家公司的水平定向钻机中的梭臂上没有夹持器，所以在工作中会出现钻杆伸不出、缩不到位或钻杆滑落等问题，影响了工作效率。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的钻杆存取装置采用液压梭臂伸缩存取钻杆。
５、虎钳的结构
水平定向钻的虎钳位于钻机的前部，由前、后虎钳组成。前、后虎钳都可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，前后配合以便钻杆拆卸。国内除沟神公司外各厂家的结构相似，沟神公司的整个虎钳是装在浮动支撑座上，以保护虎钳在钻杆装卸时免受冲击。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的虎钳的结构为：按常规设计，将浮动缓冲机构改在动力头上等。
６、锚固装置的结构
水平定向钻的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，该部件位于整机的前端。目前各厂家普遍采用的是螺旋钻进机构：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，各厂家在具体结构上略有差别。另外，水平定向钻机锚固装置的配合整机外形的设计上，一般采用了两种方案：地锚阀放在锚固装置，结构布置方便，布管容易；或者地锚阀另行放置如放在发动机罩内等，但彻底改变了主机的造型和外观。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的锚固装置的结构为：螺旋钻进机构，地锚阀有的放在锚固装置，有的地锚阀放在发动机罩内等。
７、导向系统
水平定向钻的目前导向系统有手持式跟踪系统和有缆式导向系统。前者经济、使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用；后者可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，使用麻烦，效率低，价格高。目前国内市场上主要有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。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的导向系统的结构为：选用ＤＣＩ的ＭＡＲＫＩＩＩ或ＭＡＲＫＶ导向仪。手持式跟踪系统，该系统由三部分组成：孔底探头，地表手持式接收机和同步显示器。
８、泥浆系统的结构
水平定向钻的泥浆系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成；泥浆搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆，随车泥浆系统将泥浆加压，通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力，冷却钻头、发射探头，清除钻进产生的土屑等。随车泥浆泵采用液压马达驱动方式，选用ＦＭＣ公司的活塞泥浆泵或国产的衡阳的活塞泥浆泵，最大流量４５０Ｌ／ｍｉｎ，泥浆流量大，可确保泥浆要求；泥浆搅拌系统的要求：搅拌系统应具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等功能，搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等，泥浆搅拌泵可选用日本等公司的产品。泥浆罐容量为５００加仑和１０００加仑两种泥浆系统，用户还可选用两个泥浆罐并联，一个搅拌一个供应泥浆。徐工研究院开发出ＺＤ１２４５／ＺＤ１５５０／ＺＤ２０７０水平定向钻采用的泥浆系统的结构为：５００加仑和１０００加仑两种泥浆系统。
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