全液压钻机液压系统研究—以

ZDY3200S

全液压钻机为例

摘 要

钻机作为当今我国钻井作业中最为主要的设备，在我国的钻井作业和矿物

勘探等领域占据着举足轻重的地位。论文根据国内外钻机的发展现状，首先分析

了目前传统钻机的液压系统，其次介绍了目前国内研究比较多的两类矿物勘探

钻机，煤矿坑道钻机和全液压钻机，分析其各自液压设计原理，最后通过对比

总结，

可得到全液压钻机在液压控制方面的优势，并通过仿真分析，对于改进的液压

系统进行了验证，对钻机未来发展的趋势的指导。

关键词 钻机；液压原理；分析

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Abstract

Abstract

Drill rig as the most major equipment for drilling operation in

today's China, areas such as drilling and mineral prospecting in our

country occupies a pivotal position.According to the current

situation of drilling rigs’ development in China and oversee, the

paper analysis the traditional rigs’ hydraulic system first, and

introduces the current coal mine tunnel drilling rigs’ hydraulic

design principle, compare these two kinds of rigs’ hydraulic system

to get the advantage of the hydraulic control and the direction of

future development.

Keywords drilling rigs; hydraulic principle; analysis

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目录

摘 要 .............................................................i

Abstract..........................................................ii

第 1 章 绪论 ........................................................5

1.1 国内外研究现状................................................5

1.1.1 国内研究现状..............................................5

1.1.2 国外发展现状..............................................5

1.2 钻机的发展概况................................................6

1.2.1 卧式钻机介绍..............................................7

1.2.2 立式钻机简介..............................................7

1.3 钻机中液压原理的应用现状......................................8

第 2 章 传统钻机液压系统功能与分析 ..................................9

2.1 常见钻机液压系统..............................................9

2.1.1 单泵液压系统..............................................9

2.1.2 双泵液压系统.............................................10

2.1.3 多泵液压系统.............................................10

2.2 传统钻机液压系统基本回路.....................................11

2.2.1 回转液压回路.............................................11

2.2.2 调压限压回路.............................................11

2.2.3 调速回路.................................................12

2.2.4 给进液压回路.............................................13

2.2.5 压力控制回路.............................................13

2.2.6 速度控制回路.............................................17

2.2.7 辅助液压回路.............................................17

2.2.8 控制机身起落的液压回路...................................17

2.2.9 控制卡夹机构的液压回路...................................18

2.3 传统钻机液压回路的特点.......................................18

第 3 章 钻机液压系统优化设计 .......................................19

3.1 钻头回转液压回路优化设计.....................................19

3.2 动力钻头给进回路优化设计.....................................21

3.3 行走及卷场控制回路...........................................22

3.4 泥浆泵液压回路优化设计.......................................23

第 4 章 ZDY3200S 型煤矿用全液压坑道钻机实例研究 .....................25

4.1 适用范围.....................................................25

4.2 型号含义.....................................................25

4.3 主要技术参数.................................................25

4.4 钻机结构简介.................................................27

4.4.1 回转器...................................................27

4.4.2 夹持器...................................................28

4.4.3 给进装置.................................................28

4.4.4 机架.....................................................28

4.5 操纵台.......................................................29

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4.6 泵站.........................................................29

4.7 液压系统工作原理.............................................30

第 5 章 总结与展望 .................................................32

5.1 总结.........................................................32

5.2 展望.........................................................32

参考文献 ..........................................................34

致 谢 ............................................................35

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绪论

因此本文在总结和分析前人研究的基础上，对于煤炭开采用坑道钻机的液

压原理应用和全液压钻机中全新液压原理的设计应用进行了详细的分析和介绍 ，

以期通过本文，对钻机中液压原理的设计提出新的思路。

1.1 国内外研究现状

1.1.1 国内研究现状

目前，我们国产的钻机依然沿用着定量泵和手控阀的液压系统。这种液压系

统操作繁琐且功能单一，技术较为落后。最主要的 是 ，这种传统的液压系统 不 能

够实时 的 监 控 环境 的 变 化和地 质 的 变 化，因此 不 能 够遥 控 或者 调 整 工 艺 参数，

不 能 够 适应多种地 质条件 的勘探。 与 此 同时 ，传统的设计方 案将 重点 放 在了控制

和参数调 整 方面， 没有针 对能 耗 和 效率问题 进行 深入 研究。这 样既增加 了一次 性

投资 ， 也 因设计 不 当 使 得能量 损耗 过 大 。当前我国对于钻机的应用， 大部 分 集 中

在煤炭的开采上。 由 于煤炭 是 一种一次 性 的 消费品 ，且 大 多 储藏 在地势 复杂 的地

区 。因此在煤炭的开采过 程 中，钻机 需 要 克服 地势 、安 全 、 采矿等多方面的要 求 ，

并能 够 在地 下 进行 顺畅 的开采 任务 。

1.1.2 国外发展现状

在上 世纪 80 年代初 ， 英 国在煤矿井中最先应用井 底马达 定 向 钻进技术，

当 时 钻进 距离 为 1000 米 ， 但是如果去掉 钻进工 艺尺寸 和煤 层 的 尺寸 ， 那么实际

的钻进 距离只有 635 米 。 从 20 世纪 中期开 始 ， 澳大利亚将 此技术发展到了 瓦斯

抽放 井及地 质 勘探井的 施 工中，并 成 为 该 井的主要技术，且 有 了 显著 的 效果 。一

般 可以 达 到 700 米左右 的井 深 ，于 2002 年达 到 1761 米 的最 大 井 深 。此技术 有

很强 井 眼轨迹 控制能力， 缺 点为井 底马达 的 输 出的 扭矩 较 小 ，井 眼直 井较 小 ，

且钻井 成 本较 高 。

立式钻机 逐渐被取代 发 生 在 20 世纪 60 年代 ， 那时候 国外的一 些 国 家 开 始 研

究全液压式钻机，并且 逐渐将 立式钻机 淘汰 。在 20 世纪 90 年代 ，在原 有 的全液

压钻机技术上，应用了 电 液比 例 控制技术，这一技术的应用， 使 得液压钻机的

钻进能力和其 他 能力 都有 了 质 的 飞跃 。 随 着自动控制技术的发展， 由 于钻机的人

工操作 不便 于 深 井作业，且面 临 着 很大 的 危险 ，因此此 项 技术进 而 发展到新型

勘探钻机领域中，并且 快 速 扩 展适用钻机的范围， 使 得钻机机 电 一 体 化，为 接

下 来的钻井工作提 高 了 很大 的 效率 。

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图 1 - 1

总得来 说 ，在钻机的液压 元、部件 的 性 能及 选 用方面国外煤矿坑比国内 水平

要 高 ， 另 外 整体性 能 更好 ， 更具 备 完善 的功能。在当今 社会 ， 劳 动力的 成 本 正 在

不断 上 涨 ， 随 着 科 技的发展，人工 智 能的出现， 电 液比 例 技术应 运而生 ，各 大

钻探设备 生 产 商 开 始 对 智 能钻探设备进行探究， 电 液比 例 技术开 始广泛运 用于

智 能钻探设备。

1.2 钻机的发展概况

不管是 立式钻机 还是 卧式钻机，在工作的过 程 中， 都是由 各 个 液压系统 组

成 并且控制其动作的，因此液压系统在钻机的设计中， 是非 常重要的。液压系统

的 好坏直接影响 着钻机的能 耗高低 ， 性 能 高低 和钻机的 寿命长短 等。

煤矿坑道钻机在 施 工过 程 中， 会 因为工作 环境 的 变 化 而引 起 负载 的 变 化，

从而影响 钻进的速度和 效率 ， 所 以钻机 必须解决负责不稳 定 性 ，且钻进 时 要 满

足工 艺 要 求 ，比 如 起钻 杆 ， 接 钻 杆 等工 艺 。

1.2.1 卧式钻机介绍

卧式钻机主要 由 机架 、 动力钻头 、 液压操纵台 、 液压站 、 辅助卡 盘 等结构构 成 。

这种钻机的动作 都是 液压 驱 动的， 如 钻 杆旋 转 、 钻 杆升降、 调 整 井架等。 而 全液压

式钻机能 够更强 的适应各式工况，能 够 根据工作 环境 的 不同 要 求 ，适当的调 整

其 执 行机构的参数 。此外，卧式钻机 还具有 钻机适应 性强 ，可进行多种钻进工

艺、 单一机构的多功能 性 ，并且全液压钻机重量轻，转速 高 ，工作 平稳 ，操作 也

是 方 便安 全， 容易实 现自动化。

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1.2.2 立式钻机简介

目前 市 场上通用的立式钻机，一 般是由电 机 、 液压系统 、离合 器 、变 速 箱 等 部

分构 成 ，其工作原理比较 古老 ， 偏向 机 械 化。主要 由电 机先 启 动，然后 拉 动 变 速

箱 ， 变 速 箱再 传 至 分动 箱 ，最后分动 箱带 动回转器产 生 转动， 所 以 市 场上 也称

为机 械 式钻机。在立式钻机中， 有 一 个部 分 是很 重要的， 那就是 液压系统，其作

用原理主要 是 通过改 变 压 强增大 作用力，作用方式主要为控制液压 与 辅助卡 盘

的 松紧 以及钻 杆 的 推 进。

图 1 - 2

其控制过 程是 这 样 的，首先 电 机 带 动液压泵工作， 将 液压 油输入 到液压系

统， 将电 能转 换 为液压能。然后通过液压系统中各 个元 器 件 和液压系统的各种回

路，控制 执 行 元件 的动作。 如 在立式钻机中，通过液压 缸 内 部直线运 动 所 产 生 的

动能，来 推 动立式钻 杆 的进给 运 动，通过 支撑油缸 ，可以 固 定立式钻机，通过

油缸 的 不断运 动，可以对回转器进行 微 调。

1.3 钻机中液压原理的应用现状

液压系统 由信 号控制和液压动力两 部 分 组成 ，主要进行能量 之间 的转 换 。 由

于其 具有 控制 稳 定且 输 出的能量较为可 靠 的特点，自 从 开 始 应用液压系统以来，

各 个 工业领域 已经 得到了 广泛 的应用和 推广 。

现在，我国钻机液压系统设计 还停留 在 靠经 验来设计的路 线 上，其基本内

容 一 般包括 首先 明确 钻机工作的 环境 ，然后分析其 环境 和钻进 条件 对于钻机的

要 求 ， 包括 动作要 求 和动力要 求 等，最后通过 初步 的设计，进行 逐渐深入 的 明

细化设计， 将 各 个元 器 件 的参数，各 个 液压回路进行 组合 ，设计 成 一 套完成 的

液压系统。传统的立式钻机和卧式钻机，其液压系统 大 多 由 手动控制，控制较为

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简单， 但是精 度 不高 ， 不 能根据 实际 的工作 环境 进行动 态 的参数设计和控制。钻

机在 使 用过 程 中， 大 多的动作 时由 多 个 机 械 结构 共同完成 的，其液压系统在控

制 执 行 元件 进行工作的过 程 中， 不 可 避免 的 会 发 生泄漏 ， 而 液压的 泄漏将会 导

致 压力的 流 量等液压参数的改 变 ， 而 这 些 改 变却不 能通过液压系统的动 态 调 整

来进行适应。本文通过 查阅 国内和国外一 些 钻机的发展 历史 和现状，对其优 缺 点

进行比较和 学习 ，对传统的液压钻机系统进行 创 新设计， 使 得新型的钻机能 够

根据 环境 的 变 化 而 适 时 的调 整 液压的参数， 保 证钻进工作的 正 常进行。

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传统钻机液压系统功能与分析

从不同 的 角 度出发，液压系统可以分 成不同 的 形 式。 按 油 液的 循 环 方式，可

分为开 始 系统和 闭 式系统； 按 液压系统中液压泵的数目，可分为单泵系统，双

泵系统和多泵系统； 按 所 用液压泵 形 式的 不同 ，可分为定量泵系统和 变 量泵系

统； 按 向执 行 元件 供 油 方式的 不同 ，可分为 串联 系统和并 联 系统； 按 用 途 的 不

同 ，可分为 固 定设备用系统和行走设备用系统； 按 主 换向 阀在中位 时 液压泵的

工作状 态 ，可分为中开式系统和中 闭 式系统； 除 此 之 外， 按 工作特 征 的 不同 ，

还 可分为液压传动系统和液压控制系统。

1.4 常见钻机液压系统

目前 市 场上 普遍 的钻机液压系统，主要 区 别 就是 液压泵的数目 不同 ， 即 是

单泵系统 、 双泵系统和多泵系统。

1.4.1 单泵液压系统

在 小 功 率 的钻机中， 由 于 变 量泵液压系统 成 本 相 对于定量泵液压系统 偏高 ，

且 组成 较为 复杂 ， 所 以一 般 的 生 产 商都会选 择 定量泵液压系统。

此型钻机采用机 械 式调 节 执 行机构速度，比较多的 小 型钻机采用压力控制

阀来调 节 压力。此类钻机液压系统的结构较为简单, 方 便 操作和 维护 , 但效率不

高、 能 耗 较 大 ，比较 典 型的此类液压系统原理 如下图 2 - 1 所 示 。

图 2 - 1 单泵钻机液压系统原理 图

尽 管 定量泵系统的结构简单， 成 本较 低 ， 但正是由 于 它 的结构简单，导 致 了全

液压钻机在 运 行的过 程 中 不 能 高效率 的进行能量的转化，这主要 是 因为钻机的

各 个部 分在工作的 时候 ，其 变 化 区间 较 大 ， 同时由 于能量的 大 量 流 失 ， 还会 导

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致 钻机在 使 用的过 程 中 温 度过 高 ， 使 得在操作的过 程 中 存 在过 高 的 危险性 。 近 年

来， 由 于 资 源 的 减少 ，能 源 成 本在 不断 的 增加 ， 所 以钻机 生 产 商 开 始将 定量泵

系统改为 变 量泵单泵系统， 从而 可以 将 能量 损 失 避免掉 ， 也 进一 步 减少 了钻机

的能 耗 ， 也解决 了 油 温 升高 等 问题 。

1.4.2 双泵液压系统

单泵系统钻机的液压系统在 完成 一 些复合 动作 之 后， 由 于其 使 用的 油 源唯

一，因此当这两 个 动作回路 之间 发 生 较 大 的 差别 时或者 某 一 个 回路的 负载 发 生

突 变 的 时候 ， 会影响 其 他 动作。为了 解决 一 个 泵 影响不同 的回路 问题 ，采用两 个

泵作为系统动力 源 ，这 样就避免 了 不同 回路 之间 的 相互 影响 。 如图 2 - 2 所 示 为双

泵液压系统原理 图 。

图 2 - 2 双泵液压原理 图

在双泵液压系统中， 将大 泵作为主泵，主要用于控制钻机进给钻头的回转

运 动和钻机的 升降 动作， 小 排 量泵作为辅泵，主要用于控制钻机进给 运 动和其

他 辅助 性 的作业。采用了双 变 量泵 之 后，钻机的 排 量调 节 方 便 ，且 有很好 的 节 能

效果 。

1.4.3 多泵液压系统

一 般将 钻机中采用 三 个或者 三 个 以上泵的液压系统，统 称 为多泵系统。多泵

系统 避免 了泵 与 泵 之间流 量和压力的 相互干涉 ， 如图 2 - 2 所 示 为多泵液压系统的

原理 图 。

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