液压定向 A系列钻塔的设计 与应用

曹国栋

摘要：为了适应市场的发展要求，使钻探设备系列化、多样化，满足客户的需求，在总结国内外各类钻塔优缺点的基础上，经过充分的调研和对比，于2014年研制了液压定向A型系列钻塔，该项目获山东省煤田地质局科技一等奖。本文以ZT13AY液压塔为例着重阐述钻塔的结构，液压系统的设计论证及应用。

关键字：液压；定向；A型钻塔；设计

引言

钻塔是指大型钻探机的钢架。它是一种具有一定高度和跨度的金属桁架，是钻井设备的重要组成部分，分为地梁、支座、副腿、塔身、固定工作台、天轮框架和天车七个主要部分，钻塔在钻井过程中，用于安放和悬挂立管、水龙头、水龙带等泥浆循环设备及工具，承受起下钻、下套管、打捞及其他作业所产生的载荷，存放钻杆或钻铤等，必须具有足够的承载能力、强度、刚度、整体稳定性和提供起下钻及存放立根操作的高度与空间。它的结构形式、安装工艺、自身重量以及拆迁运输方法，对钻探效率、质量和安全都有直接的影响。然而，传统的四脚金属钻塔，它的缺点是重量大、杆件多，安装拆卸工序繁琐，劳动强度大，高空作业，安全得不到保障。随着勘探事业的发展，要求新型钻塔轻便、系列、通用、搬迁快速、施工安全。液压定向A型钻塔应运而生，它是一种负荷能力大、拆装运输方便、整体起落、结构合理、安全可靠的轻便钻塔。该钻塔可实现钻机60°- 90°任意角度斜孔钻进，在地质和工程钻探中越来越多的得到了应用。

我厂钻塔的生产主要以机械式钻塔为主，为了适应市场的发展要求，使钻探设备系列化、多样化，满足客户的不同需求，厂领导决定设计和开发液压定向A型系列钻塔，于2014年设计了ZT13AY液压定向A型钻塔，设计完成后投入市场得到了良好效果。随后我厂又根据用户的需求设计了ZY18AY、ZT22AY 型液压定向A型钻塔，使液压定向A型钻塔系列化，满足了不同用户的需求。

一、基本参数

表1：液压定向A型系列钻塔技术参数

钻塔型号	ZT13AY	ZT18AY	ZT22AY
钻塔高度(m)	13.5	18	22
钻塔负荷(KN)	200	300	700
天轮规格(mm)	420	450	500
天轮数量(个)	3	3	5
塔顶上部跨度(m)	0.8	0.5	0.9
塔腿下部跨度(m)	3.9	5	5.5

二、结构及原理

液压定向A型系列钻塔主要是由地梁、支座、副腿、塔身、固定工作台、天轮框架、天车和起塔液压系统组成。

钻机井架主要用来安放天车，悬挂有车、大钩及专用工具。

现将各主要部分的结构分别叙述如下：

1. 地梁：地梁为承载钻机、钻塔塔身、副腿、起落架等勘探设备的架体，它由多组横梁与纵梁组成。每组横、纵梁由背靠背的槽钢焊接而成，此种结构便于加工生产，又能够提供足够的强度。

2. 副腿：左右副腿通过上下铰座分别与塔身和地梁进行连接，保证在塔身竖起工作时不会前后的倾倒。副腿由上下两段组成，中间由一螺杆进行调整长度，从而达到使塔身垂直与地面。

3. 塔身：塔身是承载钻具的主体，它由三段组成，每段塔身由角铁成四方形焊接而成，中间由筋板相互连接，（管子塔是由无缝管焊接成为三角形），使其成为稳定的框架结构，塔身之间由螺栓进行紧固连接。

4. 固定工作台：固定工作台用于操作人员在此处站立更换钻杆，并可摆放钻杆。其高度根据钻杆的长度不同，高度设计不同。其结构为底部为槽钢框架附以花纹板，周边为钢管弯制而成，依靠铰座与塔身连结在一起。

5. 天轮框架和天车：天车用于缠绕钢丝绳，提升钻具。天车固定与天轮框架上，根据承载力的不同，分别配有三滑轮组天车、四滑轮组天车、五滑轮组天车。

6. 起塔液压系统：由泵站、控制阀、油缸和管路组成，可在地面通过操作手柄完成钻塔的起落。

三、液压系统设计及理论计算分析

ZT13AY液压塔自带液压泵站，起塔液压系统的液压原理简图如图所示。两根液压油缸对称安装，分别通过销轴和井架耳板进行连接。两个油缸均装有平衡阀，可以防止落塔时由井架自身重力引起的下降过速。

图1：液压原理简图

1. 液压油缸的设计计算

钻塔井架的重量为3吨，根据杠杆原理，油缸活塞杆最大推力按58kN计算。初定液压系统工作压力为8MPa，钻塔井架的起立速度v按2m/min计算，则油缸几何流量可按下式计算

式中，A——液压缸有效面积；v——活塞杆伸出速度，按2m/min计算。

根据液压缸筒标准内径选择缸筒内径为100mm，则有

两对称油缸共需流量31.4L/min。液压缸几何功率按下式计算：

作用在单根油缸无杆腔压力为：

因此系统压力8MPa可以满足钻塔起立的要求。

图2：液压缸结构示意图

液压油缸的结构示意图如图所示，油缸总长（两圆中心距离）为2040mm，行程1680mm。

2. 液压泵站的设计

根据计算，两对称油缸供需流量31.4L/min，因此选择齿轮泵型号为YBC-45/80，排量 ，额定压力8MPa；电机型号为Y132M-4，功率为7.5kW，转速为1440r/min。因此，

液压泵流量为

液压缸速度为

液压缸完全伸出所需时间为

所以，该钻塔的起塔时间为37s。

四、应用实例

　2014年7月我厂研制ZT13AY液压塔配套张家口探矿厂XY-5钻机在野外施工应用，顺利起塔，节省了人力物力，提高了施工效率，满足客户需求，取得良好的社会和经济效益。

五、结语

液压定向A系列钻塔结合地质勘探施工实际，力求做到结构紧凑，设计合理。目前已在国内外多处的煤田地质勘探、有色金属矿勘探以及地质结构勘探方面得到广泛应用。 定向施工、斜孔钻进的应用范围越来越广，它可以根据岩脉分布、地形和施工取芯目的来选择经济适宜的场地和斜度进行钻进，可以实现垂直于岩脉的定向施工钻进，可以准确探明矿藏储量，同时缩小钻进深度，降低施工成本，满足探矿工程施工需要。 与XY系列钻机配套使用，使钻机的适用性、可靠性得到了进一步验证，使其良好的使用性能得到更充分的发挥，是XY钻机配套的良好设备。 

参考文献  　　[1] 吴伟，徐鸣谦.液压同步提升中油缸行程测试系统[J].中国工程机械学报，2004（1）.  　　[2] 吴友强，曹继玉. AY型钻塔液压起落装置的研制.科技资讯，2013（18）.

[3]张西坤，宋小娟].液压起塔定向施工A型钻塔.探矿工程（岩土钻掘工程），2004（12）