鉆機(jī)百科
編輯：2021-11-29 09:36:42
鉆機(jī)(drill)
驅(qū)動(dòng)、控制鉆具鉆進(jìn)，并能升降鉆具的機(jī)械。是工程鉆探設(shè)備的主體。
發(fā)展概況 上早的鉆探裝置是中國(guó)的沖擊鉆進(jìn)裝置。漢代打井時(shí)使用滑輪來(lái)升降鉆具。唐代使用的沖擊鉆進(jìn)裝置包括有纏繞繩索的絞盤(pán)(立式絞車)和安放天輪的井架，可以鉆進(jìn)190m深的鹽井。北宋慶歷年間(1041～1048年)已出現(xiàn)了用竹、木制做的具有杠桿式?jīng)_擊機(jī)構(gòu)和絞車的繩索沖擊鉆進(jìn)裝置，以人力或畜力為動(dòng)力。由于鉆具的不斷改進(jìn)，14世紀(jì)已可鉆進(jìn)500m深的鹽井，1835年曾創(chuàng)鉆井深度1001．4m的紀(jì)錄。中國(guó)的繩索沖擊鉆進(jìn)裝置傳入西方后，逐漸演進(jìn)，出現(xiàn)了帶有動(dòng)力機(jī)和四連桿沖擊機(jī)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)代鋼絲繩沖擊鉆機(jī)。回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)早出現(xiàn)于19世紀(jì)中后期，其發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：(1)代為機(jī)械傳動(dòng)、手把給進(jìn)的立軸式鉆機(jī)。1862～1863年，法國(guó)制造了使用手鑲金剛石取心鉆頭的手搖回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。后改用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，不久又發(fā)展為用柴油機(jī)帶動(dòng)。(2)第二代是機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)的立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代。(3)第三代為全液壓式立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。60年代瑞典首創(chuàng)了全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)，后美國(guó)等相繼研制了如動(dòng)力頭式水井鉆機(jī)等適于工程鉆探的多功能復(fù)合式立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。(4)第四代為全自動(dòng)立軸回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，出現(xiàn)于80年代。
回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)較沖擊鉆進(jìn)的優(yōu)越性，使得立軸回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)自20世紀(jì)初期開(kāi)始逐漸取代了鋼絲繩沖擊鉆機(jī)在鉆探工程中的主導(dǎo)地位。
全液壓、多功能和電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制是工程鉆機(jī)的發(fā)展方向。
分類鉆機(jī)通常依其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為沖擊鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、復(fù)合鉆機(jī)和振動(dòng)鉆機(jī)。
沖擊鉆機(jī) 利用鉆具自重，以沖擊方式進(jìn)行鉆進(jìn)的鉆機(jī)。其主要作用有：(1)通過(guò)一定裝置把鉆具或鉆具的上部分組件周期地提起一定高度，再使其借助自重落下，沖擊孔底而破碎巖石；(2)升降鉆具；(3)起出套管、井管、孔內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備、提水設(shè)備和檢測(cè)儀器等；(4)處理孔內(nèi)事故。此類鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，但純鉆時(shí)間利用率較低、鉆進(jìn)深度有限。典型的沖擊鉆機(jī)有利用鋼絲繩懸吊鉆頭的鋼絲繩沖擊鉆機(jī)。
沖擊鉆機(jī)由沖擊機(jī)構(gòu)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、動(dòng)力機(jī)和操縱系統(tǒng)等組成。沖擊機(jī)構(gòu)是主要的工作機(jī)構(gòu)，其作用是將動(dòng)力機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置輸入的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)殇摻z繩上下運(yùn)動(dòng)而提升鉆具。專門的鋼絲繩沖擊鉆機(jī)和各種復(fù)合式鉆機(jī)常用的沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型有曲柄一游梁式、曲軸一超越離合器式和液壓式等，其中曲柄一游梁式使用歷史長(zhǎng)，也為成功。簡(jiǎn)易的沖擊鉆機(jī)不設(shè)沖擊機(jī)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)操縱卷?yè)P(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)。
回轉(zhuǎn)鉆機(jī) 帶動(dòng)鉆具以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆孔的鉆機(jī)。是應(yīng)用廣泛、規(guī)格型號(hào)多的一類鉆機(jī)，其主要作用是回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和升降鉆具。回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的主要組成部分及其功能為：(1)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。帶動(dòng)鉆具以不同的轉(zhuǎn)速和扭矩作正向或反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(2)給進(jìn)機(jī)構(gòu)。保持對(duì)鉆頭施加適當(dāng)壓力，以連續(xù)破碎孔底巖石。(3)升降機(jī)構(gòu)。升降鉆具和套管等。(4)傳動(dòng)系統(tǒng)。傳遞和分配動(dòng)力，使工作機(jī)構(gòu)得到所需形式的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。(5)操縱系統(tǒng)。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通常稱為回轉(zhuǎn)器，有立軸、轉(zhuǎn)盤(pán)和動(dòng)力頭式三種型式。相應(yīng)地回轉(zhuǎn)鉆機(jī)也分為立軸式、轉(zhuǎn)盤(pán)式和動(dòng)力頭式三類。
(1)立軸式鉆機(jī)。回轉(zhuǎn)器中有一根縱向長(zhǎng)度適當(dāng)、徑向尺寸較小的通孔立軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。動(dòng)力經(jīng)過(guò)一系列的傳遞到立軸，通過(guò)立軸，端部的卡盤(pán)帶動(dòng)，被夾持在立軸通孔內(nèi)的鉆桿回轉(zhuǎn)并隨立軸縱向移動(dòng)，從而帶動(dòng)鉆桿下端的鉆頭實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。使立軸縱向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為給進(jìn)機(jī)構(gòu)。立軸式鉆機(jī)按給進(jìn)機(jī)構(gòu)的型式通常分為手把(或手輪)式鉆機(jī)(圖1a)、螺旋差動(dòng)式鉆機(jī)和液壓鉆機(jī)(圖1b)，它們是分別依靠人力操縱起杠桿作用的給進(jìn)把(或手輪)、螺旋差動(dòng)機(jī)構(gòu)或液壓裝置了解孔底情況，調(diào)節(jié)給進(jìn)。手把鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于其給進(jìn)把在鉆進(jìn)性較差，有些鉆機(jī)已將給進(jìn)把改為給進(jìn)手輪。液壓鉆機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但工作平穩(wěn)，給進(jìn)性能亦好。立軸式鉆機(jī)可用于各類回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，通過(guò)改變立軸的傾角，可以鉆進(jìn)不同方向的鉆孔。鉆孔口徑一般在150mm以內(nèi)，少數(shù)大通孔立軸鉆機(jī)可鉆進(jìn)直徑大于150mm的鉆孔。
(2)轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)。回轉(zhuǎn)器為轉(zhuǎn)盤(pán)的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)(圖2)。轉(zhuǎn)盤(pán)是一種縱向長(zhǎng)度較小，而徑向尺寸較大，且中央有四方或六方形通孔的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力由橫軸錐齒輪輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)盤(pán)的錐齒輪副變?yōu)檗D(zhuǎn)盤(pán)的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上的補(bǔ)心或撥柱帶動(dòng)穿過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)通孔的主動(dòng)鉆桿(見(jiàn)鉆探管件)回轉(zhuǎn)，用鋼絲繩一滑輪系統(tǒng)或油缸實(shí)現(xiàn)給進(jìn)。轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大的特性，在工程鉆探中主要用于各種深度水井的鉆進(jìn)。轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)的鉆孔方向范圍較窄，一般只能鉆進(jìn)傾角為70。～90。的鉆孔。
(3)動(dòng)力頭式鉆機(jī)。具有動(dòng)力頭式回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。動(dòng)力頭是一類由縱軸、電動(dòng)機(jī)或油馬達(dá)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，并由給進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)沿縱向?qū)к壣舷乱苿?dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)或升降鉆具的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由縱軸、電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的稱機(jī)械動(dòng)力頭，由油馬達(dá)帶動(dòng)的稱液壓動(dòng)力頭。動(dòng)力頭具有回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、升降和擰卸鉆具的多種功能。鉆桿通過(guò)螺紋或卡盤(pán)連接在動(dòng)力頭主軸的下端，鉆進(jìn)時(shí)由主軸帶動(dòng)其回轉(zhuǎn)并隨動(dòng)力頭上下移動(dòng)。液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)是現(xiàn)代鉆機(jī)的代表機(jī)型，具有無(wú)級(jí)調(diào)速、無(wú)級(jí)調(diào)壓、工作平穩(wěn)、給進(jìn)行程長(zhǎng)、易于實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)機(jī)械化、自動(dòng)化、儀表化等特點(diǎn)，在鉆探領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。
復(fù)合鉆機(jī) 具有沖擊、回轉(zhuǎn)、振動(dòng)、靜壓等功能中兩種或兩種以上功能的鉆機(jī)。工程鉆探使用的復(fù)合鉆機(jī)大致可以分為轉(zhuǎn)盤(pán)式和動(dòng)力頭式兩大類。轉(zhuǎn)盤(pán)式復(fù)合鉆機(jī)同時(shí)具有轉(zhuǎn)盤(pán)和沖擊機(jī)構(gòu)，可進(jìn)行轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)。動(dòng)力頭式復(fù)合鉆機(jī)，采用動(dòng)力頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并能利用所配備的其他裝置進(jìn)行不同方法的鉆進(jìn)。由于動(dòng)力頭具有多種功能，大部分的復(fù)合鉆機(jī)均為動(dòng)力頭式：(1)工程地質(zhì)勘察孔鉆進(jìn)用動(dòng)力頭式復(fù)合鉆機(jī)。一般由動(dòng)力頭、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、振動(dòng)器(見(jiàn)振動(dòng)鉆進(jìn))等組成，可進(jìn)行回轉(zhuǎn)、沖擊、振動(dòng)、回轉(zhuǎn)一振動(dòng)跟管、沖擊一振動(dòng)跟管等鉆進(jìn)，靜壓取土，振動(dòng)下入和起拔套管等。(2)水井鉆進(jìn)用動(dòng)力頭式復(fù)合鉆機(jī)。常稱為動(dòng)力頭式水井鉆機(jī)。其組成包括動(dòng)力頭、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、移擺管裝置等，可進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、正或反循環(huán)鉆進(jìn)、沖洗液或空氣鉆進(jìn)，并可完成下管、洗井和抽水試驗(yàn)等成井作業(yè)。
振動(dòng)鉆機(jī) 利用激振裝置的振動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的鉆機(jī)。由激振裝置、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)架等部件組成。激振裝置一般采用振動(dòng)器。單純的振動(dòng)鉆機(jī)很少，一般多在回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)上配備振動(dòng)器進(jìn)行鉆進(jìn)。
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