水平定向钻机（第一部分）徐工研究院张启君概述水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施管道、电缆等）的一种施 工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适 用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。工作环境温度为-15C +45r。水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一 起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、 煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设虹工程中。水平定向钻进设备，在十几年 间也获得了飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。目前其发展趋势正朝着大型化和微型 化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电 系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。该种设备一般适用于 管径p300 1200mm的钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m，适应于软土到硬岩多种土 壤条件，应用前景广阔。下面因此对水平定向钻的研究意义十分重要！1水平定向钻机的相关产品与关键技术及分类1.1国内外相关产品的发展特点国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻 机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节 能、防触电报警等多项先进技术。在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进 和回拖、触电保护等方面具有创新点，主要技术性能指标达到了国外同类产品的先进水平， 在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。为目前 国内技术最先进，自动化程度最高的钻机。中国地质科学院勘探技术研究所、连云港黄海机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。在以 上的国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首 次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电 报警等多项先进技术。在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触 电保护等方面领先，主要技术 性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率， 安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。国外的Ditch Witch公司 是世界上生产非开挖定向钻机较先进的公司，具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术 性 能先进、操作性能良好，目前生产的系列产品有JT520、JT920L、JT1720M I、JT4020 MI、JT7020MI和广普型钻机JT2720AT、JT4020AT等中小型钻 机。Ditch Witch的钻孔资 料处理系统，可进行钻孔轨迹设计，进行相关钻孔数据的记录。其中DitchWitch公司JT27 20/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。VERMEER公司是世 界上另一非开挖设备的著名生产厂家，其水平定向钻机从迷你型钻机到大型钻机有多种型 号，主要有：PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24* 40、D33 *44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500 等；美 国CASE公司生产的60系列五种型号，美国凯斯公司是发展水平定向钻产业较晚的公司， 产品有凯斯6010、凯斯6030等型号的新型定向钻，但生产的产品性能先进，尤其是在PL C控制，自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。其中凯斯6030型定向钻是其在 我国销售的主导产品，主轴最大扭矩5423N.m，主轴三速旋转，最大进给力与回拖力均为 13.6T，满载钻杆整机重量7.8T，可满足一般施工工程的需要。典型的施工工程有上海信息 港工程、黄埔江工程等。另外，生产水平定向钻机的国外公司还有美国的AU GERS公司， INGERSOLLRAND 公司，德国 的 FLOWTEX、HUTTE 公司，英国的POWERMOLE、S TEVE VICK公司，瑞士的TER RA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWEL L公司等。目前国外水平定向钻的产品大都具有以下几个技术特点：主轴驱动齿轮箱采用 高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应 系统和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的PLC 电子电路系统确保长时间地工作可靠性；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚 固定位装置；先进的电子导向发射和接收系统。1）中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。带 钻杆自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率；大型钻 机带随车吊，便于吊装钻杆；2）系列化程度高，从2T到600T，适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施 工方法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。3）液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；4）应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：自动钻 进，自动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。5）作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线（或有线）导向控制系统、地下电缆与管道探测技 术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全措施，确保机器和人员的安全。6）先进的钻进规划设计软件：如VERMEER公司的ATLAS BORE PLANNER软件和美国 十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD（水平定向钻进）施工而开发，可根据施工要 求和资料，模拟生成设计施工路线和报告。国内外同类技术及厂家比较表如表1、表2下：表1国内外同类技术比较表CASE6030沟神JT2720威猛 D24X40A廊坊GPS10徐工ZD1245最大回拖/进给力（KN）136/136120/120108/108150/70122/108动力头最大扭矩（Nm）54233660541560004500主轴最大转速（r/min）三速21526080210自动装卸钻杆有有有无有最大钻进长度(m)300300300300300自动锚固有有有无有表2国内外同类厂家比较表企业主要产品目前的规模特点北京土行孙 公司DDW80、DDW100、DDW150、DDW200、DDW250、DDW320巳形成系列 化、批量化， 年产量巳达160余台拖式、自行走式均有， 液控，钻杆手工装卸， 无自动化深圳钻通ZT-8、ZT-10、ZT-15、ZT-20、ZT-25巳形成系列 化，批量化，年产量巳达130余台拖式、自行走式均有， 液控，钻杆手工装卸， 无自动化中联重科KSD15、KSD25已批量生产， 年产量达20 余台自行走，动力系与主机 两单元体，干湿两用， 全负荷敏感控制，英国 技术，回拖力1525吨连云港黄海 机械厂回拖力836吨巳形成系列 化，批量化，年产量巳达 50余台拖式、自行走式均有， 液控，钻杆手工装卸， 无自动化廊坊华元机 电HY-3000、HY-2000、HY-1300、HY-800主要从事大型定向钻机的生产，巳形成小规模行走方式拖式，液压系 统进口，动力系统与主 机两单元体，回拖力在 80300 吨凯斯(美国)CASE6010、CASE6030、CASE6060、CASE6080、CASE60100、CASE60120批量进口，年 销量2030台电子控制，自动化程度 高，动力强劲，可靠性 高。DitchWitch（美国）JT920、JT1720、JT2720、JT4020、JT7020批量进口，年 销量2030台电子控制，自动化程度 最高，动力强劲，可靠 性高；钻岩技术先进， 注重人身保护VERMEER公司PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、D40*40、 D50*100、 D80*120、 D100*120、D150*300、 D200*300、 D300*500批量进口，年 销量2030台电子控制，自动化程度 高，动力强劲，可靠性 高。德国海瑞克回拖力100600吨进口数台成熟技术，底盘分模块 式、拖式、履带式多种1.2水平定向钻机分类按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可将定向钻机分为大、中、小型三大类。各类钻机的主要性能参数和应用范围见表3表3水平定向钻机分类分类小型中型大型推拉力(KN)450扭矩(KN-m)30功率(KW)180钻杆长度(m)1.53.03.09.09.012.0铺管直径(mm)503503506006001200铺管长度(m)3003006006001500铺管深度(m)151.3水平定向钻的关键技术1.3.1中空动力头中空动力头的设计的实现：中空动力头是水平定向钻的关键作业部件，其可靠性及质量的好 坏将直接影响整机的正常使用，该部件应实现钻进和输送泥浆的功能，同时要考虑齿轮的 润滑，泥浆输送系统的密封等。动力头一般由低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动 减速箱机构，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空，输出轴一端接有旋转接头，通 过旋转接头注入泥浆。另外目前在国内市场上12到15吨级的水平定向钻机，进口的主要 有美国凯斯公司的6030、威猛公司的D24X40A、沟 神公司的JT2720，国内厂家有北京土 行孙的DDW-150、连云港黄海的FDP-15、深圳钻通的ZT-15、徐 工集团的ZD1245等。其 国内外动力头性能参数对比见表4:从上面的动力头的性能参数对比来看，国内动力头在 推拉力、旋转扭矩、转速及泥浆通流量等参数基本相同，国外各厂家为了适应不同的愈 市场，主要参数各有所差别，有的侧重于大的旋转扭矩，有的侧重于大的推拉力。一般而 言，最大输出扭矩的多少决定了钻机扩孔能力的大小，最大拉力的大小决定了拖拉管道的 长度。事实上如果扩孔质量好，钻机不需要很大的拉力就能将管线拉动。还应清楚动力头采用的中、低速液压马达驱动，驱动方式；目前主要有三种：选用通孔式低速大扭矩马达 直接驱动，泥浆直接从中间通孔输入，输出轴直接连接钻具。此种方式受液压马达的限制， 仅限于小型钻机中应用；选用低速大扭矩液压马达经齿轮箱驱动，根据回转扭矩的需要可 以由一个液压马达驱动，也可以由两个、甚至是三个液压马达驱动。液压马达可以在齿轮 箱的前后对称，也可以环绕输出轴成环形或扇形布置。马达有选用法国波克兰公司的径向 柱塞马达，如CASE、威猛的钻机；由于摆线马达价格较低，国内厂家多选用摆线马达。齿轮箱一般需一级齿轮减速。此种方式应用较普遍；液压马达通过减速机再经齿轮减速箱驱 动。液压马达为高速马达，可以是一个或两个，减速机选用行星