雙鉆具鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夏志明，李賀巖，薛軍

(1.吉林省探礦機(jī)械廠，吉林長春 130021;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130026)

雙鉆具鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夏志明1，李賀巖2，薛軍2

(1.吉林省探礦機(jī)械廠，吉林長春 130021;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130026)

雙鉆具鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣機(jī)構(gòu)是動(dòng)力頭的關(guān)鍵部分，其密封裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量又是鉆機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。敘述了旁側(cè)供風(fēng)和中心供風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式，著重介紹了排渣系統(tǒng)的密封件選擇及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

回轉(zhuǎn)供風(fēng);排渣;旁側(cè)供風(fēng);中心供風(fēng);密封圈

1 概述

在巖土鉆掘工程中，砂卵礫石、碎巖等松散破碎地層鉆進(jìn)存在的問題是成孔難、成孔速度慢。成孔難的原因是在鉆孔中孔壁不穩(wěn)定，易塌方、漏失。施工中通常采用護(hù)筒防止塌方和漏失，而操作時(shí)護(hù)筒難下沉到鉆孔中，如將護(hù)筒沉入孔中規(guī)定的深度時(shí)，會(huì)遇到護(hù)筒與孔壁間的摩擦阻力，很難將護(hù)筒提出，有時(shí)需用千斤頂才能拔出，導(dǎo)致完成一個(gè)鉆孔很費(fèi)時(shí)間。

目前，對(duì)付上述地層，國內(nèi)外多采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。巖土在高速加載的條件下，不易產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為脆性增加，形成大體積破碎，提高了鉆進(jìn)速度。

實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，一是采用氣動(dòng)潛孔錘驅(qū)動(dòng)球齒鉆頭沖擊回轉(zhuǎn);二是鉆機(jī)動(dòng)力頭部件上裝有液壓振動(dòng)器或機(jī)械式振動(dòng)器，進(jìn)行正循環(huán)鉆進(jìn)，并采用單動(dòng)力頭雙鉆具鉆進(jìn)方法，使內(nèi)﹑外鉆具同向沖擊回轉(zhuǎn)，套管護(hù)壁，鉆進(jìn)時(shí)的巖屑通過內(nèi)外鉆具的間隙，經(jīng)鉆機(jī)動(dòng)力頭排渣管集中排出。該鉆進(jìn)工藝是復(fù)雜巖土層施工中先進(jìn)﹑可靠的成孔工藝。

在雙鉆具鉆進(jìn)中，回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)是動(dòng)力頭式鉆機(jī)的關(guān)鍵部分，而回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)密封裝置質(zhì)量直接影響鉆進(jìn)效率。如果密封失效，粉塵會(huì)漫天飛舞造成環(huán)境污染，涉及人身健康和設(shè)備使用壽命。所以合理設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣系統(tǒng)的密封是鉆機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。

2 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)

按照供風(fēng)風(fēng)路位置不同有旁側(cè)供風(fēng)和中心供風(fēng)2種方式。

2.1 動(dòng)力頭旁側(cè)供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)

圖1為一旁側(cè)供風(fēng)的供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)圖。這是將動(dòng)力頭主軸的回轉(zhuǎn)與供風(fēng)排渣2部分組合起來的結(jié)構(gòu)。圖中主軸回轉(zhuǎn)，通過主軸下端螺紋連接外鉆具，主軸內(nèi)孔通過螺紋連接鉆具接頭來連接內(nèi)鉆具，構(gòu)成單動(dòng)力頭雙鉆具傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。在動(dòng)力頭外殼上固定一密封套，密封套a口為供風(fēng)口，高壓風(fēng)從供風(fēng)口進(jìn)入空心主軸，然后送往鉆桿及沖擊器。密封套c口為排渣口，鉆進(jìn)中的巖屑從內(nèi)、外鉆具的間隙d通過排渣口排出。供風(fēng)與排渣處兩側(cè)均有密封圈密封。

2.2 動(dòng)力頭中心供風(fēng)、排渣結(jié)構(gòu)

圖2為一中心供風(fēng)的供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)圖。從圖中可知，高壓風(fēng)從a口進(jìn)入動(dòng)力頭空心主軸中心孔，然后送往鉆桿及沖擊器。主軸下部安裝鉆具接頭用于連接內(nèi)鉆具，鉆具接頭與主軸之間存在間隙，鉆進(jìn)中巖屑從間隙通過排渣口b排出。密封圈1用來密封高壓風(fēng)，密封圈2為雙向密封排渣中的巖屑。

圖1 旁側(cè)供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)

圖2 中心供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)

2.3 兩種結(jié)構(gòu)的選擇

旁側(cè)供風(fēng)與中心供風(fēng)的選用主要根據(jù)動(dòng)力頭液壓馬達(dá)的布置情況而定。如液壓馬達(dá)直接與動(dòng)力頭主軸連接，則空心主軸上部沒有空間安裝供風(fēng)接頭，故需采用旁側(cè)供風(fēng);如果采用雙液壓馬達(dá)傳動(dòng)或動(dòng)力頭有減速、變速機(jī)構(gòu)，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)可以采用旁側(cè)也可采用中心供風(fēng)。

3 鉆機(jī)密封結(jié)構(gòu)分析

3.1 KLEMM鉆機(jī)密封結(jié)構(gòu)

KLEMM KR803－1型鉆機(jī)是一種履帶底盤，可鉆多方位孔的錨固鉆機(jī)。該鉆機(jī)具有回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)功能。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)工作時(shí)，鉆機(jī)主軸即回轉(zhuǎn)又作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它密封高壓風(fēng)(或泥漿)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中接頭上端內(nèi)螺紋與動(dòng)力頭主軸連接，下端具有內(nèi)外螺紋，可聯(lián)接雙壁管進(jìn)行雙管鉆進(jìn)，接頭上下螺紋間不通，在下螺紋處開有進(jìn)風(fēng)孔并裝有進(jìn)風(fēng)套，進(jìn)風(fēng)套通過對(duì)稱耳環(huán)(圖中右邊視圖)連桿固定在動(dòng)力頭外殼上，鉆進(jìn)工作時(shí)進(jìn)風(fēng)套為不動(dòng)件，接頭隨主軸作回轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜件的密封采用同軸密封圈，在進(jìn)風(fēng)口兩側(cè)設(shè)有兩組密封圈，密封圈中間裝有潤滑油嘴，定期加油以減少磨損。

圖3 KLEMM KR803－1型鉆機(jī)旁側(cè)供風(fēng)排渣結(jié)構(gòu)圖

3.2 JLZ－40型鉆機(jī)密封結(jié)構(gòu)

JLZ－40型礫石鉆機(jī)為車載鉆機(jī)，主要用于山前帶、河床、戈壁和沙漠等地區(qū)石油物探震源孔施工，特別適合礫石、流沙等復(fù)雜地層成孔。動(dòng)力頭為雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)經(jīng)齒輪減速帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸為中空軸，進(jìn)風(fēng)從中心孔引入，進(jìn)風(fēng)處采用V形密封圈密封。動(dòng)力頭下端為中心進(jìn)風(fēng)、旁側(cè)排渣結(jié)構(gòu)(圖4)，主軸通過主軸下接頭傳動(dòng)給鎖接頭，鎖接頭下端螺紋連接鉆桿，孔內(nèi)鉆桿連接氣動(dòng)潛孔錘。主軸通過六方套將動(dòng)力傳給前法蘭，前法蘭下端螺紋連接外管，實(shí)現(xiàn)雙管鉆進(jìn)，即內(nèi)管回轉(zhuǎn)并帶動(dòng)潛孔錘作沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，外管作同向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。排渣套通過連桿固定在動(dòng)力頭殼體上，鉆屑通過內(nèi)、外管間隙，前法蘭與鎖接頭間的通道經(jīng)排渣套排出。

圖4 JLZ－40型鉆機(jī)中心供風(fēng)旁側(cè)排渣結(jié)構(gòu)圖

主軸下接頭與鎖接頭用前法蘭的接觸面采用車氏組合密封圈密封，排渣套與前法蘭采用車氏組合密封圈密封。

4 密封裝置

動(dòng)力頭供風(fēng)、排渣密封裝置的作用在供風(fēng)口處是防止高壓風(fēng)的泄漏，泄漏分內(nèi)泄漏與外泄漏2類。泄漏會(huì)引起壓風(fēng)系統(tǒng)容積效率急劇下降，達(dá)不到所需的工作壓力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使沖擊器無法工作。排渣口的密封難度更大，在排渣中極細(xì)的巖粉通過偶合件存在其中，起了研磨劑的作用，加速了密封件的磨損。如動(dòng)力頭排渣處的密封失效產(chǎn)生外泄漏，會(huì)造成環(huán)境污染，粉塵影響工人的身體健康，引發(fā)操作失靈和人身事故。

設(shè)計(jì)密封裝置要求其動(dòng)、靜摩擦阻力小，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偶件的咬死或蠕動(dòng)等情況，并在正常作業(yè)下能滿足在小修期內(nèi)無泄漏的使用要求。密封件為易損件，所以要求密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。因?yàn)殂@機(jī)所用的回轉(zhuǎn)密封工作條件惡劣，不能使用密封磨損后不能調(diào)整壓緊程度的密封圈。設(shè)計(jì)密封裝置的另一措施是在排渣(或供風(fēng))處開環(huán)形槽，工作時(shí)經(jīng)常注入潤滑脂使槽中充滿油脂，用脂潤滑起到一定的密封作用，同時(shí)潤滑密封圈，起到較好的應(yīng)用效果。

5 密封圈的選擇

現(xiàn)有密封件多作為液壓系統(tǒng)或氣壓系統(tǒng)的靜密封或往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封。無論壓力高低都能取得很好的效果;而動(dòng)力頭鉆機(jī)是回轉(zhuǎn)密封，要密封的是除高壓氣外還有泥漿和巖屑。這種特殊的密封有3種密封圈可供選擇。

5.1 車氏組合密封

車氏組合密封圈是由特殊密封滑環(huán)與O形橡膠圈組合而成，具有耐磨、耐溫、耐壓、線速度高、摩擦力小和使用壽命長的特點(diǎn)。齒形滑環(huán)式組合密封用于旋轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)材料為增強(qiáng)PTFE，O形橡膠圈材料為高級(jí)丁腈橡膠HNBR，工作溫度－40～120℃，工作介質(zhì)可用于氣、水、泥漿等。

5.2 同軸密封圈

同軸密封圈，俗稱滑環(huán)式組合密封圈，按其用途分為活塞用同軸密封圈(格來圈Tesk0200)和活塞桿用同軸密封圈(斯特封K1250)。同軸密封圈是用加了填充材料的改性聚四氟乙烯滑環(huán)和充當(dāng)彈性體的橡膠環(huán)(如O形圈、矩形圈或X形圈等)組合而成。由于聚四氟乙烯材質(zhì)的滑環(huán)自潤性良好，壽命長，密封性能良好而結(jié)構(gòu)又緊湊，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中、高液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封裝置。同軸密封圈可以作高壓氣的密封材料。如用它來密封巖粉，還需采取其它措施。

5.3 V形密封圈

V形密封圈的截面呈V形，主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封。當(dāng)前鉆機(jī)氣水接頭的密封也都采用V形密封圈。排渣系統(tǒng)的密封在結(jié)構(gòu)上采取一些措施也可使用V形密封圈。根據(jù)V形密封圈使用材料，可分為純橡膠和夾織物(夾布橡膠)V形圈2種。

夾布橡膠V形密封圈的耐壓性能和耐磨耗性能均比純橡膠V形密封圈好，而純橡膠V形密封圈又具有相當(dāng)優(yōu)良的密封性能。所以可將2種不同材質(zhì)的V形圈交替組裝起來作用，以便充分發(fā)揮2種材質(zhì)V形密封圈的各自特性。

為降低V形密封圈的摩擦阻力，延長使用壽命，在密封部位采用了強(qiáng)制潤滑措施。V形密封圈在使用一段時(shí)間后，唇緣會(huì)磨損，為保證其密封性能，須及時(shí)調(diào)整其壓緊力，可用加墊片的方法和調(diào)節(jié)壓蓋的方法來調(diào)整。

6 結(jié)論

(1)復(fù)雜地層采用氣動(dòng)潛孔錘單動(dòng)力頭雙鉆具鉆進(jìn)或沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，重要的是正確設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)供風(fēng)、排渣系統(tǒng)的密封。

(2)動(dòng)力頭供風(fēng)系統(tǒng)分為中心供風(fēng)和旁側(cè)供風(fēng)，而排渣是通過內(nèi)、外鉆具的間隙由排渣口排出。

(3)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)密封的是高壓氣、泥漿、巖屑等，工作條件惡劣。如采用車式組合密封或滑環(huán)式組合密封圈和V形密封圈組合安裝，并在排渣、供風(fēng)處開有環(huán)形槽，工作時(shí)經(jīng)常注入潤滑脂，使槽中充滿脂，用潤滑脂起到一定的密封作用，此外，也可潤滑密封圈，起到較好的應(yīng)用效果。

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.

［2］陳玉凡，朱祥.鉆孔機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］鄢泰寧，孫友宏，彭振斌，等.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［5］楊惠民.鉆探設(shè)備［M］.北京:地質(zhì)出版社，1988.

Structure Design of Rotary Air Supply and Slag Removal for Double-tool Drilling

XIA Zhi-ming1，LI He-yan2，XUE Jun2(1.Prospecting Mineral Machinery Plant of Jilin Province，Changchun Jilin 130021，China;2.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China)

Rotary air supply and slag removal mechanism for double-tool drilling are the key parts of the power head，and the operation quality of its sealing device is the important guarantee for drilling machine normal operation.The structure forms of flanking and central air supply are described，the choice of sealing elements and structural characteristics of slag removal system are emphatically introduced in this paper.

rotary air supply;slag removal;flanking air supply;central air supply;sealing ring

P634.3

A

1672－7428(2011)11－0048－03

2011－06－21;

2011－11－10

夏志明(1953－)，男(漢族)，吉林長春人，吉林省探礦機(jī)械廠廠長、吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所所長、高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事管理和產(chǎn)品研發(fā)工作，吉林省長春市高新區(qū)超越大街1188號(hào)，www.jltk－machine.com。