塔機(jī)一體式鉆機(jī)鉆塔的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盧春陽(yáng)，歐陽(yáng)志強(qiáng)，李明星

（衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南 衡陽(yáng)421002）

1 概述

機(jī)械傳動(dòng)立軸式巖心鉆機(jī)的發(fā)展已具有上百年的歷史，因其具有傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、維修方便，鉆探工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)廣泛使用。隨著鉆探技術(shù)和工藝水平的不斷提升和完善，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的立軸巖心鉆機(jī)經(jīng)各廠家的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，出現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)，總的發(fā)展目標(biāo)就是節(jié)能高效，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等，吸取全液壓鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，相繼出現(xiàn)了不停車倒桿式、長(zhǎng)給進(jìn)行程式等特色鉆機(jī)。在鉆探施工中，鉆塔是鉆探設(shè)備的重要組成部分，它在鉆進(jìn)過(guò)程中用于安放和懸掛天車、游動(dòng)滑車、提引器等，以起下鉆具和套管。衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)的XY－4L鉆機(jī)和XY－4 HA鉆機(jī)，設(shè)計(jì)成巖心鉆機(jī)自帶鉆塔，鉆機(jī)與鉆塔一體式，實(shí)現(xiàn)真正意義上的塔機(jī)一體，降低了購(gòu)買(mǎi)鉆塔所需的成本。自帶液壓起落鉆塔，安裝快捷，輕便靈活，縮短了裝拆鉆塔的工作周期，能實(shí)現(xiàn)整機(jī)移動(dòng)，搬遷方便，大大減輕了工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，鉆機(jī)配套性強(qiáng)，施工方便。

2 塔機(jī)一體式鉆機(jī)天車形式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

塔機(jī)一體式鉆機(jī)的工作方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu)形式，鉆塔是通過(guò)塔座安裝在分動(dòng)箱體和水剎車殼體上，鉆機(jī)在下放和提升鉆具時(shí)，回轉(zhuǎn)器立軸需要后退400mm左右，以讓開(kāi)孔口，滿足鉆進(jìn)工藝的要求，這勢(shì)必造成整個(gè)鉆塔也跟著鉆機(jī)向后移動(dòng)400 mm左右，為保證鉆塔上天車滑輪與孔口中心垂直，必須給鉆塔有補(bǔ)償裝置。如圖1是固定式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài)，目前，塔機(jī)一體式鉆機(jī)較常用的補(bǔ)償裝置，主要由塔座、起塔油缸、擺塔油缸、銷軸A、銷軸B、塔體、天車組成，其工作原理是：驅(qū)動(dòng)起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機(jī)垂直的位置，完成起鉆塔動(dòng)作。裝上銷軸B，卸下起塔油缸，裝上擺塔油缸，拆下銷軸A，鉆塔處于鉆進(jìn)工作狀態(tài)。當(dāng)鉆機(jī)需要后退讓開(kāi)孔口時(shí)，鉆塔隨鉆機(jī)后退，為保證鉆塔上天車滑輪與鉆孔中心垂直，驅(qū)動(dòng)擺塔油缸伸出，使鉆塔向前傾斜一定的角度，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)利用鉆塔起放鉆具，當(dāng)鉆機(jī)完成起放鉆具后，讓開(kāi)的回轉(zhuǎn)器立軸需要復(fù)位，驅(qū)動(dòng)擺塔油缸縮回，使鉆塔復(fù)位。

此鉆塔的天車是固定式，在讓開(kāi)孔口提升鉆具時(shí)，是依靠擺塔油缸伸出，使鉆塔處于傾斜狀態(tài)，擺塔油缸幾毫米的伸縮量可以讓鉆塔產(chǎn)生幾十倍的擺動(dòng)力，嚴(yán)重影響鉆機(jī)的穩(wěn)定性，鉆塔的提升能力也不能完全發(fā)揮，給施工現(xiàn)場(chǎng)留下安全隱患。現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，傾斜的角度也難以控制，當(dāng)鉆塔的傾斜角度稍大時(shí)，天車已超過(guò)孔口中心，塔體有可能碰到主動(dòng)鉆桿而損傷鉆桿；當(dāng)鉆塔的傾斜角度過(guò)小時(shí)，天車到不了孔口中心，達(dá)不到讓開(kāi)孔口的效果，這樣就大大增加了斜塔時(shí)的操控難度，鉆塔的安裝過(guò)程也比較繁鎖，拆裝頻繁，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為解決固定式天車鉆塔穩(wěn)定性差、能力不能完全發(fā)揮、安全隱患、操作困難等弊端，我們對(duì)鉆塔和天車進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。圖2是變位式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài)，改進(jìn)后將固定式天車鉆塔的天車拆分為主天車與副天車，將用來(lái)斜塔的擺塔油缸改到驅(qū)動(dòng)副天車的位置，鉆塔的聯(lián)接也由銷軸B改為螺栓加以緊固，這樣就成了變位式天車鉆塔，其工作原理是：驅(qū)動(dòng)起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機(jī)垂直的位置，裝上螺栓，鉆塔處于鉆進(jìn)工作狀態(tài)，當(dāng)鉆機(jī)需要讓開(kāi)孔口時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺塔油缸伸出，將副天車傾斜到一定的角度，保證天車滑輪與孔口中心垂直；當(dāng)鉆機(jī)復(fù)位時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺塔油缸縮回，鉆塔處于正常鉆進(jìn)狀態(tài)，改進(jìn)后鉆機(jī)需要落塔時(shí)，拆下螺栓，驅(qū)動(dòng)起塔油缸，可讓鉆塔處于落塔狀態(tài)。為控制天車的伸出量與讓開(kāi)孔口的位置相當(dāng)，只需要控制擺塔油缸的行程，改進(jìn)后，天車操作方便，只需把擺塔油缸控制閥推拉到極限位置即可。

改進(jìn)后的變位式天車鉆塔與原固定式天車鉆塔相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）鉆機(jī)起落鉆塔方便快捷，不須更換油缸和拆裝銷軸；

（2）起塔后，塔體與塔座用螺栓緊固聯(lián)接，無(wú)需傾斜，從而使鉆塔的工作狀態(tài)更穩(wěn)定；

（3）大大降低了操作者對(duì)鉆塔傾斜角度的操控難度。

圖1 固定式天車鉆塔

圖2 變位式天車鉆塔

3 塔機(jī)一體式鉆機(jī)變位天車的有限元分析

為保證變位式天車的副天車和擺塔油缸滿足鉆機(jī)的提升能力和設(shè)計(jì)要求，我們應(yīng)用Autodesk Inventor軟件對(duì)天車進(jìn)行了有限元分析計(jì)算：

首先對(duì)零件進(jìn)行三維建模，組裝后對(duì)整個(gè)部件進(jìn)行應(yīng)力分析，所有材質(zhì)都選擇為低碳鋼，將耳座與鉆塔的接觸面設(shè)為固定約束。根據(jù)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)性能要求，卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升能力為45k N，將卷?yè)P(yáng)機(jī)上鋼絲繩的拉力作用于副天車滑輪之上，方向如圖3所示，一個(gè)為豎直向下，一個(gè)沿兩滑輪的切線方向，通過(guò)軟件的有限元分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在油缸與滑輪架的結(jié)合處，為Smax＝159．3MPa。圖4為安全系數(shù)分析圖，從兩圖并根據(jù)鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)的提升能力和對(duì)鉆具的重量計(jì)算，擺塔油缸和副天車的受力完全能滿足鉆機(jī)的要求。

圖3 等效應(yīng)力分析圖

圖4 安全系數(shù)分析圖

4 塔機(jī)一體式鉆機(jī)變位天車的生產(chǎn)應(yīng)用情況

新型變位式天車鉆塔試驗(yàn)初期裝在衡探公司生產(chǎn)的XY－4 HA型塔機(jī)一體式鉆機(jī)上，在公司鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，我們對(duì)該鉆機(jī)進(jìn)行了50k N重物的提升試驗(yàn)（見(jiàn)圖5）。試驗(yàn)過(guò)程中，鉆機(jī)鉆塔穩(wěn)定可靠，擺塔油缸伸縮利索，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)推廣應(yīng)用，此新型變位式天車裝在XY－4L型鉆機(jī)上，鉆機(jī)出口4臺(tái)在印度尼西亞一礦山施工，單臺(tái)鉆機(jī)總進(jìn)尺達(dá)3200m，最深孔630m，鉆機(jī)使用性能穩(wěn)定可靠，變位式天車和擺塔油缸均無(wú)故障，施工單位使用滿意，經(jīng)工地實(shí)踐證明，變位式天車能滿足工地施工要求。

圖5 變位天車的出廠試驗(yàn)

5 總結(jié)

新型變位式天車通過(guò)合理的、巧妙的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，融合塔機(jī)一體式鉆機(jī)其雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)和自身優(yōu)勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)、鉆塔一體，方便了鉆探人員對(duì)鉆機(jī)的操作，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的，提高了生產(chǎn)效率，為施工單位帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)的需要和工地的使用情況，不斷完善、優(yōu)化、豐富立軸式巖心鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品的功能，必將為其發(fā)展帶來(lái)更廣闊的市場(chǎng)前景。可以預(yù)測(cè)，立軸式巖心鉆機(jī)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)其主導(dǎo)地位仍是不可替代的。

［1］ 彭一江等．新型高效節(jié)能立軸巖心鉆機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用．探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（10）．

［2］ 王義質(zhì)等．工程力學(xué)．重慶：重慶大學(xué)出版社，1994．

［3］ 楊惠明．鉆探設(shè)備．北京：地質(zhì)出版社，1988．

［4］ 張永勤．新型高效實(shí)用巖心鉆機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用．第十六屆全國(guó)探礦工程（巖土鉆掘工程）技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集．北京：地質(zhì)出版社，2011．