新型大口徑立軸式鉆機(jī)分動(dòng)及卷?yè)P(yáng)裝置的研制

彭 瑩， 尹 鑫， 譚 鑫， 魏治利， 畢 進(jìn)

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

新型大口徑立軸式鉆機(jī)分動(dòng)及卷?yè)P(yáng)裝置的研制

彭 瑩， 尹 鑫， 譚 鑫， 魏治利， 畢 進(jìn)

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

為了克服現(xiàn)有深孔大口徑鉆機(jī)體積龐大和價(jià)格昂貴等問(wèn)題，從實(shí)用角度出發(fā)研制了一種新型的立軸式深孔大口徑鉆機(jī)。此鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，鉆進(jìn)有效，靈活實(shí)用，價(jià)格適中，更加適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。本文重點(diǎn)闡述其分動(dòng)和卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，在立軸式鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳動(dòng)路線和結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，賦予其適應(yīng)大口徑深孔鉆進(jìn)下的低速重載的能力。

大口徑；立軸式；鉆機(jī)；分動(dòng)箱；卷?yè)P(yáng)機(jī)

0 引言

自2012年起，國(guó)家對(duì)巖層氣勘探規(guī)劃產(chǎn)量一直在不斷增加，伴隨煤炭行業(yè)的好轉(zhuǎn)，煤層氣開(kāi)采條件也日益成熟。這些開(kāi)采項(xiàng)目都需要大口徑深孔鉆機(jī)介入，而此前市場(chǎng)上主要應(yīng)用于此類作業(yè)的鉆機(jī)大部分為轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)或全液壓鉆機(jī)。轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)體積龐大，笨重，不利于移動(dòng)；而全液壓鉆機(jī)則大部分靠國(guó)外引進(jìn)，價(jià)格昂貴。為此我們研究開(kāi)發(fā)了一種新型的深孔大口徑鉆機(jī)。

深孔大口徑鉆機(jī)，要求低速重載。首先，在加大鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)功率的同時(shí)降低立軸轉(zhuǎn)速，重新選用傳動(dòng)比更高的汽車變速箱，再通過(guò)分動(dòng)箱進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速。第二，傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)的卷?yè)P(yáng)裝置都是縱向放置，而因?yàn)樯羁状罂趶姐@機(jī)要求起重力大，卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒尺寸加大，橫向布置更便于操作。故鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要對(duì)鉆機(jī)分動(dòng)箱部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改變其向卷?yè)P(yáng)機(jī)方向的轉(zhuǎn)速傳遞方向，以適應(yīng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的橫向擺放。

1 新型大口徑立軸式鉆機(jī)基本情況

1.1 傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 經(jīng)典立軸式鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 新型大口徑立軸式深孔鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

新型大口徑立軸式深孔鉆機(jī)見(jiàn)圖2。

圖2 新型大口徑立軸式深孔鉆機(jī)結(jié)構(gòu)圖

與經(jīng)典立軸式鉆機(jī)不同之處為：

(1)卷?yè)P(yáng)機(jī)橫向安裝在鉆機(jī)機(jī)架上，有利于排繩和提升大噸位重物；

(2)抱閘操作手柄則通過(guò)一組杠桿機(jī)構(gòu)，安置在操作者前下方，手柄加長(zhǎng)，方便操作；

(3)卷?yè)P(yáng)機(jī)側(cè)面外掛一個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)箱，連接分動(dòng)箱。

在鉆機(jī)的幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件中，動(dòng)力、離合器、汽車變速箱采用的是外購(gòu)部件。鉆機(jī)機(jī)架用于承擔(dān)部件質(zhì)量、定位等作用。下機(jī)架固定，上機(jī)架可以相對(duì)下機(jī)架進(jìn)行水平移動(dòng)。

在鉆機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)上，根據(jù)鉆機(jī)需要最大扭矩的設(shè)定為20 kN·m，動(dòng)力選取功率為110 kW的柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。卷?yè)P(yáng)機(jī)的最大提升力可以提升到110 kN。技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表1。

2 新型鉆機(jī)分動(dòng)箱工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在立軸式巖心鉆機(jī)中，分動(dòng)箱安裝于變速箱與回轉(zhuǎn)器及卷?yè)P(yáng)機(jī)之間，起到傳遞動(dòng)力的作用，是動(dòng)力傳遞的中間裝置。分動(dòng)箱由箱體部件和內(nèi)部傳動(dòng)軸、齒輪、撥叉等主要零部件組成。分動(dòng)箱體通過(guò)螺栓固定在鉆機(jī)機(jī)架上。操作者通過(guò)撥動(dòng)撥叉來(lái)操作內(nèi)部齒輪的離合。分動(dòng)箱只起到減速的作用，并不再發(fā)生變速分級(jí)。

表1 新型大口徑立軸式鉆機(jī)主要參數(shù)

2.1 傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)路線

傳統(tǒng)分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—輸入軸；2—中間軸；3—輸出軸；4—輸出軸大齒輪；5—嚙合套；6—輸出軸小弧齒；7—分動(dòng)箱撥叉；8—嚙合套；9—聯(lián)軸節(jié)；10—撥叉

圖3 傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)圖

分動(dòng)箱動(dòng)力傳遞有2條線路。

線路一：動(dòng)力由變速箱從輸入軸1輸入后，經(jīng)由一對(duì)直齒輪傳遞到中間軸2，然后又傳遞到輸出軸3上的直齒輪4。經(jīng)過(guò)嚙合套5再傳遞給輸出軸，然后經(jīng)輸出軸右端的小弧齒6傳遞到回轉(zhuǎn)器立軸上的大弧齒，帶動(dòng)立軸和鉆桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

在線路一中，分動(dòng)箱輸出軸3上安裝的嚙合套5起到分離動(dòng)力傳遞的作用?？捎诰o急情況下，通過(guò)分動(dòng)箱撥叉7控制嚙合套位置，切斷動(dòng)力。方便操作和處理事故。

線路二：直接經(jīng)輸出軸3經(jīng)嚙合套8再傳遞給左端的聯(lián)軸節(jié)9，輸出給卷?yè)P(yáng)機(jī)的主軸，使卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)作。通過(guò)撥叉10來(lái)控制嚙合套8的離合。

2.2 新型分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

新型大口徑立軸式鉆機(jī)中，動(dòng)力經(jīng)變速箱獲得的12正2反的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)分動(dòng)箱進(jìn)一步減速，采用大模數(shù)直齒輪傳動(dòng)，保證齒輪強(qiáng)度要求。分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)上做出了上下兩對(duì)弧齒來(lái)分別輸出不同方向動(dòng)力的設(shè)計(jì)。新型分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

1—輸入軸；2—中間軸；3—輸出軸；4—輸入軸大弧齒；5—小弧齒；6—換擋嚙合套；7—離合手柄；8—傳動(dòng)箱輸入軸；9—輸出軸小弧齒

圖4 新型鉆機(jī)分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)圖

新型鉆機(jī)分動(dòng)箱有2條傳動(dòng)線路。

線路一：動(dòng)力由變速箱從輸入軸1輸入后，經(jīng)由一對(duì)直齒輪傳遞到中間軸2，然后又傳遞到輸出軸3上的直齒輪。經(jīng)過(guò)嚙合套6再傳遞給輸出軸，然后經(jīng)輸出軸右端的小弧齒9傳遞到回轉(zhuǎn)器立軸上的大弧齒，帶動(dòng)立軸和鉆桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

在線路一中，分動(dòng)箱輸出軸3上安裝的嚙合套6起到分離動(dòng)力傳遞的作用，可于緊急情況下，通過(guò)分動(dòng)箱撥叉7控制嚙合套位置，切斷動(dòng)力。線路一與傳統(tǒng)分動(dòng)箱線路一是一致的。

線路二：因?yàn)榇藭r(shí)卷?yè)P(yáng)機(jī)已經(jīng)是橫向安裝在機(jī)架上，所以設(shè)計(jì)了一組弧齒輪來(lái)改變傳動(dòng)方向。動(dòng)力由變速箱從輸入軸1輸入后，直接經(jīng)輸入軸大弧齒4傳遞給小弧齒5，小弧齒5則固定在傳動(dòng)箱輸入軸上，傳動(dòng)箱內(nèi)一組直齒輪將動(dòng)力傳遞給卷?yè)P(yáng)機(jī)主軸。

2.3 新型分動(dòng)箱各軸及齒輪設(shè)計(jì)

和原有經(jīng)典式1500 m深的立軸式鉆機(jī)的分動(dòng)箱相比，新型結(jié)構(gòu)分動(dòng)箱在結(jié)構(gòu)和承載方面都有了較大的變化。因此需要對(duì)其主要傳動(dòng)零部件的尺寸重新設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3.1 傳動(dòng)軸的最小軸徑設(shè)計(jì)

計(jì)算公式為：

d3≥5T/[τ]

(1)

T=9550000P/n

(2)

式中：d——最小軸徑，mm；T——軸上承載最大轉(zhuǎn)矩，N·m；[τ]——軸的許用扭應(yīng)力，MPa；P——軸傳遞的額定功率，kW；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的傳動(dòng)效率，動(dòng)力傳遞到各軸的功率，計(jì)算各軸的承載最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)選用軸的材料為40Cr，查出軸的許用扭應(yīng)力,即可計(jì)算出各軸的最小軸徑。經(jīng)計(jì)算Ⅰ軸軸徑≥98 mm，Ⅲ軸軸徑≥114 mmm，Ⅱ軸為中間軸不承載扭矩只傳遞轉(zhuǎn)速所以可以不用計(jì)算。

2.3.2 傳動(dòng)齒輪中心距及參數(shù)

按接觸強(qiáng)度初步確定中心距，并初選主要參數(shù)。

計(jì)算公式為：

(3)

式中：a——兩齒輪初算中心距，mm；u——齒數(shù)比/傳動(dòng)比；K——載荷系數(shù)(1.2～2.0)，直齒輪取較大值；T1——小齒輪傳遞的扭矩，N·m；φa——齒寬系數(shù)；σHP——許用接觸應(yīng)力，查手冊(cè)計(jì)算為1363 MPa。

根據(jù)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比及初定齒數(shù)，齒輪材料，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得各參數(shù)，代入計(jì)算得出初定中心距然后取標(biāo)準(zhǔn)值。Ⅰ、Ⅱ軸中心距為296 mm，Ⅱ、Ⅲ軸中心距為384 mm。

根據(jù)中心距及齒數(shù)確定直齒輪模數(shù)m=8。

2.3.3 齒輪強(qiáng)度校核

分別校核直齒輪齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度，以Ⅱ、Ⅲ軸一組嚙合齒輪為例。齒輪參數(shù)見(jiàn)表2。

(1)齒面接觸強(qiáng)度校核：

首先計(jì)算接觸應(yīng)力。計(jì)算公式為：

(4)

表2 齒輪參數(shù)

式中：σH——計(jì)算應(yīng)力，MPa；ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；ZE——材料彈性系數(shù)，(N/mm2)1/2；Zεβ——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)；Ft——分度圓上的圓周力，N；b——齒寬，mm；d1——小齒輪分度圓直徑，mm；u——齒數(shù)比/傳動(dòng)比；KA——使用系數(shù)；KV——?jiǎng)虞d系數(shù)；KHβ——齒向載荷分布系數(shù)；KHa——齒間載荷分配系數(shù)。

根據(jù)齒輪參數(shù)查設(shè)計(jì)手冊(cè)得各參數(shù)值代入，計(jì)算出σH=1187 MPa。

許用接觸應(yīng)力σHP，見(jiàn)公式(3)為1363 MPa。

σH<σHP，為安全。

分別計(jì)算兩個(gè)齒輪的安全系數(shù)，計(jì)算公式為：

(5)

式中：SH——計(jì)算安全系數(shù)；σHlim——齒面接觸疲勞極限，MPa；ZN——壽命系數(shù)；ZLVR——潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)；ZW——工作硬化系數(shù)；ZX——接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；σH——計(jì)算應(yīng)力，見(jiàn)公式(4)。

根據(jù)2個(gè)齒輪的參數(shù)分別查手冊(cè)得各參數(shù)代入，計(jì)算出結(jié)果：SH1=1.36，SH2=1.39。

接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)SHmin，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取值1.1。

SH>SHmin，為安全。

(2)齒根彎曲強(qiáng)度校核：

計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中：σF——計(jì)算彎曲應(yīng)力，MPa；Ft——分度圓上的圓周力，N；KA——使用系數(shù)；KV——?jiǎng)虞d系數(shù)；KFβ——彎曲強(qiáng)度計(jì)算的載荷分布系數(shù)；KFa——彎曲強(qiáng)度計(jì)算的載荷分配系數(shù)；YFS——復(fù)合齒形系數(shù)；Yεβ——彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)；SF——計(jì)算安全系數(shù)；σFE——名義彎曲疲勞極限，MPa；YN——壽命系數(shù)；YδrelT——相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)；YRrelT——相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)；YX——彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)。

根據(jù)2個(gè)齒輪的參數(shù)分別查手冊(cè)得各參數(shù)代入，計(jì)算出結(jié)果：SF1=1.68，SF2=1.69。

彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)SFmin，按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取值1.4。

SF>SFmin，為安全。

3 卷?yè)P(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)概述及工作原理

卷?yè)P(yáng)機(jī)用來(lái)提升和下降鉆具和裝備，處理孔內(nèi)事故，卷筒需要一定的線速度，依照鉆具的質(zhì)量，確定鋼絲繩所需的單繩提升力，最主要的是提高卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升能力，以適應(yīng)大口徑施工要求。

設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)為卷?yè)P(yáng)機(jī)橫向安裝在機(jī)架上面，新增一個(gè)單獨(dú)外掛的傳動(dòng)箱與分動(dòng)箱下端的輸出軸相連。

卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)有水剎車，水剎車通過(guò)對(duì)齒輪與卷?yè)P(yáng)機(jī)相連接，輔助抱閘對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。

卷?yè)P(yáng)機(jī)外形見(jiàn)圖5。

圖5 卷?yè)P(yáng)機(jī)外形圖

3.2 卷?yè)P(yáng)機(jī)上抱閘操作手柄設(shè)計(jì)

卷?yè)P(yáng)機(jī)抱閘采用閘帶與閘帶皮對(duì)卷筒實(shí)施抱剎車，由偏心輪機(jī)構(gòu)施加力量。由于卷?yè)P(yáng)機(jī)橫放在機(jī)架上，傳統(tǒng)的操作位置已經(jīng)不適合工人操作，所以把抱閘的操作手柄下置，并利用一個(gè)連桿裝置，將方向轉(zhuǎn)化90°。使操作手柄的位置剛好置于工人操作便利的區(qū)域，方便工人操作。參見(jiàn)圖6及圖2。

3.3 卷?yè)P(yáng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩直徑及卷筒直徑設(shè)計(jì)

計(jì)算公式為：

S≥KPJ

(8)

d=CS1/2

(9)

圖6 卷?yè)P(yáng)機(jī)抱閘裝置圖

(10)

式中：S——鋼絲繩的破斷力，kg；K——安全系數(shù),取值4；PJ——卷?yè)P(yáng)機(jī)需要的最大起重力(即卷?yè)P(yáng)單繩最大提升力，110kN)，N；d——鋼絲繩直徑，mm；C——鋼絲繩參數(shù)，0.085； D——卷筒直徑，mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)條件及文獻(xiàn)[1]選定參數(shù)，可計(jì)算出鋼絲繩直徑為25mm(取整)，卷筒直徑范圍為313～485mm。

3.3.2 卷?yè)P(yáng)繩速設(shè)計(jì)

這里提到的卷?yè)P(yáng)繩速實(shí)為卷筒第二層鋼絲繩上的線速度。計(jì)算公式為：

(11)

式中：v——卷?yè)P(yáng)繩速，m/s；n——卷?yè)P(yáng)軸轉(zhuǎn)速，r/min；D——鋼絲繩處卷筒直徑，mm。

設(shè)計(jì)卷?yè)P(yáng)機(jī)軸齒輪齒數(shù)得合適的傳動(dòng)比，獲得0.67～6.37 m/s的卷?yè)P(yáng)繩速，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

HMY-1500型新型大口徑鉆機(jī)于2016年4月24日開(kāi)始，在廣東省云浮市新興縣進(jìn)行實(shí)地打鉆。開(kāi)孔直徑250 mm，終孔直徑95 mm。在塔高23 m的情況下，卷?yè)P(yáng)機(jī)采取橫向放置，更加方便地進(jìn)行卷?yè)P(yáng)機(jī)的排繩，而且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩操作，大大增加了操作效率，并且避免了排繩故障。抱閘手柄的連桿機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單省力，方便，大大降低了打鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度。鉆機(jī)的個(gè)性參數(shù)均能滿足鉆進(jìn)要求，在鉆機(jī)施工過(guò)程中未出現(xiàn)故障，試鉆取得成功。

5 結(jié)語(yǔ)

新型大口徑立軸式深孔鉆機(jī)，在分動(dòng)箱到卷?yè)P(yáng)機(jī)這條動(dòng)力傳遞線路上，進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。將卷?yè)P(yáng)機(jī)的擺放設(shè)計(jì)為橫向安裝，有利于排繩和提升大噸位重物；分動(dòng)箱到卷?yè)P(yáng)機(jī)中間采用外掛傳動(dòng)箱聯(lián)接，在分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)上做出了上下兩對(duì)弧齒，分別輸出動(dòng)力。此鉆機(jī)將傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，鉆機(jī)可靠，性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到深孔大口徑鉆機(jī)上來(lái)，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，扭矩、提拔給進(jìn)、卷?yè)P(yáng)都符合使用要求，樣機(jī)試驗(yàn)取得了成功。目前正積極進(jìn)行市場(chǎng)推廣。

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Study on Transfer Case and Hoisting for New Large-diameter Spindle Type Rig/

PENGYing,YINXin,TANXin,WEIZhi-li,BIJin

In order to improve the huge volume and avoid expensive cost of the existing large diameter deep hole drilling machine, a new type of large-diameter spindle rig is practically developed, which has compact structure with advantages of effective drilling, flexible operation and moderate price and is more adaptable to Chinese market. This paper focuses on the unique design of transfer case and hoisting device; on the basis of spindle type rig, the innovation was carried out on the design of transmission route and structure components to give the rig ability to adapt to low speed and heavy loading in large diameter deep hole drilling.

large-diameter; spindle type; drilling rig; transfer case; hoisting

2016-04-06；

2016-10-31

彭瑩，女，漢族，1976年生，工程師，機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，從事鉆探設(shè)備研究與設(shè)計(jì)工作，湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)曙光中路232號(hào)，26212581@qq.com。

P634.3+1

B

1672-7428(2017)01-0065-05

(Hunan Flydisc New Material Co., Ltd., Changsha Hunan 410007, China)