帶有預緊功能的新型鉆桿夾持器的研究

楊紅東， 明 威， 張書磊， 趙憲富

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026； 2.吉林省地質勘探技術研究所，吉林 長春 130011)

帶有預緊功能的新型鉆桿夾持器的研究

楊紅東1， 明 威2， 張書磊1， 趙憲富2

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026； 2.吉林省地質勘探技術研究所，吉林 長春 130011)

在分析現有機械式鉆桿夾持器的問題基礎上，針對解決機械鉆桿夾持器的工作可靠性、操作性問題，選用鉸鏈式的增力夾持結構，設計了一種帶有預緊夾持功能的夾持器，增加了卡瓦的初始夾持力，改善了夾持器的工作性能。

機械鉆桿夾持器；預緊夾持；氮氣彈簧；初始夾持；鉸鏈

1 鉆桿夾持器的現狀

鉆桿夾持器是金剛石繩索取心鉆進升降鉆具必備的工具，在全液壓巖心鉆機上，液壓夾持器已經成為鉆機的重要組成部分，它具有結構緊湊、操作方便、工作可靠等一系列的特點，技術已趨于成熟。在傳統立軸巖心鉆機上，還廣泛地使用機械夾持器，雖然也有配套的液壓夾持器，但筆者認為，在立軸巖心鉆機上使用液壓夾持器，還存在著諸多操縱上的不便，立軸巖心鉆機的夾持器技術改造和升級還應該從機械夾持器的結構本身出發(fā)，設計出工作更為可靠、操作更為簡單、安全的機械夾持器。

目前，市場上主要有2種機械夾持器結構，一種是木馬夾持器、一種是自重式夾持器。這2種機械夾持器都具有自鎖夾緊和自動補償的功能，其夾持力隨著鉆桿重力的增加而增加，具有自適應的特點，有利于保護鉆桿。但機械夾持器存在著一些問題亟需解決，其中木馬夾持器在淺孔施工中升降鉆具時，時常出現跑鉆現象，工作可靠性差，為了解決木馬夾持器的跑鉆問題，近年來開發(fā)的自重式夾持器通過加重具有楔緊作用的卡瓦來提高夾持器的工作可靠性，取得了很好的使用效果，為市場所認可。雖然自重式夾持器取代了部分木馬夾持器，但仍存在著一些問題需要解決。

(1)夾持可靠性需要進一步的提升。自重夾持器同樣存在著夾持可靠性的問題，特別是鉆進斜孔時，由于兩塊卡瓦不能自動對中，當夾緊鉆桿時卡瓦易出現一高一低的現象，影響卡緊的可靠性。另外，自重夾持器的卡瓦由于結構的因素不能保證夾持器在初始夾緊鉆桿時，卡瓦夾緊面與鉆桿表面的完全貼合，也影響夾緊鉆桿的可靠性。

(2)夾持器的操縱性、安全性需要進一步的提升。自重夾持器的操作也沿用了木馬夾持器腳踏式操作方式，操作簡單，但存在著操作疲勞和操作安全的問題。使用這2種夾持器，在下放鉆桿時，需操作工人一直腳踏夾持器踏板，并置身于升降鉆桿的下方，存在著安全隱患。

(3)自重夾持器易損件較多，維護成本相對較高。加重的卡瓦是典型的易損件，卡瓦后側的滑道也是易損組件，采用了滾動的形式減少了卡瓦的滑動阻力，但由于線接觸的高副傳動結構使得接觸表面應力過大，必然導致相應的磨損。

2 提高夾持可靠性的思路

為了防止跑鉆的發(fā)生，當機械夾持器夾持鉆桿時，通常操作工人對夾持器卡瓦進行敲擊，這種敲擊相當于給鉆桿施加了一個預夾緊力，提高了夾持器的初始夾持力，能有效地克服振動等因素對夾持器自鎖性能的干擾。所以筆者認為，機械式夾持器在工作夾持過程中，如果在結構上能實現提高初始夾持力將會提高夾持器的工作可靠性。自重夾持器加重卡瓦的質量提高了其工作可靠性，其實質也就是提高了其初始夾持力。設計帶有預緊夾持功能的機械夾持器，利用其提高初始夾持力，將改善機械夾持器的工作性能，顯著地提高夾持器的工作可靠性。

3 設計目標及要求

設計帶有預緊夾持功能的機械夾持器，應該保持傳統機械夾持器的優(yōu)點，克服其存在的現有缺陷，所以對新設計的機械夾持器有如下的具體要求。

(1)具有自鎖、自動補償和自適應特性；

(2)工作可靠性高，通過施加一個預緊夾持力，提高機械夾持器的初始夾持力；

(3)操作性好，符合人機工程的要求，杜絕安全隱患；

(4)結構簡單緊湊，易損件少，經濟性好，夾持受力的傳動零件不存在線接觸的形式；

(5)兩卡瓦動作同步，自動對中，通過性好，夾持卡瓦的行程大。

4 結構方案選型的確定

偏心輪夾持增力機構就是木馬夾持器的原理，這種機構工作行程較短，工作鎖緊狀態(tài)易受振動影響，采用類似自重夾持器的楔塊夾緊裝置，楔塊不易借助機械方式實現同步。另外，這兩種夾持方案中，都存在著高副機構，夾持傳動零件存在線接觸的形式，無法滿足設計要求。

鉸鏈增力夾緊機構，其傳動副全部為面接觸的低副機構，其增力是利用桿的小角度傾角效應來實現的，壓力角α(圖1)越小增力比越大，夾持越可靠。具有結構簡單、增力比大、摩擦系數小、工作行程大的諸多優(yōu)點。因而我們選擇鉸鏈式增力夾緊機構，這種鉸鏈增力夾緊原理的鉆桿夾持器，實際上也是技術上成熟的擺動式夾持器，其結構如圖1所示。

5 新型鉆桿夾持器的工作原理

左右兩擺桿繞其支點擺動，帶動卡瓦夾持鉆桿，利用擺桿的角度效應實現增力夾持，左右搖桿和連桿組成了同步機構，能實現左右卡瓦的同步卡緊和松開，同時實現定心。

圖1 鉆桿夾持器結構原理示意圖

同步機構位于夾持器的一側，位于夾持器的另一側為預緊力施加機構和操作機構。

預緊力施加機構主要由氮氣彈簧、短桿、擺桿和卡瓦等組成；操作機構由氮氣彈簧、短桿和操作手柄組成。氮氣彈簧輸出的彈簧力通過短桿施加到擺桿的支點轉動軸上，形成轉動力矩，該轉動力矩再通過擺桿施加到卡瓦上，最終轉化為初始夾持力。

操作機構由于有氮氣彈簧的作用，操作手柄有兩個工作狀態(tài)。如圖2為夾緊鉆桿狀態(tài)，氮氣彈簧和短桿的連接鉸點位于擺桿兩支點連線的下端，由于有氮氣彈簧輸出的推力，保證了一種夾緊的穩(wěn)定狀態(tài)，這時操作手柄狀態(tài)如圖2所示。

圖2 預緊操縱機構示意圖(夾緊)

當需要松開鉆桿時，操作手柄順時針轉動(如圖3所示)，短桿帶動氮氣彈簧進入另一狀態(tài)，這時氮氣彈簧繞其左側鉸點轉動，當氮氣彈簧和短桿的連接鉸點位于擺桿兩支點連線的上端時，由于有氮氣彈簧輸出的推力作用，維持了另一種松開鉆桿的穩(wěn)定狀態(tài)。屬于開關式的操作手柄在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)下進行切換。

圖3 預緊操縱機構示意圖(松開)

6 新型鉆桿夾持器的設計

6.1 初始夾持力的計算

計算模型如圖4所示。

圖4 初始夾持力計算模型圖

以卡瓦為靜力分析對象。

為了簡化計算，忽略了零件之間的摩擦角與卡瓦等零件的質量。

在圖4中，F為橫軸對卡瓦的推力；T為施加到卡瓦的預緊力；N為初始夾持力。

預緊力產生的力矩：

M=TL=Ph

式中：P——氮氣彈簧的彈力；L——擺桿的長度；h——夾持器夾緊鉆桿時氮氣彈簧軸線與擺桿右支點的距離(如圖2所示)。

在x方向靜力平衡有：

Fcosα+Tsinα=N

在y方向靜力平衡有：

Fsinα=Tcosα

推導有：

當α=12°時，經計算得出T= N/5.02；當α=15°時，經計算得出T=N/3.81。

這說明卡瓦產生的初始夾持力N有3.81～5.02倍的增力效應設計時，設定P=50kg;h=30mm；L=80mm。則預緊力矩M=Ph=50×30×9.8×10-3=14.70N·m；施加到卡瓦的預緊力：T=M/L=14.70/(80×10-3)=183.75N。

我們看出在結構上僅僅采用了一個簡單的氮氣彈簧就實現了較大的一個預緊力施加在卡瓦上，相當于在原有卡瓦質量的基礎上又增加了一個T=183.75/9.8=18.75kg的質量。

最后得出初始夾持力N：

當α=12°時，N=183.75×5.02=922.42N；當α=15°時，N=183.75×3.81=528.64N。

6.2 操作手柄操作力的計算

從圖2和圖3可以看出，手柄有2個工作位置，在切換時需要克服氮氣彈簧產生的力矩，操作手柄時存在操作阻力，如果操作阻力過大將會影響夾持器的使用。所以設計適當的操作力是必要的。

操作力R隨著手柄的位置不同而不同，操作力最大時發(fā)生在操作手柄開始松開的瞬間，這時氮氣彈簧預緊力產生的矩M=14.70N·m。

同時：

M=Rn

式中：n——手柄的長度；R——操作力。

取n=500mm，則R=M/n=14.70/(500×10-3) =29.40N。

說明作用在手柄上的最大阻力為29.40N，滿足人機工程學的要求。

6.3 卡瓦的鉸接連接

從圖5中可看到卡瓦與擺桿鉸接連接，但實際使用時，通常要求卡瓦能方便的更換，以適應不同孔徑的鉆桿。為了解決這個問題，通常的辦法是將圖1中的卡瓦做成2部分，一部分就是與擺桿保持鉸接連接，用作卡瓦的基座，上面有與卡瓦連接的結構，另一部分就是卡瓦，使用時將卡瓦放置到卡瓦基座上，這種結構相對復雜。如圖5所示，我們采用了帶耳卡瓦的結構，既解決了與擺桿的鉸接，又解了卡瓦的更換，卡瓦與擺桿直接鉸接，簡化了結構。

圖5 耳卡瓦的結構

這種鉸接連接同時解決了一個安全問題，通常夾持器卡瓦夾持鉆桿時，特別是夾持力很大時，夾持器會蓄積一定的內能，快速松開卡瓦時，內能的突然釋放會將卡瓦快速彈出，所以通常的機械夾持器上方都設置有2個安全栓，以防卡瓦飛出傷人。采用圖5中的類似半圓結構的鉸接，對卡瓦的彈出有阻力的作用。鉸接的連接也保證了卡瓦夾緊面與鉆桿表面的完全貼合。

6.4 操作手柄的結構設計

操作手柄設計成插拔形式，只是在操作夾持器時才插上操作手柄，這種形式有利于現場的擰卸操作，讓出更多的空間，同時有利于安全生產，避免誤操作。在操作手柄時的操作阻力前半程存在，后半程該操作阻力變?yōu)椴僮魍屏Γ瓿蔂顟B(tài)切換，由于操作推力由氮氣彈簧完成，所以切換動作迅速、快捷，操作的松開和夾緊的到位體驗感明顯。

需要說明的是，由于該操作是兩種狀態(tài)的切換，并且能鎖定松開和夾緊的兩種狀態(tài)，這樣在松開夾持器下放鉆桿時，不用干預夾持器，有利于現場的安全生產，避免了傳統機械夾持器在升降鉆具時的安全作業(yè)隱患。

7 室內及野外試驗

新型夾持器樣機如圖6、圖7所示。圖6是不帶卡瓦的，圖7是夾持器夾持一鉆桿接頭的情況。在室內進行了多次加裝鉆桿接頭的松卡操作試驗，夾持器工作正常，卡瓦夾持快捷、有力，操作自如、省力，夾緊的鉆桿接頭在加載、振動、錘擊時均未出現任何松動現象，反向向上拉拔鉆桿接頭可將其從卡瓦中拔出。試驗證明該夾持器具有自鎖夾持的特性，夾持是可靠的。

圖6 新型夾持器樣機(無卡瓦)

圖7 新型夾持器樣機(夾持鉆桿接頭狀態(tài))

野外試驗是在一鉆進斜孔的機臺上進行的，共提下鉆桿柱5次(巖石破碎，巖心堵塞，鉆頭易損壞，需頻繁提大鉆)，夾持器共完成夾持、松開動作400余次，夾持器最大夾持負重1.8t(18kN)左右。夾持器表現出了良好的夾持可靠性和操作靈便性，沒有出現夾持失靈現象，得到了現場工人的認可。圖8為野外試驗現場。

圖8 新型夾持器野外試驗現場

8 結語

設計的新型鉆桿夾持器，利用氮氣彈簧施加給夾持器一預緊力，提高了夾持器卡瓦的初始夾持力，改善了夾持器的工作可靠性，同時改善了夾持器的操縱性和安全性。夾持器的卡瓦能方便的進行更換，具有同步對心的功能，松開卡瓦的行程大，鉆桿通過性能好，結構簡單、緊湊。室內和野外試驗證明了該新型鉆桿夾持器具有良好的可靠性、安全性和操縱性，值得推廣應用。

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Research on a Drill Pipe Holder with Preload Function

YANGHong-dong1,MINGWei2,ZHANGShu-lei1,ZHAOXian-fu2

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 2.Jilin Provincial Institute of Geo-exploration Techniques, Changchun Jilin 130011, China)

Based on the analysis on the problems of existing mechanical drill pipe holder, in view of the mechanical drill pipe holder’s working reliability and operability, the hinged force-increasing clamping structure is adopted to design a kind of holder with preloaded clamping function, which can increase the initial clamping force of gripper and improve the performance of drill pipe holder.

mechanical drill pipe holder; preload clamping; nitrogen gas spring; initial clamping force; hinge

2016-07-31；

2016-12-01

楊紅東，男，漢族，1964年生，副教授，勘探機械專業(yè)，碩士，從事教學與科研工作，吉林省長春市西民主大街938號，mlyhd@163.com。

P634.3

A

1672-7428(2017)07-0052-04