車載鉆機(jī)加載試驗(yàn)方法研究

鄭文，韓松峰

（江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221000）

車載鉆機(jī)可用于煤層氣、水文水井、淺層頁巖氣、地?zé)岬荣Y源勘探開采工程，也可用于煤礦瓦斯抽采、搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域。以下介紹車載鉆機(jī)施加扭矩和提升力加載試驗(yàn)的方法，通過試驗(yàn)可定量地驗(yàn)證鉆機(jī)的作業(yè)性能并發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造等方面可能存在的問題，便于設(shè)計(jì)人員改進(jìn)提升。

1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究的車載鉆機(jī)主要由下車的底盤和上車的伸縮式鉆塔、頂驅(qū)動(dòng)力頭、工作臺(tái)以及換桿機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)部件組成，如圖1所示。

圖1 車載鉆機(jī)布置圖

序號(hào)1是基于鉆機(jī)工作需求全新研發(fā)的全地面五橋底盤，采用油氣懸架技術(shù)，通過性好，路面適應(yīng)性強(qiáng)；具備多種智能轉(zhuǎn)向模式，整車最小轉(zhuǎn)彎直徑26m，有效提高了鉆機(jī)在小場地行駛的機(jī)動(dòng)靈活性。

鉆機(jī)上車由序號(hào)2至序號(hào)8組成。其工作原理是舉塔油缸鉸接于底盤和外層鉆塔支撐座上，通過舉塔油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)鉆塔的起升和降落。鉆塔進(jìn)給油缸鉸接于外層鉆塔和內(nèi)層鉆塔頂端滑輪支撐座上。通過進(jìn)給油缸的伸縮，動(dòng)力頭沿內(nèi)層鉆塔上的導(dǎo)軌滑行，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭對鉆桿的提升和加壓。動(dòng)力頭通過鋼絲繩繞過頂部滑輪組固定于外層鉆塔上，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給油缸行程與動(dòng)力頭行程1:2的關(guān)系，有效地提高了鉆桿的可用長度。利用安裝于外層鉆塔上的換桿機(jī)構(gòu)，配合工具卷揚(yáng)能快速地實(shí)現(xiàn)鉆桿的更換過程，提高鉆機(jī)的工作效率。

2 加載試驗(yàn)臺(tái)搭建

2.1 試驗(yàn)場地

鉆機(jī)試驗(yàn)的場地地面應(yīng)堅(jiān)實(shí)、平整，并遠(yuǎn)離高壓線，其最小面積應(yīng)大于試驗(yàn)樣機(jī)起落及支腿展開所需場地。本試驗(yàn)區(qū)域長25m、寬16m、高20m，由于該車載鉆機(jī)工作狀態(tài)長約14m、寬約3m、高約4m，完全滿足空間要求?；炷恋孛娉休d力為100t/m2，滿足鉆機(jī)整體重量51t及最大提升力800kN的受力需求。

2.2 試驗(yàn)工裝

選用2118×2118×352mm小鑄鋼平臺(tái)作為試驗(yàn)用受力平臺(tái)（圖2）。將其內(nèi)四角通過地錨固定在混凝土地面上并水平放置，將通孔為Φ175mm固定孔朝向試驗(yàn)鉆機(jī)停放位置擺放?；剞D(zhuǎn)支撐內(nèi)圈固定，外圈可隨負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，上下固定板分別通過螺栓固定于回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)、外圈。鉆桿夾持板通過螺栓與下固定板連接，可隨回轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)。工裝用10個(gè)M30×90的螺栓通過梯形固定塊固定在鑄鋼平臺(tái)上，與平臺(tái)整體傳遞鉆機(jī)提升力與下壓力。

圖2 試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)方法及過程

3.1 試驗(yàn)臺(tái)布置

圖3 整機(jī)試驗(yàn)布置圖

圖3所示為鉆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)布置圖。將所有工裝試驗(yàn)設(shè)備布置完備后，對鉆機(jī)各主要受力點(diǎn)布置應(yīng)變片，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測其受力及形變情況，以防止結(jié)構(gòu)件屈服產(chǎn)生意外。試驗(yàn)后整理各主要受力點(diǎn)應(yīng)力情況，將理論分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，從而指導(dǎo)和驗(yàn)證鉆機(jī)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)前動(dòng)力頭輸出端連接一根鉆桿，操作控制手柄使動(dòng)力頭下降，至鉆桿矩形卡口與試驗(yàn)工裝鉆桿夾持板平齊，調(diào)節(jié)夾持板使其抱緊鉆桿并擰緊螺栓，防止鉆桿上下運(yùn)動(dòng)（見圖3）。檢查試驗(yàn)用液壓系統(tǒng)使其正常工作。

3.2 扭矩試驗(yàn)原理

采用反拖原理進(jìn)行動(dòng)力頭扭矩加載試驗(yàn)，即以試驗(yàn)液壓泵站為動(dòng)力源提供液壓油，使試驗(yàn)工裝回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)方向與以動(dòng)力頭為動(dòng)力源的鉆桿的旋轉(zhuǎn)方向相反。通過事先調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)溢流閥的壓力設(shè)定負(fù)載大小，模擬負(fù)載扭矩。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，負(fù)載扭矩的計(jì)算公式如下：

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)清單及布置如表1所示。

表1 扭矩試驗(yàn)用液壓元件清單

3.3 提升力試驗(yàn)原理

動(dòng)力頭不轉(zhuǎn)的前提下，通過操作慢速進(jìn)給手柄，進(jìn)行提升操作，逐級(jí)增大提升力，測定有桿腔的壓力，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，提升力的計(jì)算公式如下：

3.4 加載試驗(yàn)過程

（1）空載磨合試驗(yàn)。調(diào)節(jié)試驗(yàn)用液壓系統(tǒng)溢流閥壓力(即反拖扭矩)為0，提升力為0，操作控制手柄，逐步加大動(dòng)力頭轉(zhuǎn)數(shù)，在轉(zhuǎn)速為10、30、60、90、120r/min情況下分別運(yùn)轉(zhuǎn)5min，觀察工裝的運(yùn)行情況。

（2）扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)。鉆機(jī)提升力為0，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)溢流閥的壓力至指定扭矩值，同步調(diào)節(jié)鉆機(jī)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速和扭矩旋鈕（表2），以驗(yàn)證鉆機(jī)所能承受的最大扭矩。

表2 扭矩驗(yàn)證試驗(yàn)

（3）提升力驗(yàn)證試驗(yàn)。關(guān)閉試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力，根據(jù)3.3的試驗(yàn)方法按表3進(jìn)行操作。

表3 提升力驗(yàn)證試驗(yàn)

（4）綜合性能驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證鉆機(jī)在提升力與扭矩同時(shí)存在工況下的整機(jī)性能。按表4調(diào)節(jié)鉆機(jī)及試驗(yàn)工裝。

表4 綜合性能試驗(yàn)

4 結(jié)語

車載鉆機(jī)型式試驗(yàn)是鉆機(jī)批量化生產(chǎn)并走向市場的必備條件。作為型式試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，本文介紹的加載試驗(yàn)研究方法，為鉆機(jī)的型式試驗(yàn)提供了依據(jù)，同時(shí)通過試驗(yàn)測試可以查找產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足。