一種鋼球夾緊液壓起拔器的研制

劉廣治，郭強

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

近些年來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展帶來的環(huán)境惡化問題突出。土壤和地下水環(huán)境的惡化對我國人民身體健康有著直接影響，我國對土壤以及地下水的污染治理也越來越重視。治理污染土壤以及被污染的地下水，首先要勘查污染區(qū)域，界定污染范圍，探明污染物所在地層的地質(zhì)條件，了解污染物在土壤中存在狀態(tài)。根據(jù)調(diào)查結果制定治理方案，利用物理化學和生物的方法進行污染土壤的修復。在土壤修復過程中以及修復工程結束后對土壤中的污染物進行跟蹤監(jiān)測，了解污染治理工程的進度，檢驗治理的效果。因此，整個土壤污染治理的工藝流程都需要對污染土壤進行取樣調(diào)查。

北京探礦工程研究所研發(fā)了一套應用于土壤取樣的TGQ-30C淺層輕便取樣鉆機(圖1)。TGQ-30C土壤取樣鉆機模塊化設計，拆裝方便、操作簡單，可滿足30 m以內(nèi)的土壤取樣要求。然而在施工過程中發(fā)現(xiàn)，在一些縮孔嚴重，深度超過10 m，大口徑的孔中需要非常大的起拔力才能夠將鉆具提出。如果使用絞車起拔，拉力10 kN的液壓絞車質(zhì)量達到50 kg左右，拉力30 kN以上的液壓絞車質(zhì)量超過120 kg，并且使用拉力大的絞車會使得支撐結構復雜，鉆機本身的重量也會加大，這會極大地影響鉆機的輕便性，移動過程中增加操作者的勞動強度。因此需要研制一款獨立的起拔裝置代替液壓絞車起拔鉆桿。

圖1 TGQ-30C土壤取樣鉆機

1 鋼球夾緊液壓起拔器主要構成和原理

1.1 鋼球夾緊液壓起拔器主要構成

鋼球夾緊液壓起拔器主要包括：上鋼球夾緊裝置，起拔油缸和下鋼球夾緊裝置等組成，如圖2所示。

圖2 鋼球夾緊液壓起拔器外形及組成

上鋼球夾緊裝置固定在起拔油缸的活塞桿上端，起拔油缸底部法蘭和下鋼球夾緊裝置均固定在底座上。

1.2 工作原理

鋼球夾緊液壓起拔器工作原理：鋼球夾緊液壓起拔器工作時，起拔油缸無桿腔供油，活塞桿帶動上鋼球夾緊裝置向上運動，鋼球則相對于上鋼球夾緊裝置沿著斜孔向下滾動，由于斜孔的作用，鋼球越向下滾動則由鋼球圍成的圓直徑越小，因此鋼球能夠夾住鉆桿，并且?guī)鱼@桿一起向上。此時固定在底座上的下鋼球夾緊裝置由于鉆桿向上運動，鋼球相對于鉆桿沿著斜孔滾道也向上滾動，由鋼球圍成的圓越來越大，因此鉆桿可自由的向上被拔出。當起拔油缸活塞桿伸出到極限位置時，切換液壓閥的位置使得起拔油缸有桿腔供油，活塞桿帶動上鋼球夾緊裝置向下運動，此時上鋼球夾緊裝置中的鋼球沿著滾道相對于鉆桿向上運動，由鋼球圍成圓逐漸變大，鉆桿從被夾緊狀態(tài)轉化為松開狀態(tài)。鉆桿由被上鋼球夾緊裝置鋼球夾緊狀態(tài)轉化為松開狀態(tài)后，鉆桿有下落的趨勢，此時下鋼球夾緊裝置中的鋼球相對于下落的鉆桿沿著滾道向下運動，從而夾緊下落的鉆桿，避免掉鉆。當起拔油缸的活塞桿帶動上鋼球夾緊裝置回到下極限位置時，通過液壓閥切換到起拔油缸無桿腔供油，然后重復上面動作，從而完成鉆桿的起拔。

2 鋼球夾緊液壓起拔器設計

2.1 上鋼球夾緊裝置結構設計

上鋼球夾緊裝置的結構形式如圖3所示。

圖3 上鋼球夾緊裝置結構形式

上鋼球夾緊裝置主要由蓋板、鋼球安裝座以及起拔油缸連接座等組成。鋼球安裝座中加工有分布均勻6條斜孔滾道，安裝6個相同的鋼球，鋼球安裝座通過六條內(nèi)六角螺釘固定在起拔油缸連接座上，跟隨起拔油缸連接座一起運動。蓋板用于堵住鋼球安裝座上的滾道，防止鋼球從上面掉出。鋼球夾緊鉆桿的夾緊力與鋼球安裝座中的鋼球滾道與中心線的夾角有很大的關系，一般情況下夾角不大于8°。鋼球安裝座中心孔的直徑根據(jù)適配的鉆桿外徑設計，一般預留2 mm的間隙量，該間隙可以用于鉆桿的導向和刮掉鉆桿拔出時粘連在鉆桿壁上的濕泥。鋼球夾緊裝置可適應一定直徑范圍的鉆桿，能夠拔起的最小鉆桿為鋼球滾道最低端的直徑。

2.2 下鋼球夾緊裝置結構設計

下鋼球夾緊裝置的結構形式如圖4所示。

圖4 下鋼球夾緊裝置結構形式

下鋼球夾緊裝置的結構形式與上鋼球夾緊裝置的結構形式大致相同，不同之處為下鋼球夾緊裝置采用尼龍材料，并且采用的是分體結構。設計成分體結構的目的是便于在正常鉆進時取出鋼球安裝座，保證正常鉆進。提鉆時將鋼球安裝座放置到固定座中，防止鉆桿下落。

2.3 其他結構的設計

起拔油缸底部為法蘭固定，為保證鋼球夾緊液壓起拔器的輕便性，起拔油缸的行程設計為所起拔鉆桿長度的25%。起拔器的起拔力主要取決于液壓系統(tǒng)的壓力和起拔油缸的有效作用面積，以TGQ土壤取樣鉆機為例，TGQ土壤取樣鉆機所配液壓系統(tǒng)的額定工作壓力為10 MPa，額定起拔力為40 kN的起拔器的起拔油缸活塞直徑為50 mm，活塞桿直徑為36 mm；額定起拔力為60 kN的起拔器的起拔油缸活塞直徑為63 mm，活塞桿直徑為45 mm。

3 鋼球夾緊液壓起拔器試驗

試驗場地選定為臨近河邊的場地，地層為回填土，地下超過5 m為濕泥，黏性比較大。選用的鉆具外徑為60 mm，鉆桿外徑51 mm，實驗深度為5 m時，通過液壓絞車起拔鉆桿順利提出。實驗深度超過8 m時，利用液壓絞車難以起拔，絞車的支撐架發(fā)生變形。液壓絞車額定拉力為10 kN，加裝一個動滑輪，使得實際拉力達到20 kN，質(zhì)量60 kg。實驗深度達到15 m時，使用鋼球夾緊起拔器起拔鉆桿，順利提出，起拔出來的鉆桿裹滿黏性濕泥。由于只帶了17根鉆桿，最終實驗深度為17 m。利用鋼球夾緊液壓起拔器起拔鉆桿時，一次可起拔多根鉆桿，且省掉桅桿結構，進一步減輕鉆機整體重量。

4 結語

鋼球夾緊液壓起拔器與傳統(tǒng)的液壓絞車相比，其優(yōu)勢在實際應用中非常明顯，主要體現(xiàn)在：

(1)有效地降低了鉆機的整體重量，優(yōu)化了鉆機整體結構，降低了操作者勞動強度。同樣是輸出40 kN 的起拔力，使用液壓絞車起拔時，僅液壓絞車的質(zhì)量就達到100 kg左右，如果再算上絞車的支撐架部分，質(zhì)量可達130 kg，超過鉆機整體重量的50%，給操作者移動鉆機帶來極大的勞動強度。而使用起拔力相當?shù)匿撉驃A緊液壓起拔器，整體質(zhì)量僅為30 kg，而且還可以省掉桅桿結構，進一步減輕鉆機整體重量。

(2)當遇到鉆桿被卡住時，使用液壓絞車起拔鉆桿會有斷繩的危險，由于鋼絲繩是一個彈性體，一旦出現(xiàn)斷繩，會對旁邊的操作者帶來極大的危險。使用鋼球夾緊液壓起拔器時，鋼球只是鉆進鉆桿，起拔力由液壓油缸提供，不存在危及操作者的危險。