一種簡(jiǎn)易鉆桿更換裝置的研制與應(yīng)用

王志偉，陳基成，劉欣榮，武生財(cái)，劉瑞軍

（張家口阿斯嘉特機(jī)械制造有限公司，河北 張家口075100）

0 引 言

鉆機(jī)是一個(gè)外延非常廣泛的名詞，一切在巖土上鉆孔、鉆進(jìn)的機(jī)械都可以稱(chēng)為鉆機(jī)[1]。國(guó)內(nèi)潛孔鉆機(jī)最早由河北宣化地區(qū)生產(chǎn)于20世紀(jì)50年代，廣泛用于大、中、小型礦山、水電、交通等土石方開(kāi)挖爆破工程，也可用于港口、航道等水下巖石穿孔爆破，與常見(jiàn)的鑿巖機(jī)相比,具有鉆孔深、鉆孔直徑大、鉆孔效率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn),是當(dāng)前通用的大型鑿巖鉆孔設(shè)備[2]。隨著潛孔鉆機(jī)的廣泛應(yīng)用,人們?cè)絹?lái)越關(guān)心鉆機(jī)的工作效率、功耗及安全性問(wèn)題,對(duì)于潛孔鉆機(jī)一般情況下需要2個(gè)工人共同合作才能完成換桿,這就需要很大的勞動(dòng)強(qiáng)度，這些都在很大程度上延長(zhǎng)了鉆孔作業(yè)時(shí)間,降低了施工效率[3]。因此國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)普遍采用一種自動(dòng)換桿機(jī)構(gòu)，能夠精確地將鉆桿按照給定軌跡運(yùn)送，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)換桿[4]。目前國(guó)內(nèi)更換鉆桿的方式大體上分兩種：一是人工換桿；二是機(jī)械化自動(dòng)換桿。本文通過(guò)對(duì)兩者的比較，分析兩者各自的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種簡(jiǎn)易鉆桿更換裝置。

1 問(wèn)題的提出

目前潛孔鉆機(jī)接換鉆桿的方式有兩種，其一是由施工工人憑個(gè)人體力完成鉆機(jī)鉆桿的接換，這種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且十分危險(xiǎn)，還不利于施工工人的身體健康。圖1為無(wú)鉆桿更換裝置的施工現(xiàn)場(chǎng)，圖中左側(cè)工人正在等待接換鉆桿，周?chē)鷽](méi)有任何防護(hù)措施，鉆桿倒放在工人身后的山地上。

人工接換鉆桿的工作最少需要兩名工人互相協(xié)作來(lái)完成，其工作過(guò)程是：當(dāng)鉆機(jī)操作者使缷桿器移動(dòng)到與托釬器相碰時(shí)，將第一根鉆桿（動(dòng)力頭預(yù)裝鉆桿）打入底下僅露出鉆桿接頭，即鉆完一根鉆桿，而后停止回轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止給沖擊器送氣、送水，負(fù)責(zé)接換桿的工人用一種“J”形扳手卡在鉆桿接頭的卡槽內(nèi)，鉆機(jī)操作者控制動(dòng)力頭反向轉(zhuǎn)動(dòng)滑板后退，“J”形扳手隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并磕碰在滑架滑道之上，鉆桿由于“J”形扳手的卡停作用與轉(zhuǎn)動(dòng)中的動(dòng)力頭主軸旋開(kāi)并分離，鉆機(jī)操作者再通過(guò)液壓操作閥控制推進(jìn)提升器將動(dòng)力頭提升至滑架頂端，負(fù)責(zé)接換桿的工人從鉆桿庫(kù)中扛出第二根鉆桿送到鉆孔位置與第一根鉆桿對(duì)接，當(dāng)兩根鉆桿的接頭對(duì)接之后，工人用眼睛瞄準(zhǔn)用手扶的方式將鉆桿另一端的接頭與動(dòng)力頭主軸的接口對(duì)正，鉆機(jī)操作者再控制推進(jìn)提升器將動(dòng)力頭下降至第二根鉆桿的接頭處與之對(duì)接，同時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭讓主軸、第二根鉆桿、第一根鉆桿三者相互旋緊，之后鉆桿接換的過(guò)程以此類(lèi)推，拆卸鉆桿的過(guò)程則與上述相反。

圖1 沒(méi)有鉆桿更換裝置的施工現(xiàn)場(chǎng)

常用的鉆桿一般是直徑76 mm長(zhǎng)度3 m的鉆桿，每根鉆桿的重量大約為45 kg，完成一個(gè)鉆孔作業(yè)需要接換至少6根鉆桿，加上拆卸鉆桿的過(guò)程，負(fù)責(zé)接換桿的工人完成一個(gè)孔洞作業(yè)需要扛起10次鉆桿，非常耗費(fèi)工人的體力，而且接卸鉆桿的過(guò)程靠工人的手動(dòng)來(lái)完成，所以十分危險(xiǎn)。

其二是通過(guò)自動(dòng)換桿裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆桿的接換工作，這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，維修困難，而且由于其液壓系統(tǒng)很大程度上采用自動(dòng)控制，用到了大量的電磁閥組，使得鉆機(jī)的成本比一般傳統(tǒng)潛孔鉆機(jī)要高很多，對(duì)中小型礦山企業(yè)來(lái)說(shuō)比較昂貴。

機(jī)械自動(dòng)接換鉆桿的工作只需要一名工人來(lái)完成，其工作過(guò)程是：當(dāng)鉆機(jī)操作者使缷桿器移動(dòng)到與托釬器相碰時(shí)，將第一根鉆桿（動(dòng)力頭預(yù)裝鉆桿）打入底下僅露出鉆桿接頭，即鉆完一根鉆桿，而后停止動(dòng)力頭運(yùn)轉(zhuǎn)和停止給沖擊器送氣、送水，用卸桿器夾緊鉆桿，控制動(dòng)力頭反向轉(zhuǎn)動(dòng)滑板后退，鉆桿由于卸桿器的卡停作用與轉(zhuǎn)動(dòng)中的動(dòng)力頭主軸旋開(kāi)并分離，鉆機(jī)操作者再通過(guò)液壓操作閥控制推進(jìn)提升器將動(dòng)力頭提升至滑架頂端，控制桿倉(cāng)旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)將第二根鉆桿轉(zhuǎn)到桿倉(cāng)出口位置，用鉆桿抓取裝置抓取第二根鉆桿并送到鉆孔位置，將鉆桿一端的接頭與動(dòng)力頭主軸的接口對(duì)正，再控制推進(jìn)提升器將動(dòng)力頭下降至第二根鉆桿的接頭處與之對(duì)接，同時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭讓主軸第二根鉆桿旋緊，此時(shí)再控制鉆桿抓取裝置微微松開(kāi)，讓其只起到定位作用，鉆機(jī)操作者再控制推進(jìn)提升器將動(dòng)力頭下降至第二根鉆桿的接頭處與之對(duì)接，同時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭讓第二根鉆桿、第一根鉆桿兩者相互對(duì)接旋緊，動(dòng)力頭暫停下降與旋轉(zhuǎn)，鉆桿抓取裝置完全松開(kāi)鉆桿并回到預(yù)工作位置，最后鉆機(jī)操作者開(kāi)啟動(dòng)力頭運(yùn)轉(zhuǎn)和給沖擊器送氣、送水，繼續(xù)鉆孔工作，此后鉆桿接換的過(guò)程以此類(lèi)推。

拆卸鉆桿的過(guò)程與上述相反，但是難點(diǎn)在于當(dāng)動(dòng)力頭將鉆桿提出爆破孔的時(shí)候，由于鉆桿必須與桿倉(cāng)對(duì)正，鉆桿抓取裝置才能把鉆桿送回桿倉(cāng)，所以在回收鉆桿之前，操作者需要開(kāi)啟滑架上的行程開(kāi)關(guān)，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)來(lái)準(zhǔn)確定位動(dòng)力頭提起的高度，才能實(shí)現(xiàn)鉆桿精準(zhǔn)入庫(kù)，所以為實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中還配備了了電磁換向閥、負(fù)載敏感閥、電控按鈕、電磁感應(yīng)式行程開(kāi)關(guān)等一大批電控液壓原件。

雖然自動(dòng)換桿裝置在鉆機(jī)的工作效率、工人的作業(yè)強(qiáng)度、鉆進(jìn)作業(yè)的安全性幾個(gè)方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，但是該裝置需要依靠液壓電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，對(duì)結(jié)構(gòu)件的制作和裝配有很高的精度要求，故生產(chǎn)成本也非常高。不但如此，由于桿倉(cāng)裝配在滑架一側(cè)，受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)構(gòu)動(dòng)作幅度的制約，桿倉(cāng)內(nèi)內(nèi)只能存放6根鉆桿，無(wú)法用在孔深要求超過(guò)20 m的工程中，這無(wú)疑限制了其使用范圍，縮小了市場(chǎng)。自動(dòng)換桿裝置如圖2、圖3所示。

圖2 自動(dòng)換桿裝置實(shí)物圖

2 設(shè)計(jì)方案的確定

為解決上述問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)研制一種即經(jīng)濟(jì)實(shí)用又輕巧省力的鉆桿更換裝置，此裝置既要讓工人省力又不能動(dòng)用太多的電控液壓元件，最主要的是還需可靠耐用，所以其必須是一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)研究討論，可以利用將桿倉(cāng)和鉆桿以整體的形式轉(zhuǎn)移到預(yù)定位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)桿倉(cāng)將鉆桿轉(zhuǎn)到鉆孔位置的方式替代鉆桿抓取裝置，這樣就可以省去了鉆桿抓取裝置、桿倉(cāng)旋轉(zhuǎn)器部分及機(jī)械換桿的控制系統(tǒng)，使鉆桿更換裝置的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，成本明顯降低，同時(shí)也可以省去工人扛鉆桿的工序。

3 具體結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)易鉆桿更換裝置如圖4所示。

圖3 自動(dòng)換桿裝置原理

圖4 簡(jiǎn)易鉆桿更換裝置

4 實(shí)施方式

4.1 組裝

76規(guī)格3 m鉆桿17裝載于桿倉(cāng)16內(nèi)。桿倉(cāng)16與座19之間加裝上下2件搖臂2，形成擺動(dòng)體。而后將座用螺栓與板20連接。板20焊接于滑架23左側(cè)自底邊往上35 mm及滑架槽鋼前端向后30 mm處。桿倉(cāng)16的頂端與上軸1之間用銷(xiāo)軸7連接。上軸1再與的搖臂2用橡膠防塵密封圈4、圓錐滾子軸承5、套6連接。搖臂2與第二個(gè)上軸1焊接。與搖臂2焊接的上軸1用橡膠防塵密封圈4、圓錐滾子軸承5、套6、擋圈21與位于上端的座19連接。桿倉(cāng)16的底端與位于下端的搖臂2用橡膠防塵密封圈4、圓錐滾子軸承5、套6組裝。位于下端的搖臂2與下軸9焊接。與搖臂2焊接的下軸9用橡膠防塵密封圈4、圓錐滾子軸承5、套6與位于下端的座19連接。分別焊接于搖臂2上的上軸1與下軸9之間用銷(xiāo)軸7、桿8連接。位于上端的搖臂2與頂蓋3焊接。將卡塊18焊接到桿8適當(dāng)位置。將六角頭螺栓（M20×110）13、六角螺母-C級(jí)（M20）14裝配到上下兩個(gè)搖臂2上，手動(dòng)換桿裝置即組裝完成。

4.2 使用

啟用裝置時(shí)，提前將6根鉆桿裝入桿倉(cāng)對(duì)應(yīng)位置，拆除固定螺栓，用扳子22卡住焊在桿8上的卡塊18，搬動(dòng)扳子即可將桿倉(cāng)16轉(zhuǎn)至使用位置，轉(zhuǎn)動(dòng)桿倉(cāng)將鉆桿轉(zhuǎn)到桿倉(cāng)出口位置，這個(gè)過(guò)程替代了工人從桿庫(kù)中扛鉆桿的過(guò)程及鉆桿抓取裝置抓取鉆桿的過(guò)程。接著動(dòng)力頭下移對(duì)接鉆桿，而后動(dòng)力頭上提將鉆桿從桿倉(cāng)中的鉆桿卡槽中提出，再搬動(dòng)扳子把桿倉(cāng)16轉(zhuǎn)至原來(lái)的位置，動(dòng)力頭下移讓鉆桿與下方的鉆桿對(duì)接，完成接桿動(dòng)作，拆卸回收鉆桿的過(guò)程與之相反，其中由于桿倉(cāng)可整體移動(dòng)至鉆孔位置，所以只需將動(dòng)力頭提至最高處，待工人把桿倉(cāng)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)時(shí)，再控制動(dòng)力頭下降，把鉆桿插入桿倉(cāng)卡槽即可，無(wú)需行程開(kāi)關(guān)的輔助。停用該裝置時(shí)，鉆桿依此收回桿倉(cāng)，用六角頭螺栓（M30×110）12把位于下端的搖臂2和位于下端的座19連接，用六角頭螺栓（M16×70）15把桿倉(cāng)16與下端的搖臂2連接，完成桿倉(cāng)的固定。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)施以上技術(shù)方案，具有以下技術(shù)效果：該簡(jiǎn)易鉆桿更換裝置是在滑架（推進(jìn)梁）側(cè)面加裝依靠人工活動(dòng)的鉆桿倉(cāng)，在保證鉆桿能安全正常接換情況下，減輕了施工者的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了鉆機(jī)因使用自動(dòng)換桿裝置而造成的高昂成本。試用后反饋得知，工作人員不用扛鉆桿便可以完成鉆桿更換的工作，減小了大部分工作強(qiáng)度，使用起來(lái)簡(jiǎn)單易上手，但同時(shí)也提出了需要進(jìn)一步完善的地方，比如鉆桿定位的精度有待于提高等。該易鉆桿更換裝置意在為廣大礦山機(jī)械從業(yè)者提供一種新思路，為拓寬市場(chǎng)探求新的方向。