煤炭ＴＫ－３型液壓鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器技術(shù)改造研究

黃俊才

上世紀(jì)80年代中期，全國(guó)有數(shù)十家煤田地質(zhì)勘探隊(duì)裝備了原煤炭部石家莊機(jī)械廠參照日本同類產(chǎn)品研制的TK-3型液壓立軸巖芯鉆機(jī)，并以此機(jī)型作為主要的鉆探設(shè)備，運(yùn)用于煤炭地質(zhì)鉆探金剛石鉆進(jìn)、繩索取芯技術(shù)新工藝的試驗(yàn)。但在使用中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)型的液壓卡盤及操縱機(jī)構(gòu)，操作稍有不當(dāng)，極易產(chǎn)生液壓卡盤失靈、卡死主動(dòng)鉆桿的故障，且現(xiàn)場(chǎng)難以修復(fù)，必須更換設(shè)備才能恢復(fù)生產(chǎn)。即使是技術(shù)相當(dāng)熟練的操作人員也難以避免。由于事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了鉆探施工效率的提高和施工安全。因此，大多數(shù)煤田地質(zhì)勘探隊(duì)因該機(jī)型存在的上述問題而棄置不用，造成巨大的浪費(fèi)，甚至中止了金剛石鉆進(jìn)、繩索取芯技術(shù)新工藝的推廣應(yīng)用。如何解決這一技術(shù)難題，重新啟用TK-3型鉆機(jī)，我局組織技術(shù)攻關(guān)，提出了兩套改造方案。

一、故障分析

1、故障產(chǎn)生及狀況

TK-3型鉆機(jī)在進(jìn)行變速、取芯、倒桿、加接鉆桿等操作時(shí)都必須停車。此時(shí)，當(dāng)立軸轉(zhuǎn)動(dòng)未完全停穩(wěn)時(shí)，如操作液壓卡盤，瞬間即發(fā)生主動(dòng)鉆桿被液壓卡盤的卡瓦卡死的故障。要恢復(fù)回轉(zhuǎn)功能，只有松開回轉(zhuǎn)器頂部壓套，取下蝶形彈簧才能松開卡瓦。但此時(shí)因蝶形彈簧被壓縮，其壓力為374．78KN，該壓力通過卡瓦導(dǎo)向座的斜面而產(chǎn)生增力，作用在卡瓦的徑向卡緊力約500KN左右。如此巨大的壓力，在現(xiàn)場(chǎng)是無(wú)法處理的，只有拆下回轉(zhuǎn)器，連同6米多長(zhǎng)的主動(dòng)鉆桿，運(yùn)回隊(duì)部機(jī)修車間用專用機(jī)械才能修理。由此，既增加了修理難度、造成安全隱患、拖延工期還導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

2、故障原因分析

由回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)及工作原理可知，當(dāng)鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，液壓卡盤內(nèi)卡瓦與六方鉆桿側(cè)面保持一定間隙，此時(shí)若離合器帶車或其它原因使立軸轉(zhuǎn)動(dòng)，立軸帶動(dòng)卡盤體、卡瓦同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，即使只轉(zhuǎn)過很小的角度(小于30°)，卡瓦也會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)與六方鉆桿最大外徑接觸，鉆桿棱邊緊緊頂住并推動(dòng)卡瓦，卡瓦被迫偏離正常的工作位置位移，卡瓦的斜面再推動(dòng)導(dǎo)向座上升，使導(dǎo)向座超出正常高度而離開卡盤油缸的控制范圍，導(dǎo)致液壓卡盤失效。而導(dǎo)向座上升又迫使蝶形彈簧進(jìn)一步壓縮，在蝶形彈簧的巨大強(qiáng)力作用下，卡瓦咬死鉆桿，此時(shí)液壓卡盤已失效，操作液壓卡盤已不能使卡瓦動(dòng)作。

根據(jù)以上過程分析表明，故障的根本原因在于：卡瓦與六方鉆桿的平面位置不能相對(duì)固定并同步轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦卡瓦與鉆桿平面錯(cuò)位，故障即發(fā)生，且時(shí)間極短暫，假定立軸每秒僅轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，那么相對(duì)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)30°角度僅十二分之一秒。根據(jù)測(cè)算，僅需轉(zhuǎn)動(dòng)12°30′，鉆桿就能完全被擠死，其時(shí)間小于十二分之一秒，操作人員措手不及。TK-3型鉆機(jī)的使用說明書要求：“松緊卡盤時(shí)，立軸必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)”。由此可見，發(fā)生此類故障，人為的誤操作僅是外因，內(nèi)因是該設(shè)備客觀存在事故隱患。因此，要杜絕此類事故，只能消除設(shè)備內(nèi)部存在的缺陷，才能實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

二、改進(jìn)措施

方案A：根據(jù)回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)及工作原理，只要確保立軸與主動(dòng)鉆桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，故障就不會(huì)發(fā)生。采取的措施是：在卡盤體與鉆桿之間加一個(gè)內(nèi)六方固定套，六方套與卡盤以花鍵配合，鉆桿通過內(nèi)六方套，三者形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。原卡盤體底部?jī)?nèi)圓為一組內(nèi)花鍵，花鍵上方有約80mm的空間，按原花鍵的幾何尺寸向上延伸，與六方套外圓的花鍵配合，利用該空間即可裝配內(nèi)六方套。六方套材料為45#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)32度。

方案B：根據(jù)原地質(zhì)礦產(chǎn)部探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XY-5型鉆機(jī)立軸回轉(zhuǎn)器的工作原理，即在立軸上部裝有油壓卡盤，上卡盤油壓活塞上下移動(dòng)，通過托架帶動(dòng)齒條上下移動(dòng)，再通過卡瓦座實(shí)現(xiàn)卡瓦的徑向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)卡緊鉆桿或松開鉆桿的目的。采用整體XY-5型鉆機(jī)的立軸頭換下TK-3型鉆機(jī)蝶形彈簧的回轉(zhuǎn)器。在改造中應(yīng)注意：

2、把TK-3型鉆機(jī)活塞軸采用焊接方式，改變成階梯軸，實(shí)現(xiàn)TK—3型鉆機(jī)兩個(gè)油缸活塞階梯軸與XY-5型鉆機(jī)橫梁螺栓聯(lián)接一體。

3、改變分配閥油路，原TK-3型鉆機(jī)的卡盤上下腔油管分別與XY-5型鉆機(jī)的兩個(gè)卡盤油缸上下腔油管聯(lián)接。

三、技術(shù)改造試驗(yàn)效果

1、方案A試驗(yàn)效果

(1)用方案1改進(jìn)后的TK，3型鉆機(jī)通過車間空載試車成功。

(2)野外現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)驗(yàn)證，施工了兩個(gè)鉆孔，經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)收均為特級(jí)孔。終孔深度分別為690．09米、567，72米。但施工中當(dāng)鉆桿在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，如果立軸垂直度較差，在鉆桿離心力加上孔內(nèi)其他力的作用下，鉆桿極易產(chǎn)生劇烈擺動(dòng)，此時(shí)鉆桿連接立軸并帶動(dòng)卡瓦使整個(gè)卡盤體擺動(dòng)，造成卡盤體底部與固定圈的聯(lián)接緊固螺栓被反復(fù)拉動(dòng)而滑絲，個(gè)別螺栓甚至被拉斷，使卡盤體與固定圈分離。此時(shí)操作卡盤欲松開卡瓦時(shí)，油缸不是推動(dòng)導(dǎo)向座向上，而是推動(dòng)整個(gè)卡盤向上位移，因而使卡瓦打不開。說明改進(jìn)后雖然未頻繁發(fā)生故障，但仍存在一定的缺陷。可進(jìn)一步將12個(gè)螺栓由原直徑為10mm加大至12mm，并采用機(jī)械強(qiáng)度較高的機(jī)床專用內(nèi)六角螺栓，在立軸下端加裝一個(gè)內(nèi)六方定位套，用以限制鉆桿的擺動(dòng)。

2、方案B試驗(yàn)效果

(1)用方案2改進(jìn)后的TK-3型鉆機(jī)通過車間空載試車成功。

(2)野外現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)驗(yàn)證，在不同的三個(gè)礦區(qū)施工六個(gè)鉆孔，終孔深度分別為918．3米、602．93米、257米、386.86米、527.82米、593．72米，經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)收均為特、甲級(jí)孔。完全符合金剛石鉆進(jìn)、繩索取芯鉆探工藝技術(shù)要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)兩個(gè)改造方案實(shí)際施工對(duì)比，證實(shí)兩個(gè)方案都是可行的，但方案?改進(jìn)效果比方案1更理想。且具有技術(shù)改造簡(jiǎn)單易行、成本底的優(yōu)點(diǎn)，盤活了多年閑置的固定資產(chǎn)，發(fā)揮出較好的經(jīng)濟(jì)效益。