TK-3型立軸式液壓巖芯鉆機回轉器的技術改造

陳慶輝

1 概況

TK-3型巖芯液壓鉆機是原煤炭部石家莊煤礦機械廠于20世紀80年代初參照日本同類產品開發研制的液壓立軸式巖芯鉆機,當時全國數十家煤田地質勘探隊裝備了此型鉆機,并以此機為主要鉆探設備,開始金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的試驗。但在使用中發現,該機型的液壓卡盤及操縱機構存在一定的缺陷,操作稍有不當,就產生液壓卡盤失靈、卡死主動鉆桿的故障,即使是技術相當熟練的操作人員也難免,且事后難處理,迫使野外現場停機,更換設備。由于事故頻繁發生,嚴重制約生產率的提高,因此福建省121煤田地質勘探隊6臺TK-3鉆機入庫閑置,大多數煤田地質勘探隊也均因該鉆機存在的上述問題而棄置不用,造成巨大的浪費,甚至中止了金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的推廣應用。如何解決這一技術難題,福建省121煤田地質勘探隊組織技術攻關,對TK-3鉆機進行技術改造,重新使用TK-3型鉆機。

2 故障分析

2.1 故障產生及狀況

TK-3型鉆機在進行變速、取芯、倒桿、加接鉆桿等操作時都必須停車。當立軸未完全停穩時,操作液壓卡盤瞬間即發生主動鉆桿被卡死的故障,只有松開回轉器頂部壓套,取下蝶形彈簧,才能松開卡瓦,但此時因蝶形彈簧被壓縮,根據計算,其壓力為374.78 kN,該壓力通過卡瓦導向座斜面增力,作用在卡瓦的徑向卡緊力約500 kN,如此巨大的壓力,在現場無法處理,只有拆下回轉器,連同6 m多長的主動鉆桿拉回部隊機修車間,若無專用機械,也無法處理。因此,增加了修理難度,拖延工期造成生產成本上升。

2.2 故障原因分析

說明書上三處強調“松緊卡盤時,立軸必須停止運轉”。由此可見,發生此類故障,人為的誤操作僅是外因,內因是設備客觀存在事故隱患,因此,要杜絕此類事故,只能消除設備內部存在的事故隱患,實現本質安全。

根據回轉器結構及工作原理,當鉆機停止鉆進,操作液壓卡盤,卡瓦與六方鉆桿平面離開一定距離,此時若離合器帶車或其他原因使立軸轉動,立軸帶動卡盤體、卡瓦同時轉動,即使只轉過很小的角度(＜30°)。卡瓦即在極短的時間內與鉆桿最大徑接觸,棱角緊緊頂住并推動卡瓦,卡瓦被迫超出正常的工作位移,卡瓦的斜面以推動導向座上升,使導向座上升超出正常高度而離開卡盤油缸的控制范圍,液壓卡盤失效,而導向座上升又迫使蝶形彈簧進一步壓縮,在蝶形彈簧的巨大彈力作用下,卡瓦咬死鉆桿,此時液壓卡盤已失效,操作液壓卡盤已不能使卡瓦動作。

根據以上過程分析表明,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固定并同步轉動,一旦卡瓦與鉆桿平面錯位(見圖1),故障即發生,且時間極短暫,假定立軸每秒僅轉動一圈,那么相對鉆桿轉動30°角度僅1/12 s,根據測算,僅轉動 12°30′鉆桿就完全被擠死,其時間小于1/12 s,讓操作人員措手不及。

3 技術改造

3.1 在原有TK-3回轉器上進行技術改進

根據回轉器結構及工作原理,只要確保立軸與主動鉆桿同步轉動,故障就不會發生,采取了在原有TK-3回轉器上進行技術改進:卡盤體與鉆桿之間加一個內六方固定套,六方套與卡盤以花鍵配合,鉆桿通過內六方,三者形成一整體來實現同步轉動。但由于卡盤體底部與固定圈的連接采用12條M12螺栓緊固,在施工中由于鉆桿在高速回轉時立軸垂直度差,鉆桿離心力加上孔內其他力的作用,鉆桿將產生劇烈擺動,此時鉆桿在夾緊狀態,卡瓦帶動整個卡盤體擺動,緊固螺栓被反復拉動,造成卡盤體底部與固定圈的連接緊固螺栓松動滑絲,個別螺栓被拉斷,使卡盤體與固定圈分離,當操作卡盤欲松開卡瓦時,油缸不是推動導向座向上,而是推動整個卡盤向上位移,因而卡瓦打不開。說明用此方法改進后雖未像原來頻繁發生故障,但仍存在一定缺陷,未能實現“零故障”,達到本質安全。

3.2 解決液壓卡盤失靈、卡死主動鉆桿的故障

根據福建省121煤田地質勘探隊歷年使用XY-5鉆機經驗,反應XY-5鉆機使用的立軸回轉器,采用在立軸上部裝油壓卡盤,上卡盤油壓活塞上下移動,通過托架帶動齒條上下移動,從而帶動齒桿旋轉。通過卡瓦座實現卡瓦的徑向移動,從而達到卡緊鉆桿或松開鉆桿的目的。采用整體XY-5鉆機的立軸頭替換TK-3鉆機蝶形彈簧的回轉器。在改造中解決液壓卡盤失靈、卡死主動鉆桿的故障問題,具體如下:1)XY-5鉆機的六方立軸外徑φ 116×104-6與TK-3鉆機六方立軸外徑尺寸φ 122×110-6不同。加工一條立軸導管來解決此問題(見圖2),材料為40Cr,經調質處理,硬度HRC32-45,其立軸導管的外徑尺寸及軸承、扇形齒輪位置與TK-3鉆機立軸導管的外徑尺寸及軸承228,扇形齒輪m8,Z33位置尺寸一樣,內孔的尺寸與XY-5鉆機的立軸導管內孔的尺寸一樣,來解決XY-5鉆機的六方立軸穿過加工的立軸導管內與TK-3鉆機傘形齒輪連接,來傳遞動力和扭矩。2)XY-5鉆機橫梁連接的兩個給進油缸之間的孔中心距470 mm與TK-3鉆機傳動箱箱體兩個上下移動油缸活塞軸之間的孔中心距420 mm,相差50 mm。需要加工2條階梯軸來解決其中心距不一致問題(見圖3),材料為40Cr,經調質處理,硬度 HRC32-45,把 XY-5鉆機立軸橫梁和TK-3鉆機移動油缸活塞軸連接為一體。3)改變分配閥油路,原TK-3鉆機的卡盤上下腔油管分別與XY-5兩個卡盤油缸上下腔油管連接。

4 技術改造試驗效果

1)零件加工好,組裝完畢通過車間空載試車成功;

2)野外現場鉆進驗證情況:107鉆機使用改進后的TK-3鉆機在不同的礦區施工6個鉆孔(羅山勘探區5-11、武陵勘探區6-2,8-5,8-4,10-3,10-4鉆孔,終孔深度分別為 918.30 m,602.93 m,257 m,386.86 m,527.82 m,593.72 m),經鉆孔質量驗收均為特、甲級孔。證實改進后鉆機,完全符合繩索取芯金剛石鉆進鉆探工藝技術要求。

5 結語

福建省121煤田地質勘探隊采用整體XY-5鉆機立軸頭替換下TK-3鉆機蝶形彈簧的回轉器的方法,其油缸給進行程由原來600 mm減至500 mm,增加了倒桿次數;且具有技術改造簡單易行,成本低等優點,只需要購買一組XY-5鉆機的立軸頭,加工一條立軸導管及兩條短階梯軸,組裝及整機維修就完成,把多年閑置設備重啟用,盤活固定資產,發揮出巨大經濟效益。

[1] 陳庭根.鉆井工程技術與理論[M].東營:石油大學出版社,2000.

[2] 李世終.鉆探工藝學[M].北京:地質出版社,1992.

[3] 張天錫.勘探掘進學[M].北京:地質出版社,1981.

[4] 吳金桃.工程機械液壓系統動力匹配及控制技術研究[J].山西建筑,2008,34(18):355-356.