自重夾持器的安裝改型設計

耿　印

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067001）

自重夾持器的安裝改型設計

耿印*

（河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，河北承德067001）

在地質鉆探施工中夾持器是一不可或缺的組成部分。傾斜鉆孔施工，為保持鉆孔、鉆桿、鉆機立軸的同軸度，夾持器必須也要相應墊高傾斜。現在多數機臺多采用木板、木墩進行墊高夾持器或孔口板的辦法。此方法比較簡單原始，抬高高度不準確，且由于震動、磨損等原因極易發生夾持器的偏移，不利于鉆孔、鉆桿、夾持器的同軸度的保持影響施工鉆孔質量；不利于鉆桿絲扣的維護；墊高夾持器、孔口板的方法，造成操作平臺，給施工操作帶來很大的不便。對自重夾持器的安裝進行改型設計，克服了以上存在的弊端，有利于深斜鉆孔的施工，以資大家借鑒。

自重夾持器；改型設計；簡單易行；性能可靠；利用價值高

1　自重夾持器的作用及分類

在固體巖芯鉆探施工中，夾持器是不可或缺的重要組成設備，其主要作用是擰卸鉆桿、鉆具時與鉆機的動力（或馬達）協調配合，實現鉆桿間的對接、脫離或鉆具、鉆桿及連接組件的拆卸等等。夾持鉆桿、鉆具，并保持平穩，防止鉆桿鉆具的脫落或轉動。它是依靠鉆桿自重實現夾持器自動鎖緊的裝置，讓拆卸剩余部分鉆桿柱懸掛于孔內，實現鉆桿的分段提升或加長。因此其性能的好壞將直接影響到鉆探施工能否順利進行和鉆進的效率，甚至影響到鉆孔的質量的好壞。巖芯鉆探中夾持器的種類很多，大體可以分為機械式和液壓式2種類型，機械式如木馬式自重夾持器、腳踏式自重式夾器（圖1）等。

2　自重式夾持器工作原理和結構

在施工過程中，為實現鉆桿的加長或分段提升以及鉆桿鉆具連接組件的拆換時，需要鉆桿在孔口處分開，上部與鉆機主動鉆桿或絞車等提升裝置脫離，下部鉆桿依靠自重在夾持器的夾持作用下，卡瓦鎖緊鉆桿，保持平穩懸于孔內。當完成鉆桿的加長、拆卸或組件的更換后，連接鉆機主動鉆桿或提升裝置并上提，夾持器失去鉆桿的自重作用，在腳踏板連接的凸輪上頂作用下，卡瓦松開鉆桿，提出卡瓦座，完成一次使用循環。

自重式夾持器由外殼體、卡瓦座、凸輪腳踏板3部分組成。外殼體與倆卡瓦座接觸部位是有焊接的楔面，利于卡瓦座的支撐和上提；卡瓦座由卡瓦座體、滾動滑輥、卡瓦等組成。卡瓦體是一與外殼體斜面配套的楔形體，滾動滑輥安裝在卡瓦體上，減少摩擦阻力，利于卡瓦座的提出和安裝。卡瓦用內角螺絲連接于卡瓦體上，材質為高錳鋼，具有一定硬度和耐磨性能，表面有凹凸不平的麻點以增大夾持摩擦力；凸輪腳踏板一端是凸輪，一端是腳踏板，支點在卡瓦體外殼上，從人的操作點看是個省力杠桿，腳踏配合上頂卡瓦體。

圖1　是腳踏式自重式夾持器

本結構簡單緊湊，安全可靠，操作容易，維護方便，經久耐用；在提升裝置的配合下，靠腳踏板踏下、放開2個動作即可實現卡瓦張開、閉合動作，從而實現鉆桿的提升、加長和拆換組件時的夾緊功能。現在，腳踏式自重式夾持器在巖心鉆探生產中得到廣泛應用。

3　夾持器的安裝與使用現狀

實際使用中夾持器是與孔口板配合使用的，在孔口板上焊有限位角鐵，分別固定夾持器底殼四邊，使夾持器固定在孔口板上，防止使用時夾持器的水平左右挪移，不用時抬移方便（圖2）。夾持器安裝位置，應保持其中心與鉆機立軸、鉆孔中心保持在同一直線上（同軸度），不能偏心，方能準確夾持住鉆桿。鉆孔為直孔90°時這樣安裝絕對沒問題，但實際鉆探鉆孔常常為斜孔。鉆孔設計中心傾斜，要保持夾持器與鉆機立軸、鉆孔三者的同軸度，要求夾持器的中心也要相應傾斜。圖3機臺現場采取墊高孔口板或圖4墊高夾持器外殼的方法是夾持器中心傾斜，保持與鉆孔、鉆桿的同軸度。

圖3　80°斜孔墊高孔口板

4　保持同軸度的重要性

夾持器與鉆機立軸、鉆孔中心處于同一軸線上，使鉆機主動鉆桿中心線、鉆孔中心線、鉆桿中心線保持重合，拆卸、對接主動鉆桿時操作方便、省力；三線重合在提升或加長鉆桿時有利于保護鉆桿絲扣，延長鉆桿使用壽命；三線重合鉆機鉆進時不會出現孔口憋勁現象，進而發生鉆孔偏離原有設計軸線，有利于保障鉆孔質量完好。圖5就是實際操作中因夾持器的偏移而發生了主動鉆桿與孔內鉆桿上下不同軸的現象，造成對接主動鉆桿十分困難，而且很可能造成孔口憋勁、鉆孔跑偏現象。

圖4　75°斜孔墊高夾持器

圖5　因夾持器偏移出現不同軸現象

5　采用墊高孔口板或夾持器保持同軸度方法存在的主要問題

采用木板或木墩墊高孔口板或夾持器方法過于簡單，墊起高度的準確性差，無法準確保證同軸度；在實際施工中，由于墊高了夾持器的原因增大了夾持器的不穩定性，在振動作用下夾持器極易偏離；抬高了孔口板造成孔口附近地板操作面高低不平，人員操作極不方便，容易發生人員安全事故；用于墊高孔口板或夾持器的木板和木墩，會因長時間的使用而磨損，致使夾持器的偏斜角度出現偏移而破壞原有的同軸度，需要經常的調整。以上問題在深斜孔施工中尤顯突出。

6　自重夾持器的安裝方法的改型設計

改型設計方案：在不改變自重夾持器的其他性能的情況下，采用加寬夾持器的底座，增添2根絲杠來準確調節夾持器的抬高高度。經過受力分析，每根絲杠承載力F=1/4·cos·（G夾持器+G鉆桿），對于深孔來說G鉆桿是很大的，如普通繩索取芯鉆桿?71mm每米重量8.14kg，以1000m孔深為例G鉆桿=8.14t，每根絲杠承載力F要接近與2t力。為減少絲杠承受力，增加夾持器的穩定性，我們必須要增加墊插板。具體改型做法如下：

（1）加寬底座方案腳踏式自重式夾持器底殼外形尺寸長530mm，寬290mm，高210mm。選取與夾持器底座相應厚度（25mm）的45#鋼板，裁切成如圖6所示的形狀。底座三邊加寬寬度為100mm，前面做45°倒角，在加寬的三邊中心線交點A、B點，分別鉆一?50mm的通孔。分別以A、B通孔的中心為中心，在其背面銑一80mm×80mm方形沉孔，深10mm。以AB中點C為中心，銑一個長100mm、寬8mm、深8mm的凹槽，用以放置水平標尺的水銀管用（水銀管水平標尺以保證2根絲杠頂起高度一致）。為保障加寬邊與夾持器底殼焊接結實，加寬邊的內邊進行雙側倒焊腳45°，焊接于夾持器的底座上。

焊接要求：所有焊縫必須焊接牢固無砂眼；焊接是必須中心對正，底面水平；確保夾持器的中心點到AB線的距離為315mm；底面及焊縫進行刨床找平。

（2）方坐內螺母及絲杠加工 為增大承載力，把螺母的加工成下半部為四方形（80mm×80mm）的底座，上部為圓柱形（?50mm高度45mm）的螺母，與A、B點加寬邊的沉孔相吻合，如圖7所示。

絲杠絲扣規格為M36×（3～6）g，長350mm。底部加工成尖錐狀，錐高8mm，以減少受力接觸面積，也便于與孔口板固定。絲杠上部焊一直徑80mm鋼環，內環直徑不低于30mm，以便于絲杠的旋動，見圖8。

（3）墊墊加工因為夾持器被抬高底面會因高度不同與墊插板接觸角度也不同，所以墊插板加工成楔形墊插板和平墊插板2種類型。楔形墊墊1個，楔形厚度11mm，長度150mm（其左視圖見圖9）。每個平墊厚度11mm，根據需要加工若干。楔、平墊的投影形狀尺寸見圖9。加工時墊插板插口要求平滑，前端倒圓角，防止插入時碰壞絲杠扣。

7　安裝與使用

把孔口板上面左邊限位角鐵去掉，打磨光滑；把加工好的方座內螺母件穿入A、B孔，旋入絲杠；放正夾持器，在絲杠尖正對處，平行夾持器中心線，分別在孔口板上向左銑一“V”槽，深度與絲杠錐尖相匹配，長度100mm，以固定夾持器防止夾持器前后移動；在C點水平標尺凹槽內放入帶有刻度的氣泡水銀水平珠，水平固定好；旋緊絲杠根據鉆孔傾斜角度確定夾持器的抬高高度，調整2根絲杠旋入長度，使水銀柱中的氣泡正中；插入墊插板及楔形墊插板，平墊要對齊，楔形墊根據實際傾斜角度確定插入深度，壓實即可。這樣固定就可以防止夾持器的左右前后的偏移（圖10）。

根據鉆孔傾斜角度確定夾持器的抬高高度方法：加寬后夾持器底面總長度為530mm+100mm=630mm，外緣邊抬起高度h=630×cosa，a為鉆孔傾斜角。下面是常用不同角度，相對加寬為100mm的腳踏式自重式夾持器邊緣抬高高度（表1）。從表1中不難看出鉆孔每傾斜增加1°，抬高高度恰好增加11mm。我們選用11mm厚鋼板做墊板恰好滿足我們的設計要求，方便利落。

表1　鉆孔不同角度夾持器左邊緣抬起高度

8　總結

本設計設計時充分考慮到了絲杠、絲扣以及連接螺母件的承載能力，確保使用時安全性和可靠性，經久耐用。

采用加寬底邊的方法改進腳踏式自重夾持器的安裝方法，不改變夾持器的使用性能，改造簡單，使用方便，確保了夾持器安裝使用的準確性。有利于保障鉆孔施工質量，起到了保護鉆桿絲扣，延長鉆桿使用壽命，職工操作省時省力。即使直孔施工時也不影響夾持器使用性能。

就夾持器安裝操作而言，加寬邊的設計恰到好處，只要知道鉆孔的傾斜度，就可以確定夾持器抬高高度、墊插板的數量。例如89°的斜孔，只需墊1塊楔形墊版即可；傾角82°孔，參考本文的表1就知道抬高88mm，需要墊班8塊：1塊楔形墊板、7塊平墊板，抬起高度恰好是88mmm，把墊板插入整齊，調整水銀珠水平即可，并不需要再測量、計算抬高的高度（鉆孔75°時最多偏差1～2mm在誤差范圍內允許，也可以微調楔形插板的插入深度進行調整），有利于鉆桿、鉆孔、夾持器的同軸度保持，避免了原來墊高孔口板或夾持器造成工作面高低不平現象，整齊利落，操作十分方便。

在深斜孔的鉆探施工中，我們相信夾持器的安裝改型設計，改變了現行使用木板木墩墊高夾持器或孔口板的現狀，克服了原有弊端，而能得到廣泛的應用！

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1004-5716（2016）01-0049-04

2015-01-30

2015-02-03

耿印（1970-），男（滿族），河北承德人，工程師，現從事鉆探技術施工與管理工作。