BZT-300 型水井鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉暢

山東濱州市鍛壓機(jī)械廠 山東濱州 256600

轉(zhuǎn)盤(pán)是水文水井鉆機(jī)的重要組成部件，被稱為三大工作機(jī)之一，轉(zhuǎn)盤(pán)具有驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)切削地層鉆進(jìn)、懸掛鉆柱、上卸鉆具、處理鉆井事故等功能。由于轉(zhuǎn)盤(pán)安裝在井口中心，泥漿、油漬經(jīng)常會(huì)包裹、浸入轉(zhuǎn)盤(pán)，工作環(huán)境非常惡劣，同時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)還承受著來(lái)自鉆柱的軸向沖擊和振動(dòng)等不確定性載荷，鉆進(jìn)作業(yè)惡劣的工況對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)強(qiáng)度、扭矩、整體密封性、高可靠性提出了較高的技術(shù)要求。在鉆機(jī)鉆井過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)一旦失效，整個(gè)鉆井機(jī)械將陷于癱瘓，轉(zhuǎn)盤(pán)的可靠性決定著鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)方案選擇

現(xiàn)階段水井鉆機(jī)普遍配置的回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤(pán)，按轉(zhuǎn)盤(pán)減速方案分類，有二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)和一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)兩種；按轉(zhuǎn)盤(pán)向主鉆桿傳遞扭矩的方式分類，有補(bǔ)芯式和撥杠式兩種。

二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖（一）所示，其特點(diǎn)是采用一級(jí)圓錐齒輪和兩級(jí)圓柱齒輪構(gòu)成三級(jí)降速傳動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)盤(pán)殼體（18）為雙層同心圓柱整體式鑄件，其內(nèi)圓柱支撐整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩級(jí)圓柱齒輪的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易保證加工精度，裝配簡(jiǎn)單效率高，維修方便快捷，承載能力大，穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)是一級(jí)圓錐齒輪因載荷大易損壞，增加了立軸A（10）、立軸B（12）和兩端的支撐軸承，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。另外，轉(zhuǎn)臺(tái)最上面的副軸承（16）和轉(zhuǎn)臺(tái)齒圈（19）僅靠?jī)杉?jí)圓柱齒輪嚙合時(shí)沿齒面擠射出去的油液進(jìn)行潤(rùn)滑，易因潤(rùn)滑不足導(dǎo)致過(guò)早磨損。

一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖（二）所示，其轉(zhuǎn)臺(tái)總成（13）的主、副軸承設(shè)置在錐齒輪盤(pán)（11）下部，主軸承（推力球軸承A）離錐齒輪盤(pán)（11）較近，設(shè)置裝配間隙的副軸承（推力球軸承B）距錐齒輪盤(pán)（11）較遠(yuǎn)，當(dāng)主、副軸承磨損后，錐齒輪盤(pán)（11）在承受徑向力作用下因副軸承（推力球軸承B）使轉(zhuǎn)臺(tái)總成（13）不易過(guò)量偏斜，自潤(rùn)滑效果好，減少摩擦磨損，延長(zhǎng)齒輪使用壽命。該方案與二級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，主、副軸承安裝距離相對(duì)較小，受力情況稍差。

撥杠式轉(zhuǎn)盤(pán)如圖（一）所示，最突出的特點(diǎn)在于提升鉆具時(shí)，撥杠（3）與主動(dòng)鉆桿成一體提升至轉(zhuǎn)盤(pán)上方，讓開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)中間通孔使鉆具通過(guò)，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。補(bǔ)芯式轉(zhuǎn)盤(pán)如圖（二）所示，使用過(guò)程中易出現(xiàn)不流暢和使用后出現(xiàn)難以拆卸等問(wèn)題。

根據(jù)上述分析，BZT-300 型水井鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)采用了一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)、撥杠式結(jié)構(gòu)方案，該鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)如圖（三）所示，動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向軸輸入錐齒輪軸（11），錐齒輪軸（11）端部為花鍵，安裝錐齒輪（6），轉(zhuǎn)盤(pán)的錐齒輪盤(pán)（2）用平鍵和螺釘固定連接于轉(zhuǎn)臺(tái)（1）上，并與小錐齒輪嚙合。在轉(zhuǎn)臺(tái)（1）上用平鍵和螺釘固定安裝2 個(gè)撥柱（3），以帶動(dòng)撥杠（5）回轉(zhuǎn)。撥杠（5）的中心部分為方形孔，相應(yīng)的方形斷面的主動(dòng)鉆桿插于其中，從而驅(qū)動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)（1）由上推力球軸承（4）、下推力球軸承（12）支承于轉(zhuǎn)盤(pán)殼體（15）上，當(dāng)上下軸承間隙增大后，可打開(kāi)托油盤(pán)（13），通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)大螺母（14）來(lái)調(diào)節(jié)上下軸承間隙。該鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)具有體積較小，輸出扭矩較大，密封可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 上卸管裝置

該轉(zhuǎn)盤(pán)上卸管裝置如圖（四）所示，包括轉(zhuǎn)盤(pán)支架、卡板、墊叉、撥叉、卸管油缸等組成。卡板由卡板氣缸驅(qū)動(dòng)沿轉(zhuǎn)盤(pán)支架導(dǎo)軌開(kāi)合，卡板不僅承受井下鉆具的重量，卡板還可以平衡鉆桿接頭上卸扣時(shí)產(chǎn)生的扭矩。卸主鉆桿時(shí)，首先提升鉆具接頭至轉(zhuǎn)盤(pán)上方，操縱控制閥使卡板氣缸推動(dòng)卡板閉合，然后將墊叉卡入下接頭的方扁內(nèi)，撥叉卡入上接頭的方扁內(nèi)，下落鉆具保證墊叉落在卡板的兩檔銷之間，操縱轉(zhuǎn)盤(pán)反轉(zhuǎn)，通過(guò)墊叉、撥叉的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，卸開(kāi)鉆桿接頭，從而實(shí)現(xiàn)加接鉆桿或提出鉆桿的功能。圖（五）是該轉(zhuǎn)盤(pán)搓扣機(jī)構(gòu)，卸管油缸活塞桿前端的棘爪（2）推動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)外圓棘輪（1）反轉(zhuǎn)，通過(guò)墊叉、撥叉的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，卸開(kāi)接頭第一扣，有效解決了水文水井鉆桿接頭第一扣卸扣難的問(wèn)題。

3 專用軸承設(shè)計(jì)

如圖（三）所示，該轉(zhuǎn)盤(pán)主軸承（上推力球軸承4）的作用是：承受錐齒輪副嚙合產(chǎn)生的徑向力，鉆桿下滑產(chǎn)生的軸向力，起下鉆時(shí)承受最大靜載荷，故主軸承的承載力應(yīng)該大于額定鉤載。副軸承（下推力球軸承12）的作用是：一方面承受鉆桿鉆頭帶來(lái)的徑向載荷，另一方面防止轉(zhuǎn)臺(tái)擺動(dòng)，起扶正轉(zhuǎn)臺(tái)的作用。軸承磨損間隙增大后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)大螺母（14）來(lái)調(diào)節(jié)間隙。

主軸承和副軸承結(jié)構(gòu)如圖（六）所示。軸承內(nèi)外圈上具有限制滾珠移動(dòng)的曲面滾道。兩相鄰滾珠（4）之間使用尼龍球架（3）隔開(kāi)，避免兩相鄰滾珠（4）直接接觸。為了便于加工，保證加工精度，減小當(dāng)量曲率，降低接觸應(yīng)力，避免滑動(dòng)摩擦的發(fā)生，曲面滾道的曲率半徑（R）與鋼球直徑（d）之間的關(guān)系為R/d=0．55，滾珠采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼球。由于轉(zhuǎn)盤(pán)工作環(huán)境惡劣，以及應(yīng)對(duì)井下鉆具的振跳沖擊等復(fù)雜工況，轉(zhuǎn)盤(pán)主、副軸承應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和工作壽命，其軸承工作壽命一般不低于3000 小時(shí)。

4 密封性能

轉(zhuǎn)盤(pán)工作環(huán)境惡劣，在轉(zhuǎn)盤(pán)工作過(guò)程中，為了防止鉆井液及污物進(jìn)入轉(zhuǎn)臺(tái)損壞軸承和齒輪，需要將轉(zhuǎn)臺(tái)與轉(zhuǎn)盤(pán)殼體之間密封起來(lái)。該轉(zhuǎn)盤(pán)在轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)盤(pán)殼體上部形成環(huán)槽實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，下部轉(zhuǎn)臺(tái)與托油盤(pán)之間采用迷宮O形橡膠密封圈密封。由于轉(zhuǎn)臺(tái)直徑比較大，這種O形橡膠密封圈需由專門(mén)廠家生產(chǎn)，O形密封圈是易損件，在使用時(shí)應(yīng)該加以保護(hù)。錐齒輪軸伸出端的密封采用剖分式油封，這種密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，密封可靠，磨損后可以隨時(shí)更換，隨時(shí)調(diào)整軸套與油封表面的壓力，以保持密封性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)查閱文獻(xiàn)、轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)品資料確定基本參數(shù)，最終確定其總體結(jié)構(gòu)方案，繪制了轉(zhuǎn)盤(pán)總裝配圖以及主要零部件圖。

（2）卸管油缸前端的棘爪推動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)臺(tái)外圓的棘輪，有效地解決了鉆桿接頭第一扣卸扣難的問(wèn)題，保證操作的安全可靠性。

（3）當(dāng)主、副軸承磨損間隙增大后，通過(guò)調(diào)節(jié)大螺母來(lái)調(diào)整間隙。有效解決因間隙過(guò)大導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)不正偏斜、擺動(dòng)等問(wèn)題。

（4）根據(jù)轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)確定了主、副軸承結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了強(qiáng)度分析，探討了主軸承壽命的計(jì)算方法，壽命計(jì)算符合轉(zhuǎn)盤(pán)工作要求。

（5）對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了轉(zhuǎn)盤(pán)的使用壽命。

本文針對(duì)BZT-300 型水井鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)方案選擇、上卸管裝置、專用軸承設(shè)計(jì)、密封性能等問(wèn)題進(jìn)行了探討。實(shí)踐證明，該轉(zhuǎn)盤(pán)緊密結(jié)合我國(guó)具體國(guó)情，設(shè)計(jì)合理，性能可靠，是水井鉆機(jī)較為理想的轉(zhuǎn)盤(pán)，該轉(zhuǎn)盤(pán)的研制成功并推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和明顯的社會(huì)效益。