帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架設計研究

曾永耀

摘要：鉆架承載著地質鉆機各部件的重量，因此鉆架的穩定性、合理性，決定了鉆機的性能。鉆進時鉆機會對鉆架施加一定的作用力，致使鉆架表現出復雜的動力學狀態。目前市場上的鉆架如錨柱式、立柱式、圓盤式等，針對現有鉆架的不足，結合工程實際，根據鉆架工作時的力學機制，我們提出的帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架設計思路，由液壓驅動導軌式鉆架，可以根據實際需要調節鉆架的長度和角度，以適應不同場地的開鉆要求。同時還安裝自動報警裝置以避免鉆架安全事故。除此之外，該設備還裝配了滾輪以方便鉆機的整體快速移動。

Abstract： The drill frame bears the weight of the mine drill. So the rationality and stability of the drill frame can decide the function of the mine drill. In the process of working， the mine drill will give a force to the drill frame， which will lead the drill frame in the complicate mechanical state. At present， there are a lot of drill frame including lock pillar， upright pillar， disk pillar. we release a new drill frame with automatic alarm driving by hydraumatic in consideration of the shortcomings of the mine drill based on the mechanism of the drill frame.? The new drill frame driving by hydraumatic can adjust the length and angle in order to adapt the different working enviroment. Besided， automatic alarm is installed in order to avoid accident. And idler wheel is also installed in order to fastly move.

關鍵詞：自動報警;導軌;液壓;地質鉆機;鉆架

Key words： automatic alarm;guide rail;hydraumatic;mine drill;drill frame

中圖分類號： P532? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0047-02

0? 引言

鉆探是巖土工程勘查、區域地質調查和礦產資源勘查等工程地質與資源勘查工作最直接、最有效的技術手段，地質鉆機是實現鉆探工作最重要的物質載體。地質鉆機的機型主要有TXJ - 1600型，廣泛用于垂直或者傾斜度小于45°的礦產資源、油氣資源、地下水以及市政巖土工程勘查的鉆孔工作，其最大鉆進深度一般為1200（Φ 60鉆桿）- 1600 m（Φ 50鉆桿）[1]。

鉆架是地質鉆機的關鍵部件，承載著鉆機各部件的重量，因此鉆架的穩定性、提升能力以及結構的合理性，直接決定了地質鉆機的性能和適用范圍[2]。鉆架看似結構簡單，其實在鉆進過程中，鉆機會對鉆架施加一定的作用力，因此鉆進時鉆架會表現出復雜的動力學狀態[3]。然而目前市場上現有的鉆架如錨柱式、立柱式、圓盤式等，主要存在以下不足：①結構簡易致使鉆架的安全性無法保證;②鉆架不具有可伸縮性不利于鉆機整體移動;③鉆架與鉆機之間多為滑板連接，頻繁搬動使得鉆架磨損嚴重、縫隙變大，導致鉆機定位不準[4]。

鑒于現有鉆架的諸多不足，結合工程實際，根據鉆架工作時的力學機制，我們通過改進生產技術和工藝，研發了帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架，該設備由液壓驅動導軌式鉆架，可以根據實際需要調節鉆架的長度和角度，以適應不同場地的開鉆要求。同時該設備還安裝自動報警裝置以避免鉆架安全事故。除此之外，該設備還裝配了滾輪以方便鉆機的整體快速移動。正因為本設計的創造性與先進性，獲得了國家實用新型專利授權（專利號：ZL 20172 0966440.1）。

1? 設備的組成和結構

1.1 設備的組成

我們設計的帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架，主要由底座1、導軌2和伸縮桿Ⅰ（7）、伸縮桿Ⅱ（11）、伸縮桿Ⅲ（12）組成（圖1和2）。底座、導軌和伸縮桿的具體組成為，底座1主要包括：滾輪18、氣缸16、固定板17、報警器15、轉動筒13、加固座9;導軌2主要包括：保護座10、連接座Ⅰ（3）、連接座Ⅱ（4）、鋼絲繩14;伸縮桿主要包括：伸縮桿Ⅰ（7）、伸縮桿Ⅱ（11）、伸縮桿Ⅲ（12）（圖1）。

1.2 設備的結構

底座1的下端四角共設置兩對滾輪18和兩對由氣缸16和固定板17組成的固定機構（圖1）;底座1的上端左部設置固定座Ⅰ（5）、固定座Ⅱ（6）和支撐桿8（圖2），固定座Ⅰ（5）和固定座Ⅱ（6）上分別鉸接伸縮桿Ⅱ（11）和伸縮桿Ⅲ（12）（圖2）;為了避免移動時導軌倒塌，在底座1的上端中部設置加固座9，并在加固座9內配備一個電機驅動的轉動筒13，轉動筒上纏繞鋼絲繩14，鋼絲繩的另一端連接在導軌2上（圖1和2）;為了防止導軌向右側過分傾斜而倒塌，在底座1的上端右部設置保護座10，保護座10的上部與導軌2鉸接、下部和底座1相連，并且保護座10與導軌2的接觸面上裝置壓力感應片，壓力感應片通過導線與報警器15連接（圖1），最后在底座1的上端右部還設置伸縮桿Ⅰ（7），其頂端鉸接在連接座Ⅱ（4）上（圖1和2）。

導軌2的左側上下兩端分別間隔設置連接座Ⅰ（3）和連接座Ⅱ（4）（圖1）;導軌2的下端左部設置支撐桿8，支撐桿8的底端鉸接在底座1上，頂端通過支撐托19和導軌2相連（圖2）;伸縮桿Ⅰ（7）頂端鉸接在連接座Ⅱ（4）上，底端固定在底座1上（圖1）;伸縮桿Ⅱ（11）頂端鉸接在連接座Ⅰ（3）上，底端鉸接在固定座Ⅰ（5）上（圖1）;伸縮桿Ⅲ（12）底端固定在固定座Ⅱ（6）上（圖1），當導軌水平放置時，伸縮桿Ⅲ（12）的頂端和連接座Ⅰ（3）鉸接（圖2）。

2? 設備技術原理及性能指標

設備的工作原理為：施工時通過調節液壓支撐來改變伸縮桿Ⅰ（7）和伸縮桿Ⅱ（11）的長度和角度，改變導軌2的傾斜角度，進而滿足鉆機不同開孔角度的開鉆要求。

具體工作過程為：①鉆機工作時，為保證安全先啟動鉆架底座1上的氣缸16使固定板17伸出，支撐在地面上，保證鉆機穩定（圖1和2）;②施工時通過改變伸縮桿Ⅱ（11）的長度，使其在導軌2的連接座Ⅰ（3）和連接座Ⅱ（4）之間移動，從而改變導軌2的角度，以適應不同地形坡度、不同工作環境的開鉆要求（圖1）;③當導軌2垂直時，若繼續伸長伸縮桿Ⅱ（11），會使導軌2下部擠壓保護座10，壓力感應片接收擠壓信號后傳遞給報警器15，發出警報提醒操作人員注意，避免安全隱患（圖1）;④在底座1的下端四個角設置兩對滾輪18，以方便鉆機整體快速移動（圖1和2）;⑤當鉆架移動時，垂直放置的導軌2也會移動，安全隱患增加，為避免安全隱患，通過縮短伸縮桿Ⅱ（11），使導軌2逐漸趨于水平（圖1），當導軌2接近水平時，調整支撐桿8，使支撐托19作用在導軌2上，然后拆卸伸縮桿Ⅱ（11）使其與連接座Ⅰ（3）分離，并將伸縮桿Ⅲ（12）與連接座Ⅰ（3）鉸接，再調節伸縮桿Ⅰ（7）和伸縮桿Ⅲ（12）的長度，使導軌2保持水平（圖2）。

3? 技術的創造性與先進性

我們設計的帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架，克服了目前市場上，鉆架結構簡易安全性無法保證、鉆架不具有可伸縮性不利于鉆機整體移動、以及鉆架與鉆機之間多用滑板連接，頻繁搬動使得鉆架磨損嚴重、縫隙變大，導致鉆機定位不準的缺點，填補了目前帶自動報警裝置的導軌式液壓地質鉆機鉆架的技術空白。該設備具有自動報警裝置可以避免鉆架安全事故、該設備由導軌式液壓驅動可以根據實際需要調節鉆架的長度，并且該設備在使用過程中具有適用范圍廣、安全高效有利于推廣的優點。

主要創造性與先進性在于：①在底座下端四個角設置兩對滾輪，以方便鉆機整體快速移動（圖1和2）;②為保證安全，鉆機工作時同時啟動鉆架底座的氣缸，伸出固定板支撐在地面上，保證鉆機穩定（圖1和2）;③通過液壓支撐來改變伸縮桿Ⅰ和伸縮桿Ⅱ的長度，從而簡便的改變導軌的傾斜角度，以適應不同地形坡度的開鉆要求（圖1）;④當導軌垂直時，若繼續伸長伸縮桿Ⅱ，會使導軌下部擠壓保護座，壓力感應片接收擠壓信號后傳遞給報警器，發出警報以提醒操作人員注意，避免安全隱患（圖1）。

4? 技術的成熟程度、適用范圍和安全性

4.1 技術的成熟程度

我們提出的帶自動報警裝置的導軌式液壓鉆架結構示意圖，從設計思路來看，本設備的技術成熟度較高、具備一定的推廣價值。

4.2 適用范圍

本鉆架可廣泛應用于巖土工程勘查、地質調查、礦產資源勘查和尋找地下水資源等地勘行業的地質鉆機。

4.3 安全性

本設備有三重安全防護裝置，具體為：①鉆機工作時先啟動鉆架底座1上的氣缸16，伸出固定板17支撐在地面上，保證鉆機安全穩定（圖1和2）;②為了避免鉆機移動時導軌2倒塌，在底座1上端中部設置加固座9，在加固座9內配備電機驅動的轉動筒13，轉動筒上纏繞鋼絲繩14，鋼絲繩14的另一端連接在導軌2上（圖1）;③為了防止導軌2向右側過度傾斜而倒塌，在底座1上端右部設置保護座10，保護座10的上部與導軌2鉸接、下部和底座1相連，并且保護座10與導軌2的接觸面上裝置壓力感應片，壓力感應片通過導線與報警器15連接（圖1）。理論上，本設備不存在由于設計缺陷可能造成的安全事故。

參考文獻：

[1]趙宏強，陳慶，傅斯龍，周茂賢.液壓鉆機鉆架可靠性設計研究[J].礦山機械，2016，44（2）：10-14.

[2]徐鎖庚.軟巖巷道底板液壓鉆機設計理論及關鍵技術研究 [D].中國礦業大學博士學位論文，2014.

[3]郭勇，周振華.潛孔鉆機的應用現狀與發展趨勢[J].礦業快報，2008，24（4）：13-15.

[4]易輝成，劉海燕，王杏芳.潛孔鉆機鉆架結構的有限元分析[J].工程機械，2013，44（3）：15-18.