XY-8鉆機為適應3000米科鉆的改進介紹

李 寬，蘇厚斌

（山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊，山東 招遠 265400）

1 XY-8型巖心鉆機主要特點

XY-8型鉆機是由張家口中地裝備探礦工程機械有限公司研發并生產的一種大通徑深孔鉆機，主要用于金屬及非金屬固體礦床小口徑鉆進，也可用于水文、油氣田的勘探及工程鉆孔，分布廣泛，操作簡單[1，2]。相較全液壓鉆機XY-8鉆機具有低耗高效、實用可靠、維修方便、價格低廉等特點，相比其他機械立軸式鉆機XY-8鉆機具有設計功率大（電動機90kW、柴油機130kW）、立軸通徑大（通徑φ118）、卡盤加持力大、卷揚機提升力大等特點。

2 在實際使用中暴露出的問題

隨著XY-8鉆機在鉆探施工中的不斷使用，尤其是深孔工程不斷增多，鉆孔深度不斷加深，原始XY-8鉆機的缺點也不斷地暴露出來，有些甚至影響到正常生產。有些礦區反應在使用XY-8鉆機鉆進深孔時，鉆機震動幅度變大，導致變速箱檔位自鎖裝置失靈，引發跳檔現象；變速箱設定的傳動比不合理，檔位鉆機轉速總體偏低，達不到金剛石鉆進中所需要的高轉速，而強行升擋提高鉆速則會導致回轉阻力顯著升高，鉆機運轉電流過大；同樣隨著回轉阻力不斷增加，卡盤夾不住主動鉆桿現象時有發生，急劇磨損主動鉆桿和卡盤卡瓦；水剎車連接軸質量不可靠，隨著水剎車軸傳遞扭矩不斷增加，易出現扭斷現象；除此以外，隨著液壓油溫度隨著鉆機長時間工作而不斷變高，粘度將會降低，出現液壓系統失靈現象。2017年，由山東第六地質大隊承攬施工的河南省洛寧縣上宮金礦深部普查項目ZK322000鉆孔中使用XY-8鉆機，設計孔深2000米。當鉆進至1700以深時，出現上下卡盤夾不住主動鉆桿現象，主動鉆桿及上卡盤卡瓦由于發生滑動摩擦而磨損劇烈，使用壽命變短，需勤換主動鉆桿及上卡盤卡瓦，增加輔助時間且增加生產成本。

3 改進措施

3.1 變速箱的改進

由于XY-8型鉆機原本使用東風汽車產17LYG1-00030型三軸式頂軸傳動變速器，有四個正轉檔位和一個反轉檔位，集成度高，對變速箱本身改進難度大，為了解決出現的問題需要只有通過更換新型變速箱。但由于只能在原有XY-8鉆機骨架上更換，受到安裝定位尺寸及齒輪傳動配合的種種限制，在新變速箱的選擇上存在很大的局限性。通過各種變速箱對比，最終選擇同系列的17LYG3-00030型變速箱。該變速箱為原17LYG1-00030型變速箱的升級型號，在總體尺寸變化不大的基礎上提高傳動比，使得鉆機轉速及卷揚轉度相應提高，從而增加鉆進效率。新變速箱隨著材料、工藝方面的改變，其可靠性也有一定提高，跳檔問題有所解決。使用新舊變速箱的鉆機參數對比見表1和表2。

表2 第三層卷筒線速度（米/秒）

3.2 水剎車連接軸改進

原廠所使用的水剎車連接軸直徑為φ60.2mm，新連接軸將直徑為擴大為φ70.1mm。通過計算實心圓截面扭轉系數公式

可知新軸的圓截面扭轉系數是舊軸的1.59倍。又根據公式

相同材料下，最大許用切應力[τ]相同，所以新軸的抗扭強度是舊軸的1.59倍。為了安裝新連接軸，需將鉆機骨架擴孔，將原水剎車連接軸使用的6312軸承更換為6314軸承。

3.3 上卡盤改進

原廠鉆機使用上卡盤結構為碟簧卡緊油缸松開結構。這種結構原理為：上卡盤油缸活塞下移，卡瓦座壓縮彈簧來實現卡瓦徑向移動從而松開鉆桿；上卡盤油缸卸油，碟簧推動卡瓦座帶動卡瓦移動從而卡緊鉆桿。從原理上看，上卡盤卡緊主動鉆桿時所能提供的徑向壓力完全是碟簧提供的彈力所轉化的，當鉆孔中鉆具長度不斷增加，回轉阻力不斷加大，但碟簧其自身隨著使用時間長，出現疲勞破壞情況下，所能提供的彈力就不足以支持上卡盤卡瓦完全壓住主動鉆桿。壓力一旦減弱，就會出現主動鉆桿打滑現象，主動鉆桿和上卡盤卡瓦之間產生滑動摩擦，急劇磨損上卡盤卡瓦和主動鉆桿，降低接觸面摩擦系數，如果不及時更換主動鉆桿和上卡盤卡瓦，則需要更大的壓力來滿足所需，碟簧顯然無法提供更大的壓力，這是碟簧卡緊油缸松開結構自身的缺陷，通過更換碟簧、主動鉆桿及上卡盤卡瓦來暫且緩解問題，不僅無法達到平穩生產需求還會增加施工成本，降低生產效率。

解決辦法是將上卡盤更換為液壓齒條齒滾卡盤。上卡盤托架通過油缸活塞作上下運動而同向運動，從而帶動齒條整體上下運動，并使齒桿旋轉。齒桿兩段的左右絲扣通過螺帽連接到卡瓦座上，在帶動卡瓦座移動的同時實現卡瓦的徑向移動，最終達到卡緊鉆桿或松開鉆桿的目的。如此更改，卡瓦對主動鉆桿的壓力由液壓油缸的推力轉化而來，不存在碟簧的疲勞破壞現象。對于液壓油缸所產生的推力也可通過隨時加大油泵壓力或增加油缸缸徑來增加，杜絕主動鉆桿打滑或夾持能力不足的現象出現。

3.4 液壓油路的改進

油路系統中的壓力油，應用20#機械油，代號HJ-20(GB443-64)舊牌號為3#錠子油，雖另可選用其他液壓油，但需保證再油溫50℃的運動粘度在17～23(m^2)/s。但隨著孔深增加，高壓工作時間不斷延長，會使液壓油溫度不斷上升，運動粘度急劇減少，齒輪油泵無法產生充足壓力。此外，油溫過高也會導致液壓油本身氧化加速，降低液壓油的使用壽命。且隨著溫度增加，液壓元件可移動部位的油膜變薄，增加滑動摩擦阻力，導致元件磨損加劇。橡膠密封件也會因為溫度影響，提前失效老化，喪失密封性能，使用壽命顯著降低。而時常更換液壓油、零件及密封圈就會增加生產成本，降低工作效率。

液壓系統中產生的熱量由系統各散熱面通過熱輻射形式散發到外界中，對于鉆機來講，管路散熱小，熱量主要通過油箱發散出去。當只考慮油箱散熱時，鉆機液壓系統的散熱功率為：

式中，Pc為液壓系統散熱功率；K為散熱系數，其值按表4選擇選擇；A為油箱散熱面積；Δθ為油箱溫度與環境溫度之差。當液壓系統中的散熱功率小于發熱功率，液壓油溫度就會不斷增加。隨著Δθ不斷增大，散熱功率增大到與發熱功率相等，液壓油才會停止升溫，并維持在高溫狀態。

以往的解決辦法只有暫停工作，等自然冷卻降溫。但由于機臺大多配備塔衣，鉆機通風較差，只通過空氣散熱很難盡快將熱量散發掉，需要長時間散熱才能將油溫下降到合理區間，嚴重耽誤生產進度，白白增加輔助時間。且再度工作時，油溫又會快速升高，所以此舉無異于揚湯止沸，沒有解決問題。根據公式可知，為了增加散熱功率，可以增加油箱散熱面積，我們也嘗試在XY-6B鉆機上加裝散熱副油箱。但受鉆機本身體積限制，通過增加油箱散熱面積來增加散熱功率方面提升有限，該XY-6B鉆機使用過程中，油溫還是維持在相當高位。通過表3可知，通過設置循環水冷卻來替換通風冷卻，在相同情況下可使散熱功率提升12～19倍，能生產滿足需求。所以為油缸添加水循環冷卻系統，通過兩根油管將液壓油導入到散熱管中，并將散熱管置于冷水中，通過不斷更換冷水從而帶走液壓油中的熱量，達到降溫目的。

表3 散熱系數值

4 改進效果

XY-8鉆機完成改進后，赴山東招遠水旺莊3000米科鉆項目施工。該孔是招平斷裂帶第一深孔，為山東省2018年度公開招標項目，也是山東地礦局重點項目。該孔自2018年8月19日開鉆，2019年4月11日終孔，最終孔深3000.58m，效率顯著。

該孔設計孔深3000m，φ122繩索取芯鉆深至980m，φ98繩索取芯鉆深至2114m，Φ71繩索取芯鉆深至3000.58m，施工期間，鉆機共大修0次，修理油泵3次，更換水籠頭軸承4次，圓滿完成了鉆探任務。相較以往，一定程度上減少維修次數，獲得機臺的好評。

5 結束語

本次改進后的XY-8型鉆機在提供更高轉速的同時，跳擋現象及上下卡盤夾不住主動鉆桿的現象消失；提下鉆過程中，水剎車運轉良好；連續高強度操作液壓系統也不會使油溫升高。鉆機在整個施工過程中運轉良好，沒有發生嚴重機械事故，極大減少輔助時間。通過此次成功改進，施工作業人員也體驗到要跟隨時代，時刻改進改善設備，保持設備先進性，謀求高質量發展。也為改裝其他同類產品提供思路，起到借鑒、引導意義。