新型深孔立軸式回轉(zhuǎn)器的研制

魏治利

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長沙410007)

0 引言

近幾年來，政府加大了對地質(zhì)勘探的投入，地質(zhì)鉆探任務(wù)大幅增長，地質(zhì)勘探逐步向深部發(fā)展。在這種形勢下，從事巖心鉆探的隊(duì)伍迅速增多，鉆探設(shè)備需求量迅速增長。根據(jù)市場的需求狀況，我公司在2005～2009年相繼研制出了1500、2000 m等深孔鉆機(jī)。在鉆機(jī)設(shè)計(jì)過程中，為了提高零部件的通用性、互換性和可裝配性，提高整機(jī)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本與使用成本，采用了立軸式回轉(zhuǎn)器和彈簧卡盤，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

立軸式巖心鉆機(jī)是采用圓弧錐齒輪為回轉(zhuǎn)器的角傳動裝置將鉆機(jī)動力傳遞給鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)立軸以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的，通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程的加、減壓。因?yàn)榱⑤S式巖心鉆機(jī)具有消耗功率小、傳動效率高、制造使用成本低、對操作技能要求低、輔助時(shí)間短、處理事故能力大等優(yōu)點(diǎn)，目前仍然是國內(nèi)巖心鉆機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，占據(jù)了90%的市場份額。隨著我國新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，對各種礦產(chǎn)資源的需求強(qiáng)勁，巖心鉆探的技術(shù)難度加大，鉆機(jī)使用領(lǐng)域不斷地拓展，許多的大口徑工程孔都在應(yīng)用這一種類型的鉆機(jī)。為使立軸式巖心鉆機(jī)更好的適應(yīng)于新形勢下的地質(zhì)找礦與開采，拓展國產(chǎn)立軸式巖心的使用空間，我們吸收了國內(nèi)外全液壓鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，自行研制了更加可靠、方便使用的新型回轉(zhuǎn)器，提升了鉆機(jī)的整體工作效率。

1 回轉(zhuǎn)器概述與工作原理

回轉(zhuǎn)器的功用是傳遞動力，使鉆具以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、作正向或反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動。它位于機(jī)械傳動系統(tǒng)的末端，是機(jī)械傳動、液壓給進(jìn)的立軸式鉆機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，其結(jié)構(gòu)與性能必須滿足鉆進(jìn)工藝的下列要求。

(1)鉆頭克取巖石的轉(zhuǎn)速和扭矩是經(jīng)常變化的。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)一般轉(zhuǎn)速在100～500 r/min，金剛石鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速常在600～1500 r/min，鉆粒鉆進(jìn)只需100～350 r/min，三牙輪鉆頭轉(zhuǎn)速在100～650 r/min。

(2)孔內(nèi)特殊工序，要求回轉(zhuǎn)器能反向回轉(zhuǎn)，一般要求具有1～2個轉(zhuǎn)速為70～250 r/min之間的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

(3)回轉(zhuǎn)器應(yīng)有良好的導(dǎo)向作用，以便鉆進(jìn)時(shí)保證鉆孔的設(shè)計(jì)傾角。

(4)回轉(zhuǎn)器能在一定范圍內(nèi)變化傾角，鉆進(jìn)不同方向的鉆孔，以滿足地質(zhì)需求。

(5)回轉(zhuǎn)器的立軸通孔直徑，應(yīng)滿足所使用的鉆具要求。

(6)為了保證鉆頭的正常鉆進(jìn)和鉆進(jìn)質(zhì)量要求，回轉(zhuǎn)器應(yīng)做到回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，震動、擺動小。

我公司新研制的1500、2000 m等深孔鉆機(jī)，正是嚴(yán)格按照上述技術(shù)要求設(shè)計(jì)的。通過調(diào)研，充分汲取了同類型立軸式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的性能優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了運(yùn)行可靠，維修方便的目的。同時(shí)，整合了全液壓動力頭鉆機(jī)鉆進(jìn)行程長、卡盤夾持可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且操作方便，適用各種地層，因此客戶滿意度高。

2 主要部件結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2.1 回轉(zhuǎn)器

立軸式鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器與給進(jìn)裝置緊密結(jié)合成為一個整體?；剞D(zhuǎn)器立軸箱通過2塊半圓壓圈裝于分動箱上，松動壓圈螺母可以對鉆孔傾角在360°范圍內(nèi)任意調(diào)整。1500～2000型立軸式回轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)器的作用是傳遞動力，使鉆具以不同轉(zhuǎn)速和扭矩作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)正鉆具方向。它由立軸箱、橫梁、錐齒輪副、立軸導(dǎo)管、立軸及卡盤等主要零部件組成。其中立軸與卡盤，除傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動和扭矩外，還通過升降油缸與橫梁的作用，帶動鉆具上下運(yùn)動，傳遞給進(jìn)力和上頂力。

1500、2000 m等鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器的角傳動采用大圓弧錐齒輪下置式齒輪傳動，立軸導(dǎo)管兩端各用一盤角接觸軸承支承在立軸箱的鏜孔中，立軸導(dǎo)管內(nèi)孔與立軸間以六方截面作滑動配合，因而立軸既可隨導(dǎo)管轉(zhuǎn)動，又可在導(dǎo)管內(nèi)上下滑動。立軸通過卡盤將穿過其內(nèi)孔的機(jī)上鉆桿夾緊固定，故鉆具與立軸作正反同步運(yùn)動。立軸與卡瓦座之間采用雙平鍵聯(lián)接，拆卸方便，立軸下端有起輔助作用的手動卡盤。

經(jīng)表面熱處理的立軸裝于導(dǎo)管內(nèi)，立軸導(dǎo)管兩端的密封裝置可確保泥漿或其他污物不得侵入立軸導(dǎo)管內(nèi)。

回轉(zhuǎn)器2個給進(jìn)升降油缸有較大的加壓和上頂能力，以及900 mm長的給進(jìn)行程，除用作正常鉆進(jìn)工作外，也可用于強(qiáng)力起拔鉆具?；剞D(zhuǎn)器前部裝有根導(dǎo)向桿，其中左導(dǎo)向桿除具有導(dǎo)向作用外，還有標(biāo)尺功能。

2.2 下卡盤

下卡盤為手動機(jī)械卡盤，下卡盤傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動和扭矩，并幫助保持主動鉆桿的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在回轉(zhuǎn)器反轉(zhuǎn)時(shí)，保證立軸與上卡盤同步回轉(zhuǎn)。下卡盤為三卡瓦頂絲手動卡盤，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 下卡盤結(jié)構(gòu)

2.3 上卡盤

上卡盤采用常閉式液壓結(jié)構(gòu)，彈簧夾緊、液壓松開，三卡瓦自動定心卡盤，最大通孔118 mm，該卡盤具有夾持力大、體積小、質(zhì)量輕、更換卡瓦容易等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 上卡盤

此結(jié)構(gòu)是在我公司立軸式液壓卡盤的基礎(chǔ)上吸收了全液壓動力頭的優(yōu)點(diǎn)后設(shè)計(jì)而成的。該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是夾緊可靠，不傷主動鉆桿，卡瓦拆卸方便。

3 主要技術(shù)參數(shù)

通過充分的市場調(diào)研，參考了本公司同類型鉆機(jī)的技術(shù)性能，所設(shè)計(jì)的1500～2000型鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器技術(shù)參數(shù)為:

鉆機(jī)鉆孔傾角360°，18個扁鋼螺旋彈簧工作夾緊力145.6 kN，卡盤保持傳動鉆桿不打滑時(shí)承受外載荷最大頂力為210 kN。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，回轉(zhuǎn)器的主要技術(shù)參數(shù)完全滿足巖心鉆探、水文、水井、工程地質(zhì)、工程施工、鈾礦地浸開采孔等多種用途鉆進(jìn)的要求，立軸通孔直徑118 mm，便于使用89 mm×79 mm的六方傳動鉆桿，提高鉆進(jìn)的平穩(wěn)性，可適用于250～330 mm的三牙輪鉆頭。

4 回轉(zhuǎn)器應(yīng)用情況

1500、2000 m等新型深孔回轉(zhuǎn)器推上市場3年多以來，以其優(yōu)異的性能受到施工單位的青睞。在河南嵩縣項(xiàng)目施工中，巖心鉆探最大孔深達(dá)到2040多米，終孔直徑為114 mm。在新疆天山鈾業(yè)公司的地浸采鈾大通徑孔的施工中，鉆孔深610 m，終孔直徑254 mm。用戶普遍反應(yīng)該型鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)合理，回轉(zhuǎn)器裝卸方便、卡盤夾持穩(wěn)固、松開迅速、立軸起拔有力，特別是操縱方便、擺動小、噪聲低、扭矩大、更換卡瓦方便、維修難度小等。2000 m鉆機(jī)在新疆伊寧某工地使用現(xiàn)場見圖4。

5 結(jié)語

圖4 總體外觀照片

1500～2000型新型深孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器采用圓弧錐齒輪為回轉(zhuǎn)器的角傳動，由于其承載能力和運(yùn)轉(zhuǎn)性能較強(qiáng)等優(yōu)勢，隨著深孔鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，弧齒錐齒輪在回轉(zhuǎn)器角傳動中獲得廣泛運(yùn)用?；↓X錐齒輪與直齒錐齒輪相比，具有嚙合齒數(shù)增多、承載能力強(qiáng)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因而，作為本回轉(zhuǎn)器最終選定的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)該指出，下置式從動錐齒輪具有較好的滑潤條件，它在齒輪傳動中所產(chǎn)生的積極作用是不能忽視的。

回轉(zhuǎn)器卡盤中采用多組小彈簧產(chǎn)生夾緊力，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、更換容易等特點(diǎn)。橫梁中采用了滾柱軸承，其承載能力與穩(wěn)定性得到很大提升，更適用于大口徑孔鉆進(jìn)。立軸行程長，減少了倒桿次數(shù)，提高了工作效率，減少了孔內(nèi)事故等。因此，可以說，1500～2000型深孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器部分的結(jié)構(gòu)是典型的，合理的，技術(shù)性能是先進(jìn)的，可靠的。

［1］武漢地質(zhì)學(xué)院.巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計(jì)原理(第一版)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2000.

［2］鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［3］肖燕波，譚國平，等.立軸式巖心鉆機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的新思路［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(9):32 －34.

［4］彭一江，韓蘭新，等.新型高效節(jié)能立軸巖心鉆機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(10):23 －27.

［5］馬德義，覃勛平，付兆友.不同類型巖心鉆機(jī)在新疆黃山銅鎳礦鉆探施工效果對比［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(6):11－18.