BG型鉆桿排放設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

和國(guó)磊，許本沖，秦如雷，劉曉林，馮起贈(zèng)，劉家譽(yù)

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 概述

傳統(tǒng)車載鉆機(jī)接卸鉆桿依靠人力將鉆桿放置到小車上，由鉆工把小車推到孔口位置，再由卷揚(yáng)將鉆桿吊至豎直狀態(tài)，鉆工用手扶住鉆桿進(jìn)行上扣;卸鉆桿時(shí)，由鉆工將鉆桿下端放在小車上，配合卷揚(yáng)機(jī)下放將鉆桿至于水平狀態(tài)。這種接卸鉆桿的方式存在著效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、具有安全隱患等缺點(diǎn)。

為了解決上述問題，研制設(shè)計(jì)了BG型鉆桿排放設(shè)備。BG型鉆桿排放設(shè)備是配合SDC系列全液壓車載動(dòng)力頭鉆機(jī)研制的，具有排放、舉升、運(yùn)移、夾緊等功能，主要配合鉆機(jī)使用，達(dá)到自動(dòng)上卸鉆具的目的，同時(shí)可作為現(xiàn)場(chǎng)輔助吊裝設(shè)備使用。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿接卸、擺放、夾持的機(jī)械化，可大大減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前該設(shè)備已經(jīng)完成了樣機(jī)，并配合SDC1500型鉆機(jī)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)，取得了一定的應(yīng)用效果。

2 設(shè)備的研究設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

BG型鉆桿排放設(shè)備(見圖1)由底座、行走架、行走裝置、機(jī)械手、夾持器、操控臺(tái)等6部分組成。底架由4個(gè)支腿固定支撐在地面上;行走架與底座焊接成一體，行走裝置通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)在行走架的導(dǎo)軌上移動(dòng);機(jī)械手通過一個(gè)回轉(zhuǎn)軸承連接在底座上，可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，機(jī)械手由大臂、小臂、抓手組成;夾持器通過法蘭安裝在行走架的前端，由油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作。

圖1 BG型鉆桿排放設(shè)備圖

BG型鉆桿排放設(shè)備采用全液壓驅(qū)動(dòng)，油源取自車載鉆機(jī)，所有動(dòng)作均由一個(gè)泵供油實(shí)現(xiàn)，設(shè)備操控采用電液控制，由電控手柄以及液控閥集成控制。

2.2 設(shè)備的主要部件設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械手

機(jī)械手為該設(shè)備排放鉆桿的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)有抓放、升降、回轉(zhuǎn)等功能。其設(shè)計(jì)形式見圖2。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

機(jī)械手由機(jī)械結(jié)構(gòu)件與液壓部件組成。結(jié)構(gòu)件包括機(jī)座體、變幅臂、小臂和抓手活動(dòng)臂;液壓部件包括動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和抓手油缸。該機(jī)構(gòu)通過多種油缸伸縮組合驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，將地上的鉆桿擺放到鉆桿擺放架上。

機(jī)械手的作用是抓取排放鉆桿，在其變幅、伸縮機(jī)械臂的同時(shí)，鉆桿與變幅臂等部件的自重對(duì)安裝在機(jī)座體下部的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的傾覆力矩也會(huì)產(chǎn)生變化。因此，需要分析其力矩變化時(shí)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的安全性，以確定設(shè)備整體的性能。

傾覆力矩計(jì)算公式:

式中:M——力矩;F——總載荷;L——力作用點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的距離。

根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)件尺寸和材料性質(zhì)，可得變幅臂、斗桿油缸、小臂、抓手油缸和抓手活動(dòng)臂及銷軸組件總質(zhì)量m1=423 kg，機(jī)座體質(zhì)量m2=181 kg。按照最大載荷原則，按抓取159 mm鉆鋌做計(jì)算，鉆鋌質(zhì)量m3=1.3 t?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所承受總軸向力Fα'=19 kN，徑向力Fr=0。驗(yàn)證回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的安全性，需要計(jì)算其在最大傾覆力矩情況下的狀態(tài)，由于總載荷為設(shè)定的定值，則需要選擇鉆桿與機(jī)座體最遠(yuǎn)距離處。機(jī)械手圍繞機(jī)座體為軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，可以據(jù)圖2分析，斗桿油缸縮至最短，鉆桿與機(jī)座體上鉸軸在同一水平面時(shí)，鉆桿與機(jī)座體產(chǎn)生最遠(yuǎn)距離，如圖3所示。該距離實(shí)測(cè)值為L(zhǎng)1=2312 mm。此距離只為鉆桿與機(jī)座體距離，結(jié)構(gòu)件需應(yīng)用重心法。由于結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量較小，可以當(dāng)做沿長(zhǎng)度方向上均勻的實(shí)體，因此重心取其中位，則重心到機(jī)座體的水平距離L2=1156 mm。據(jù)上分析，最大傾覆力矩為33.54 kN·m。

由于本設(shè)備非高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此采用靜態(tài)工況校核。按照廠家提供的單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，校核應(yīng)按承載角α=45°和60°兩種工況進(jìn)行，兩種工況下安全系數(shù)fs均選取為1.25。

圖3 機(jī)械手最長(zhǎng)狀態(tài)簡(jiǎn)圖

承載角 α=45°時(shí)的校核公式[1]為:

計(jì)算得:Fα'=23.8 kN，M'=44.3 kN·m。

承載角α=60°時(shí)的校核公式為:

計(jì)算得:Fα'=29 kN，M'=54.2 kN·m。

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩種工況下的軸向力和傾覆力矩計(jì)算出之后，又根據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)承載曲線圖(圖4)，可以將計(jì)算出的數(shù)值在圖中描出兩點(diǎn)，若有一點(diǎn)處于承載曲線之下，那么該回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選用是合適的。

圖4 四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)承載曲線圖

從圖4中可以看出，機(jī)械手在抓取最大重物并將機(jī)械臂伸至最長(zhǎng)時(shí)，其載荷繪制的點(diǎn)仍在曲線下方，因此機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選用是合適的。

2.2.2 夾持器

夾持器起到夾持鉆具，為鉆桿提供反扭矩的作用，以便動(dòng)力頭反向回轉(zhuǎn)卸扣。夾持器設(shè)計(jì)形式見圖5。

夾持器由安裝在保持架上的夾持體、卡瓦和夾持油缸組成。通過夾持油缸的伸縮，驅(qū)動(dòng)夾持體夾緊與松開，而與夾持體連接的卡瓦通過安裝的牙板抱緊鉆桿。夾持器夾緊鉆具狀態(tài)見圖6。

圖5 夾持器設(shè)計(jì)圖

圖6 夾持器工作狀態(tài)圖

夾持器的主要作用是為鉆桿在動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)時(shí)提供反扭矩以完成卸扣。在設(shè)計(jì)時(shí)卡瓦牙板需達(dá)到一定的硬度才能夠保證該機(jī)構(gòu)起到作用并能長(zhǎng)久使用。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定牙板材質(zhì)選取為35CrMo，并經(jīng)調(diào)制、滲氮處理;采用圓弧面鋸齒形布置，牙板布齒結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于工作中卡瓦牙板有壓入鉆桿的可能，查閱資料得知，該種材質(zhì)和牙形與114 mm外平鉆桿的摩擦系數(shù)μ為0.8[2]。

圖7 卡瓦牙板布齒結(jié)構(gòu)圖

牙板硬度達(dá)到使用要求的同時(shí)，夾持器需達(dá)到一定的夾持力，才能夠保證夾持器為鉆桿提供足夠大的反扭矩，以保持卸扣時(shí)不隨動(dòng)力頭轉(zhuǎn)動(dòng)。夾持力由夾持油缸提供、夾持體傳遞，夾持器夾緊鉆桿時(shí)力的作用如圖8所示。

圖8 夾持器工作受力圖

根據(jù)夾持器的設(shè)計(jì)尺寸，L1=320 mm，α=72°，L2=380 mm，β =52°，F(xiàn)2是油缸推力，結(jié)合力矩平衡公式可以推導(dǎo)出施加在鉆桿上的合力F1為:

將F1分解為徑向力和切向力后，可知徑向力Fr為鉆桿的最終有效作用力。由于牙板間隔90°分布，F(xiàn)r可以按下述公式計(jì)算:

此時(shí)可以根據(jù)徑向力、摩擦系數(shù)以及鉆桿直徑計(jì)算夾持反力矩:

式中:T——反力矩;f——牙板與鉆桿間摩擦力;D——鉆桿直徑;μ——牙板與鉆桿間摩擦系數(shù)。

只要式中T值接近動(dòng)力頭的反轉(zhuǎn)力矩，那么夾持器就能夾緊鉆桿正常卸扣。

SDC1500型鉆機(jī)動(dòng)力頭最大扭矩為16000 N·m，根據(jù)該值推算的油缸夾持力為25.64 t，BG型布管機(jī)的主要作用是鉆具的固定和擺放，實(shí)際使用中最大上、卸扣扭矩不能超過該值，因此油缸選擇為推力F2為25 t。按照以上步驟計(jì)算得出夾持器能夠提供的最大反力矩T為15600 N·m，該值足以保證應(yīng)用于1500 m深孔鉆探的接卸鉆桿工作。

2.2.3 液壓控制系統(tǒng)

BG型鉆桿排放設(shè)備采用全液壓驅(qū)動(dòng)，油源取自車載鉆機(jī)定量高壓齒輪泵，工作壓力20 MPa，由3根油管通過快速接頭與車載鉆機(jī)連接，并從鉆機(jī)取24 V控制電源。

設(shè)備液壓系統(tǒng)采用電、液先導(dǎo)控制:位于鉆桿排放平臺(tái)上的小車的浮動(dòng)與行走、機(jī)械手動(dòng)臂的正反轉(zhuǎn)及鉆桿夾持器的夾緊與松開由電磁換向閥控制，操作者操作位于設(shè)備操作臺(tái)雙軸手柄上的電氣按鈕即可實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作的便捷控制;動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和抓手油缸的動(dòng)作由位于設(shè)備操作臺(tái)上的雙軸手柄控制。

當(dāng)需要設(shè)備工作時(shí)，連接好液壓油管快速接頭及電氣航空插頭，操作者只需操作位于操作臺(tái)上的兩個(gè)雙軸手柄前后左右推動(dòng)，并配合按下或松開位于其上的電氣按鈕，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂、小車及夾持器的所有控制。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

BG型鉆桿排放設(shè)備組裝完成后，進(jìn)行了野外生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為山西省臨汾市賈得鄉(xiāng)五礦集團(tuán)鐵礦勘探項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，配套試驗(yàn)鉆機(jī)為SDC1500水井鉆機(jī)。該鉆機(jī)扭矩16000 N·m，提升力700 kN，動(dòng)力頭可抬頭，鉆井使用的鉆桿為114 mm外平鉆桿、127 mm外平鉆桿及159 mm鉆鋌。

加接鉆桿時(shí)，先把鉆桿滾動(dòng)到機(jī)械手初始位置，有機(jī)械手的抓手抓住鉆桿，抬動(dòng)臂、收斗桿，將鉆桿水平抓放到行走裝置上，行走裝置由馬達(dá)帶動(dòng)將鉆桿送到孔口位置，此時(shí)夾持器將鉆桿夾住，動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)，完成上扣、緊扣動(dòng)作。動(dòng)力頭由水平位置調(diào)整到豎直位置，鉆桿遠(yuǎn)端壓在行走機(jī)構(gòu)隨動(dòng)部分，配合底座上的定滑輪以及鉆機(jī)頂部的卷揚(yáng)吊臂將鉆桿立起，完成加接鉆桿動(dòng)作。卸鉆桿時(shí)，夾持器夾住鉆桿近端，動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)完成卸扣，鉆桿由行走機(jī)構(gòu)送到行走架中間，由機(jī)械手將鉆桿抓取放到地面上。整個(gè)接卸鉆桿的過程中，由鉆工在操作臺(tái)獨(dú)立控制完成，大大減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，在操作熟練的情況下，加接一根鉆桿需要約2 min時(shí)間。

4 結(jié)語

(1)BG型鉆桿排放設(shè)備設(shè)計(jì)合理，前期設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了科學(xué)的計(jì)算與校核，保證了其使用性能的可靠性;

(2)與SDC1500型全液壓鉆機(jī)配合使用，表現(xiàn)出全液壓設(shè)備機(jī)械化程度高的優(yōu)勢(shì)，極大減少了人力成本;

(3)在以后的設(shè)計(jì)中，會(huì)繼續(xù)拓展其能力，使其能夠應(yīng)用于更重鉆具的排放工作。

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