自重夾持器的安裝改型設(shè)計(jì)

耿　印

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067001）

自重夾持器的安裝改型設(shè)計(jì)

耿印*

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德067001）

在地質(zhì)鉆探施工中夾持器是一不可或缺的組成部分。傾斜鉆孔施工，為保持鉆孔、鉆桿、鉆機(jī)立軸的同軸度，夾持器必須也要相應(yīng)墊高傾斜?，F(xiàn)在多數(shù)機(jī)臺多采用木板、木墩進(jìn)行墊高夾持器或孔口板的辦法。此方法比較簡單原始，抬高高度不準(zhǔn)確，且由于震動、磨損等原因極易發(fā)生夾持器的偏移，不利于鉆孔、鉆桿、夾持器的同軸度的保持影響施工鉆孔質(zhì)量；不利于鉆桿絲扣的維護(hù)；墊高夾持器、孔口板的方法，造成操作平臺，給施工操作帶來很大的不便。對自重夾持器的安裝進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，克服了以上存在的弊端，有利于深斜鉆孔的施工，以資大家借鑒。

自重夾持器；改型設(shè)計(jì)；簡單易行；性能可靠；利用價值高

1　自重夾持器的作用及分類

在固體巖芯鉆探施工中，夾持器是不可或缺的重要組成設(shè)備，其主要作用是擰卸鉆桿、鉆具時與鉆機(jī)的動力（或馬達(dá)）協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)鉆桿間的對接、脫離或鉆具、鉆桿及連接組件的拆卸等等。夾持鉆桿、鉆具，并保持平穩(wěn)，防止鉆桿鉆具的脫落或轉(zhuǎn)動。它是依靠鉆桿自重實(shí)現(xiàn)夾持器自動鎖緊的裝置，讓拆卸剩余部分鉆桿柱懸掛于孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鉆桿的分段提升或加長。因此其性能的好壞將直接影響到鉆探施工能否順利進(jìn)行和鉆進(jìn)的效率，甚至影響到鉆孔的質(zhì)量的好壞。巖芯鉆探中夾持器的種類很多，大體可以分為機(jī)械式和液壓式2種類型，機(jī)械式如木馬式自重夾持器、腳踏式自重式夾器（圖1）等。

2　自重式夾持器工作原理和結(jié)構(gòu)

在施工過程中，為實(shí)現(xiàn)鉆桿的加長或分段提升以及鉆桿鉆具連接組件的拆換時，需要鉆桿在孔口處分開，上部與鉆機(jī)主動鉆桿或絞車等提升裝置脫離，下部鉆桿依靠自重在夾持器的夾持作用下，卡瓦鎖緊鉆桿，保持平穩(wěn)懸于孔內(nèi)。當(dāng)完成鉆桿的加長、拆卸或組件的更換后，連接鉆機(jī)主動鉆桿或提升裝置并上提，夾持器失去鉆桿的自重作用，在腳踏板連接的凸輪上頂作用下，卡瓦松開鉆桿，提出卡瓦座，完成一次使用循環(huán)。

自重式夾持器由外殼體、卡瓦座、凸輪腳踏板3部分組成。外殼體與倆卡瓦座接觸部位是有焊接的楔面，利于卡瓦座的支撐和上提；卡瓦座由卡瓦座體、滾動滑輥、卡瓦等組成?？ㄍ唧w是一與外殼體斜面配套的楔形體，滾動滑輥安裝在卡瓦體上，減少摩擦阻力，利于卡瓦座的提出和安裝。卡瓦用內(nèi)角螺絲連接于卡瓦體上，材質(zhì)為高錳鋼，具有一定硬度和耐磨性能，表面有凹凸不平的麻點(diǎn)以增大夾持摩擦力；凸輪腳踏板一端是凸輪，一端是腳踏板，支點(diǎn)在卡瓦體外殼上，從人的操作點(diǎn)看是個省力杠桿，腳踏配合上頂卡瓦體。

圖1　是腳踏式自重式夾持器

本結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安全可靠，操作容易，維護(hù)方便，經(jīng)久耐用；在提升裝置的配合下，靠腳踏板踏下、放開2個動作即可實(shí)現(xiàn)卡瓦張開、閉合動作，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿的提升、加長和拆換組件時的夾緊功能。現(xiàn)在，腳踏式自重式夾持器在巖心鉆探生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

3　夾持器的安裝與使用現(xiàn)狀

實(shí)際使用中夾持器是與孔口板配合使用的，在孔口板上焊有限位角鐵，分別固定夾持器底殼四邊，使夾持器固定在孔口板上，防止使用時夾持器的水平左右挪移，不用時抬移方便（圖2）。夾持器安裝位置，應(yīng)保持其中心與鉆機(jī)立軸、鉆孔中心保持在同一直線上（同軸度），不能偏心，方能準(zhǔn)確夾持住鉆桿。鉆孔為直孔90°時這樣安裝絕對沒問題，但實(shí)際鉆探鉆孔常常為斜孔。鉆孔設(shè)計(jì)中心傾斜，要保持夾持器與鉆機(jī)立軸、鉆孔三者的同軸度，要求夾持器的中心也要相應(yīng)傾斜。圖3機(jī)臺現(xiàn)場采取墊高孔口板或圖4墊高夾持器外殼的方法是夾持器中心傾斜，保持與鉆孔、鉆桿的同軸度。

圖3　80°斜孔墊高孔口板

4　保持同軸度的重要性

夾持器與鉆機(jī)立軸、鉆孔中心處于同一軸線上，使鉆機(jī)主動鉆桿中心線、鉆孔中心線、鉆桿中心線保持重合，拆卸、對接主動鉆桿時操作方便、省力；三線重合在提升或加長鉆桿時有利于保護(hù)鉆桿絲扣，延長鉆桿使用壽命；三線重合鉆機(jī)鉆進(jìn)時不會出現(xiàn)孔口憋勁現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生鉆孔偏離原有設(shè)計(jì)軸線，有利于保障鉆孔質(zhì)量完好。圖5就是實(shí)際操作中因夾持器的偏移而發(fā)生了主動鉆桿與孔內(nèi)鉆桿上下不同軸的現(xiàn)象，造成對接主動鉆桿十分困難，而且很可能造成孔口憋勁、鉆孔跑偏現(xiàn)象。

圖4　75°斜孔墊高夾持器

圖5　因夾持器偏移出現(xiàn)不同軸現(xiàn)象

5　采用墊高孔口板或夾持器保持同軸度方法存在的主要問題

采用木板或木墩墊高孔口板或夾持器方法過于簡單，墊起高度的準(zhǔn)確性差，無法準(zhǔn)確保證同軸度；在實(shí)際施工中，由于墊高了夾持器的原因增大了夾持器的不穩(wěn)定性，在振動作用下夾持器極易偏離；抬高了孔口板造成孔口附近地板操作面高低不平，人員操作極不方便，容易發(fā)生人員安全事故；用于墊高孔口板或夾持器的木板和木墩，會因長時間的使用而磨損，致使夾持器的偏斜角度出現(xiàn)偏移而破壞原有的同軸度，需要經(jīng)常的調(diào)整。以上問題在深斜孔施工中尤顯突出。

6　自重夾持器的安裝方法的改型設(shè)計(jì)

改型設(shè)計(jì)方案：在不改變自重夾持器的其他性能的情況下，采用加寬夾持器的底座，增添2根絲杠來準(zhǔn)確調(diào)節(jié)夾持器的抬高高度。經(jīng)過受力分析，每根絲杠承載力F=1/4·cos·（G夾持器+G鉆桿），對于深孔來說G鉆桿是很大的，如普通繩索取芯鉆桿?71mm每米重量8.14kg，以1000m孔深為例G鉆桿=8.14t，每根絲杠承載力F要接近與2t力。為減少絲杠承受力，增加夾持器的穩(wěn)定性，我們必須要增加墊插板。具體改型做法如下：

（1）加寬底座方案腳踏式自重式夾持器底殼外形尺寸長530mm，寬290mm，高210mm。選取與夾持器底座相應(yīng)厚度（25mm）的45#鋼板，裁切成如圖6所示的形狀。底座三邊加寬寬度為100mm，前面做45°倒角，在加寬的三邊中心線交點(diǎn)A、B點(diǎn)，分別鉆一?50mm的通孔。分別以A、B通孔的中心為中心，在其背面銑一80mm×80mm方形沉孔，深10mm。以AB中點(diǎn)C為中心，銑一個長100mm、寬8mm、深8mm的凹槽，用以放置水平標(biāo)尺的水銀管用（水銀管水平標(biāo)尺以保證2根絲杠頂起高度一致）。為保障加寬邊與夾持器底殼焊接結(jié)實(shí)，加寬邊的內(nèi)邊進(jìn)行雙側(cè)倒焊腳45°，焊接于夾持器的底座上。

焊接要求：所有焊縫必須焊接牢固無砂眼；焊接是必須中心對正，底面水平；確保夾持器的中心點(diǎn)到AB線的距離為315mm；底面及焊縫進(jìn)行刨床找平。

（2）方坐內(nèi)螺母及絲杠加工 為增大承載力，把螺母的加工成下半部為四方形（80mm×80mm）的底座，上部為圓柱形（?50mm高度45mm）的螺母，與A、B點(diǎn)加寬邊的沉孔相吻合，如圖7所示。

絲杠絲扣規(guī)格為M36×（3～6）g，長350mm。底部加工成尖錐狀，錐高8mm，以減少受力接觸面積，也便于與孔口板固定。絲杠上部焊一直徑80mm鋼環(huán)，內(nèi)環(huán)直徑不低于30mm，以便于絲杠的旋動，見圖8。

（3）墊墊加工因?yàn)閵A持器被抬高底面會因高度不同與墊插板接觸角度也不同，所以墊插板加工成楔形墊插板和平墊插板2種類型。楔形墊墊1個，楔形厚度11mm，長度150mm（其左視圖見圖9）。每個平墊厚度11mm，根據(jù)需要加工若干。楔、平墊的投影形狀尺寸見圖9。加工時墊插板插口要求平滑，前端倒圓角，防止插入時碰壞絲杠扣。

7　安裝與使用

把孔口板上面左邊限位角鐵去掉，打磨光滑；把加工好的方座內(nèi)螺母件穿入A、B孔，旋入絲杠；放正夾持器，在絲杠尖正對處，平行夾持器中心線，分別在孔口板上向左銑一“V”槽，深度與絲杠錐尖相匹配，長度100mm，以固定夾持器防止夾持器前后移動；在C點(diǎn)水平標(biāo)尺凹槽內(nèi)放入帶有刻度的氣泡水銀水平珠，水平固定好；旋緊絲杠根據(jù)鉆孔傾斜角度確定夾持器的抬高高度，調(diào)整2根絲杠旋入長度，使水銀柱中的氣泡正中；插入墊插板及楔形墊插板，平墊要對齊，楔形墊根據(jù)實(shí)際傾斜角度確定插入深度，壓實(shí)即可。這樣固定就可以防止夾持器的左右前后的偏移（圖10）。

根據(jù)鉆孔傾斜角度確定夾持器的抬高高度方法：加寬后夾持器底面總長度為530mm+100mm=630mm，外緣邊抬起高度h=630×cosa，a為鉆孔傾斜角。下面是常用不同角度，相對加寬為100mm的腳踏式自重式夾持器邊緣抬高高度（表1）。從表1中不難看出鉆孔每傾斜增加1°，抬高高度恰好增加11mm。我們選用11mm厚鋼板做墊板恰好滿足我們的設(shè)計(jì)要求，方便利落。

表1　鉆孔不同角度夾持器左邊緣抬起高度

8　總結(jié)

本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時充分考慮到了絲杠、絲扣以及連接螺母件的承載能力，確保使用時安全性和可靠性，經(jīng)久耐用。

采用加寬底邊的方法改進(jìn)腳踏式自重夾持器的安裝方法，不改變夾持器的使用性能，改造簡單，使用方便，確保了夾持器安裝使用的準(zhǔn)確性。有利于保障鉆孔施工質(zhì)量，起到了保護(hù)鉆桿絲扣，延長鉆桿使用壽命，職工操作省時省力。即使直孔施工時也不影響夾持器使用性能。

就夾持器安裝操作而言，加寬邊的設(shè)計(jì)恰到好處，只要知道鉆孔的傾斜度，就可以確定夾持器抬高高度、墊插板的數(shù)量。例如89°的斜孔，只需墊1塊楔形墊版即可；傾角82°孔，參考本文的表1就知道抬高88mm，需要墊班8塊：1塊楔形墊板、7塊平墊板，抬起高度恰好是88mmm，把墊板插入整齊，調(diào)整水銀珠水平即可，并不需要再測量、計(jì)算抬高的高度（鉆孔75°時最多偏差1～2mm在誤差范圍內(nèi)允許，也可以微調(diào)楔形插板的插入深度進(jìn)行調(diào)整），有利于鉆桿、鉆孔、夾持器的同軸度保持，避免了原來墊高孔口板或夾持器造成工作面高低不平現(xiàn)象，整齊利落，操作十分方便。

在深斜孔的鉆探施工中，我們相信夾持器的安裝改型設(shè)計(jì)，改變了現(xiàn)行使用木板木墩墊高夾持器或孔口板的現(xiàn)狀，克服了原有弊端，而能得到廣泛的應(yīng)用！

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1004-5716（2016）01-0049-04

2015-01-30

2015-02-03

耿?。?970-），男（滿族），河北承德人，工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)施工與管理工作。