車載鉆機(jī)給進(jìn)托板失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒祖杰

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

車載鉆機(jī)主要用于水井、煤層氣抽采孔、煤礦電纜孔、通風(fēng)孔和應(yīng)急救援孔的快速施工，近年來(lái)又拓展其用途于地?zé)峥碧娇足@進(jìn)。我國(guó)從20世紀(jì)末開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外全液壓式車載鉆機(jī)，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，從完全依賴進(jìn)口逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。在此期間，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了多個(gè)車載鉆機(jī)生產(chǎn)制造廠家并推出多款機(jī)型。中煤科工集團(tuán)西安研究研究有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ZMK系列車載鉆機(jī)主要有ZMK5530TZJ60及ZMK5530TZJ100型2款產(chǎn)品[1-4]。

給進(jìn)裝置是車載鉆機(jī)的主體部分，集成了動(dòng)力頭、卷?yè)P(yáng)等功能部件。給進(jìn)托板導(dǎo)軌與給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌面接觸，旋轉(zhuǎn)座與底盤(pán)支撐架鉸接，兩者需配合完成鉆架立起、加壓鉆進(jìn)、減壓鉆進(jìn)、強(qiáng)力起拔、倒桿等工序，涵蓋了鉆進(jìn)作業(yè)的整個(gè)過(guò)程。作為車載鉆機(jī)受力最為復(fù)雜部件之一，給進(jìn)托板的良好性能對(duì)保證鉆機(jī)工作穩(wěn)定性及安全性具有重要意義[5-7]。

1 工作原理及受力分析

給進(jìn)托板工作原理圖如圖1。車載鉆機(jī)工作過(guò)程中，斜撐油缸伸長(zhǎng)推動(dòng)給進(jìn)裝置繞托板旋轉(zhuǎn)座與底盤(pán)支撐架鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，完成立起工序；按孔口布局要求伸縮托板油缸可調(diào)整孔口裝置距離地面的高度；鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整完成后將給進(jìn)托板用楔形銷固定于底盤(pán)支撐架上，與斜撐油缸、底盤(pán)支撐架配合，穩(wěn)固給進(jìn)裝置，保證鉆進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性[8]。

給進(jìn)托板受力示意圖如圖2。給進(jìn)裝置立起、下放過(guò)程運(yùn)用了杠桿原理，立起時(shí)，給進(jìn)裝置重力為阻力，斜撐油缸推力為動(dòng)力，下落時(shí)反之。立起初始狀態(tài)下，阻力力臂與動(dòng)力力臂比值最大（式(1)），阻力G為定值，故此時(shí)斜撐油缸作用于給進(jìn)托板上的推力F為最大值。給進(jìn)裝置集成的機(jī)架、動(dòng)力頭、卷?yè)P(yáng)、液壓大鉗、孔口裝置等部件總重m約35 t，即mg=3.5×105N。

圖2 給進(jìn)托板受力示意圖

式中：F為斜撐油缸作用于給進(jìn)托板上的推力；L1為推力的力距；m為給進(jìn)裝置總質(zhì)量；L2為重心與F之間的距離。

對(duì)車載鉆機(jī)三維模型進(jìn)行計(jì)算，求得給進(jìn)裝置重心位置，L1=0.9 m，L2=3.63 m。根據(jù)式（1）可得F=1.76×106N。

2 失效形式

60 t車載鉆機(jī)使用過(guò)程中，給進(jìn)托板出現(xiàn)變形及導(dǎo)軌啃噬損傷的問(wèn)題，給進(jìn)裝置立起和調(diào)整孔口高度時(shí)，托板油缸伸縮推動(dòng)托板移動(dòng)速度越來(lái)越慢，直至不動(dòng)，托板調(diào)整功能失效。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：給進(jìn)裝置立起過(guò)程中，給進(jìn)托板橫向最大變形量約6 mm，縱向最大變形量約5 mm。

給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌與給進(jìn)托板導(dǎo)軌配合面損傷，托板左側(cè)導(dǎo)軌劃痕長(zhǎng)度約1 000 mm，寬度約10 mm，深度約3 mm，斷續(xù)不均勻，右側(cè)導(dǎo)軌發(fā)現(xiàn)2處“凸”點(diǎn)，較大高點(diǎn)外形尺寸約為20 mm×10 mm×7 mm（長(zhǎng)×寬×高），較小高點(diǎn)斷續(xù)不均勻，長(zhǎng)約600 mm。配合縫隙產(chǎn)生鐵屑等夾渣，夾渣呈不規(guī)則顆粒狀，最大直徑可達(dá)4.2 mm。

3 失效分析

鑒于以上問(wèn)題，根據(jù)給進(jìn)托板受力與約束情況，利用Abaqus軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。60 t車載鉆機(jī)給進(jìn)托板Abaqus分析云圖如圖3。

圖3 60 t車載鉆機(jī)給進(jìn)托板Abaqus分析云圖

由分析結(jié)果可知：忽略個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)，60 t給進(jìn)托板在工作過(guò)程中平均應(yīng)力為239 MPa，處于正常范圍；最大變形量3.5 mm，出現(xiàn)在斜撐油缸座、油缸座筋板及與底板焊接部位，向底板垂直方向凹陷，迫使托板四周向反方向翹起，因底板尺寸較大體現(xiàn)為橫向和縱向變形放大。托板變形使導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)時(shí)受力不均衡，加上給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌與托板導(dǎo)軌均采用結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)后精加工而成，硬度梯度小，且缺乏潤(rùn)滑，導(dǎo)致導(dǎo)軌面產(chǎn)生疲勞啃噬?？惺尚纬傻蔫F屑等夾渣，進(jìn)一步造成導(dǎo)軌配合表面重復(fù)損傷，使托板運(yùn)動(dòng)阻力增大。

由此可見(jiàn)，給進(jìn)托板失效主要原因有3點(diǎn)：①托板底板剛性不足及受力點(diǎn)布置不合理；②給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌與托板導(dǎo)軌材料相近，硬度梯度小；③給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌與托板導(dǎo)軌接觸面缺乏潤(rùn)滑。

以上因素同時(shí)存在，相互影響，共同造成了給進(jìn)托板失效。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)失效原因，對(duì)給進(jìn)托板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)后的托板結(jié)構(gòu)如圖4。優(yōu)化后托板受力和變形云圖如圖5。

將斜撐油缸支座向兩側(cè)平移，增大L尺寸，使斜撐油缸推力更均勻地作用于兩側(cè)導(dǎo)軌上，避免托板底板局部受力過(guò)大導(dǎo)致變形。同時(shí)，在底板背面焊接網(wǎng)格形筋板，提高托板縱向和橫向的剛性，避免因局部變形導(dǎo)致托板周邊位移放大，阻礙托板正常滑動(dòng)。其次，將托板凹槽形導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為可拆解結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)軌條用螺栓安裝于托板底板上。增加了托板長(zhǎng)度和導(dǎo)軌條寬度，進(jìn)而擴(kuò)大了給進(jìn)裝置導(dǎo)軌與托板導(dǎo)軌條的接觸面積，減小因油缸推力及給進(jìn)裝置重力等對(duì)導(dǎo)軌接觸平面的壓強(qiáng)，減小導(dǎo)軌面疲勞破壞的幾率。另外，托板導(dǎo)軌條采用Tri-Braze高強(qiáng)度耐磨鋼板（硬度高、具備自潤(rùn)滑功能），給進(jìn)裝置下導(dǎo)軌材料和熱處理工藝不變，拉開(kāi)導(dǎo)軌接觸面的硬度梯度，并加工油鋸齒形儲(chǔ)油槽，通過(guò)潤(rùn)滑油加注孔可定期對(duì)導(dǎo)軌接觸平面進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑[9]。

圖4 托板優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖5 優(yōu)化后托板受力和變形云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的給進(jìn)托板結(jié)構(gòu)用于100 t車載鉆機(jī)上，并通過(guò)實(shí)鉆試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)位于晉煤集團(tuán)寺河礦三盤(pán)區(qū)，瓦斯含量高，地層條件復(fù)雜，為充分驗(yàn)證鉆機(jī)適應(yīng)性，鉆孔選址在盤(pán)區(qū)地層變化最大區(qū)域開(kāi)展。該井采用三開(kāi)鉆進(jìn)工藝，一開(kāi)采用φ311 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn)，井深57.4 m，二開(kāi)采用φ241.3 mmPDC鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，井深801 m，三開(kāi)采用φ171.5 mmPDC鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，終孔深度1 675.39 m[10]。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)給進(jìn)托板性能進(jìn)行了全程跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明：鉆機(jī)從入場(chǎng)到開(kāi)鉆，直至完鉆，給進(jìn)托板縱向橫向變形量均處于正常范圍；托板導(dǎo)軌潤(rùn)滑到位，未出現(xiàn)啃噬損傷和夾渣等情況，托板運(yùn)動(dòng)順暢。

6 結(jié)語(yǔ)

從60 t車載鉆機(jī)使用過(guò)程中給進(jìn)托板出現(xiàn)的問(wèn)題出發(fā)，采用Abaqus軟件分析，從理論上闡述了給進(jìn)托板失效的3個(gè)主要影響因素：底板剛度不足及受力點(diǎn)布置不合理、導(dǎo)軌硬度梯度小、導(dǎo)軌基礎(chǔ)面缺乏潤(rùn)滑。以上因素同時(shí)存在，相互影響，共同造成了60 t車載鉆機(jī)給進(jìn)托板失效。

通過(guò)有限元分析闡述失效原因，并作針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì),將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的給進(jìn)托板用于100 t車載鉆機(jī)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為車載鉆機(jī)系列化進(jìn)程提供了技術(shù)支撐，證明了該方法的可行性。