巖心鉆機(jī)卡盤的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

馬福江,高杉,盧斌

(1.中國地質(zhì)裝備總公司,北京 100102;2.北京海光儀器公司,北京 100027)

金剛石取心鉆進(jìn)是目前巖心鉆機(jī)適用的主要工藝,由于金剛石鉆頭的碎巖機(jī)理與取心鉆進(jìn)的工藝特點(diǎn),要求鉆機(jī)的操作規(guī)程必須是高轉(zhuǎn)速、鉆壓穩(wěn)定,而卡盤——巖心鉆機(jī)上帶有鉆桿夾持通道的卡盤,其功能正是:傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與扭矩;傳遞軸向運(yùn)動(dòng)和給進(jìn)(起拔)力。能否牢固地卡緊鉆桿,穩(wěn)定地將主機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓傳遞到鉆桿、鉆具和孔底鉆頭上;能否迅速徹底地松開鉆桿,進(jìn)行快速倒桿,都將直接影響鉆進(jìn)能否順利進(jìn)行以及鉆探效率的高低。對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械立軸式巖心鉆機(jī)和先進(jìn)的全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī),卡盤作為一個(gè)獨(dú)立的核心部件,其能力大小、運(yùn)行可靠性以及拆卸方便性都顯得非常重要。

當(dāng)前,隨著國內(nèi)巖心勘探的不斷加深,對(duì)于深孔巖心鉆機(jī),尤其是對(duì)于其卡盤能力提出了越來越高的要求。2008年以來,在河北、山東、安徽等省區(qū)許多2000m以深的取心鉆探項(xiàng)目,最終沒有達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)深度,并不是主機(jī)回轉(zhuǎn)、提升、功率、地層等方面的障礙,而恰恰是因?yàn)榭ūP不能有效地傳遞扭矩和給進(jìn)(起拔)力,而不得不終止鉆探施工。同時(shí),一些深孔巖心鉆機(jī)的卡盤在拆裝高彈性碟簧的過程中不斷傳出人身傷害的消息。巖心鉆機(jī)在其不斷發(fā)展過程中,卡盤的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)始終是工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的核心內(nèi)容。本文就卡盤的要求,結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)計(jì)算等三方面給予闡述。

1 卡盤的基本要求

(1)夾緊時(shí),自動(dòng)定心,確保鉆桿與立軸的回轉(zhuǎn)同心度要好;

(2)回轉(zhuǎn)部分重量輕,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,回轉(zhuǎn)質(zhì)量分布均勻,動(dòng)平衡要好;

(3)有足夠的穩(wěn)定的夾持力,鉆桿不能發(fā)生軸向和周向的相對(duì)滑動(dòng);

(4)卡盤通徑要足夠大,需要通過相應(yīng)的鉆桿及接頭;

(5)卡盤的夾緊機(jī)鉤應(yīng)該有自鎖性能;

(6)卡盤夾持與松開鉆桿要迅速,松開完全徹底;

(7)夾持力分布均勻,夾緊時(shí)不應(yīng)損傷鉆桿表面;

(8)卡瓦硬度適當(dāng),耐磨,摩擦系數(shù)大;

(9)密封性好,不漏油,使用安全,操作方便,便于維修。

從以上要求可以看出,卡盤是一種有足夠夾持能力、與鉆桿適配、結(jié)構(gòu)獨(dú)特的安全傳動(dòng)裝置。

2 卡盤結(jié)構(gòu)分析

巖心鉆機(jī)的液壓卡盤,其結(jié)構(gòu)型式主要有三種類型:

(1)彈簧夾緊液壓松開常閉型卡盤,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,工作可靠,液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不影響卡盤的夾持能力;缺點(diǎn)是彈簧質(zhì)量不穩(wěn)定,容易破裂失效。常閉式卡盤有楔面式和連桿式兩種,楔面夾緊式卡盤徑向位移小,卡瓦磨損或鉆桿直徑變小時(shí),會(huì)導(dǎo)致夾緊力急劇下降。

采用楔面夾緊機(jī)構(gòu)卡盤(圖1)的有傳統(tǒng)立軸鉆機(jī) XY-2、XY-4以及長年-44、YL-10型鉆機(jī),以及大多數(shù)的全液壓巖心鉆機(jī)以及新研制的深孔立軸鉆機(jī)。不同點(diǎn)在于彈簧選擇的不同,XY-2、XY-4以及其他立軸鉆機(jī)采用的是一組大碟形彈簧(圖2),長年-44、YL-10及部分全液壓鉆機(jī)采用多組小碟形彈簧(圖3),長年LF-90、阿特拉斯 CS1000P6等機(jī)型采用多組氮?dú)鈴椈?圖4),國內(nèi)部分全液壓巖心鉆機(jī)采用多組高彈性矩形模具彈簧(圖5和6),另有外置油缸松開結(jié)構(gòu)(圖7)。采用連桿增力夾緊機(jī)構(gòu)卡盤的鉆機(jī)有 TXL-1E型和 TK-4型鉆機(jī)(圖8)。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

(2)液壓夾緊彈簧松開常開型卡盤(圖9)。這種卡盤的優(yōu)點(diǎn)是夾緊力可以根據(jù)鉆具重量等情況的變化進(jìn)行液壓調(diào)節(jié);卡瓦徑向位移大,體積小,重量輕。缺點(diǎn)是推力軸承在較大負(fù)荷下長期工作,高轉(zhuǎn)速下容易發(fā)熱;由于液壓閥和液壓缸的泄露,將引起油壓下降,夾持力不穩(wěn)定;彈簧復(fù)位時(shí),往往由于液壓夾持太緊,卡瓦不容易松開。膠囊式液壓夾緊卡盤屬于常開式卡盤,用于鉆石系列及原泰美克系列鉆機(jī)(圖10)。

圖10

圖11

(3)液壓緊松式卡盤(圖11),優(yōu)點(diǎn)是徑向力大,可以使用不帶尖齒的卡瓦,卡瓦與鉆桿接觸面大,卡瓦磨損小,也可以保護(hù)主動(dòng)鉆桿;夾緊力可以按照負(fù)載大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作可靠性差,長時(shí)間夾緊常常因油的泄露而松動(dòng);有時(shí)兩個(gè)齒條不同步,對(duì)中性不好。如 XY-5型鉆機(jī)的卡盤(圖12)。

圖12

巖心鉆機(jī)的機(jī)械卡盤,常用于某些小型巖心鉆機(jī)的上卡盤或深孔巖心鉆機(jī)的下卡盤。這種卡盤結(jié)構(gòu)簡單,加工方便,工作可靠,操作簡單,但是不能集中控制。主要有手動(dòng)卡槽式卡盤(圖13)、機(jī)械自動(dòng)定心卡盤(圖14)、頂絲卡盤等結(jié)構(gòu)型式。

圖13

圖14

3 卡盤的設(shè)計(jì)計(jì)算

巖心卡盤最常用的機(jī)構(gòu)為液壓松開彈簧夾緊常閉式液壓卡盤,利用液壓缸提供作用力直接或間接地驅(qū)動(dòng)夾緊元件來執(zhí)行對(duì)鉆桿的夾緊、松開動(dòng)作。我們以楔面式常閉液壓卡盤為例,簡化成以下力學(xué)模型(圖15):

以鉆桿為研究對(duì)象,做受力分析:

式中:G——為作用在鉆桿上的綜合載荷;

Py——為作用在鉆桿上的圓周力;

圖15

Pz——為作用在鉆桿上的軸向力;

N——為卡瓦作用在鉆桿上所必須的夾持力;

f——為卡瓦與鉆桿的摩擦系數(shù);

M——作用在鉆桿上的扭矩,N·m;

d——鉆桿外徑,m。

注意:摩擦系數(shù) f值與卡瓦齒實(shí)際所受到的單位壓力有關(guān)。當(dāng)單位壓力大于120～200M Pa時(shí),f為0.2～0.45;單位壓力為1000～1500M Pa時(shí),f為0.9。高壓下,卡瓦齒吃入鉆桿,因此其摩擦系數(shù)大大增加,在夾緊能力的計(jì)算中,卡瓦與鉆桿表面的摩擦系數(shù)一般取0.5。

以卡瓦為研究對(duì)象,做受力分析:

式中:N′——座板對(duì)卡瓦的支撐力;

N″——卡圈對(duì)卡瓦的正壓力;

f′——鋼對(duì)鋼平面摩擦系數(shù);

α——卡瓦斜面角;

以卡圈為研究對(duì)象,做受力分析:

式中:F——彈簧的預(yù)緊力。

由上述(1)(2)(3)(4)(5)公式推導(dǎo)得出:

根據(jù)上述公式,我們不難看出,卡瓦斜面角α是整個(gè)卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。α的大小取決于三方面因素:第一,α減小時(shí),所需彈簧的預(yù)緊力 F也相應(yīng)減小;第二,要保證卡盤松開時(shí)鉆桿通過空間和卡盤夾緊時(shí)夾持余量,卡瓦受液壓活塞系統(tǒng)推動(dòng)的軸向距離也要加大;第三,要考慮夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖性能要好,α不可過小。因此卡瓦斜面角α的選擇,要綜合考慮尺寸空間和夾持力的平衡關(guān)系,因?yàn)椴煌瑥S家相同規(guī)格的鉆桿接頭尺寸差別較大,在使用過程中鉆桿磨損情況嚴(yán)重,卡盤設(shè)計(jì)要為鉆桿通過時(shí)留有足夠的夾持余量。綜上分析,卡瓦斜面角α不宜取過小,一般α=6～9°,建議取大值。

通過以上的分析,可以看出,典型的中深孔巖心鉆機(jī)所采用的是彈簧夾緊液壓松開常閉式卡盤;立軸鉆機(jī)多用一組大直徑碟簧,全液壓鉆機(jī)為多組氮?dú)鈴椈?、小直徑碟簧或模具彈簧。無疑,后者在安裝和檢修時(shí)簡單方便,以及滿足卡盤夾持能力和大直徑卡盤通徑方面優(yōu)于大直徑碟簧,而孔口泥漿容易造成氮?dú)鈴椈傻膿p壞也是一個(gè)現(xiàn)實(shí)。在設(shè)計(jì)計(jì)算中,卡瓦接觸面積,f摩擦系數(shù)的設(shè)定,α的選定,都會(huì)影響卡盤的夾持能力。當(dāng)然,卡盤油缸的加工精度,卡盤外殼的動(dòng)平衡檢測(cè),卡盤多個(gè)內(nèi)錐度的一致性,也同樣重要,直接決定了鉆桿和立軸的同心度,回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性以及卡盤油缸的泄露和串油,也決定了卡盤運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

本文只是對(duì)于巖心鉆機(jī)卡盤的各種結(jié)構(gòu)型式和其適用主機(jī)進(jìn)行了匯總說明,同時(shí)也會(huì)持續(xù)關(guān)注各種卡盤在施工過程中的安全性、效率以及維修便利性,以期對(duì)巖心鉆機(jī)的卡盤設(shè)計(jì)提供更多的思路。