潜孔钻机卸杆机构方案的设计与研究

潜孔钻机卸杆机构方案的设计与研究

潜孔钻机卸杆机构方案的设计与研究

赵宏强1，2谢武装1蒋海华1何清华1，2

( 1.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083

2.湖南山河智能机械股份有限公司，湖南长沙星沙开发区 410100 )【摘要】本文全面分析了当前国内外各种钻杆接卸装置的发展趋势及其工作性能的优缺点，在此基础上提出了基于全液压接卸钻杆装置的改进方案。并根据潜孔钻机的钻孔过程的功能要求及其工作性能对凿岩品质的影响，研究确定了潜孔钻机的接卸钻杆装置的液压控制系统。实践表明，该卸杆机构在当前潜孔凿岩矿山中作业方便，卸杆效率高，安全性好，同时也有效地提高了钻杆的使用寿命。

【关键词】潜孔钻机卸杆装置卡杆油缸液压控制

1 概述

接卸钻杆作为潜孔钻机钻孔的主要工序之一，经历了靠人工或半机械化接卸钻杆发展到机械化、机械——液压综合方式以及全液压化接卸钻杆。潜孔钻机接卸钻杆装置的性能不但关系到工人的劳动强度和生产的安全性，而且直接影响钻杆的使用寿命和钻机的效率。

1.1 国内外发展现状

当前国内外接卸钻杆装置主要有如下五种类型：

1）人工垫叉—卸杆油缸式的钻杆接卸装置

瑞典Atlas Copco公司早期生产的Roc306潜孔钻机和国产DQ150J潜孔钻机接卸钻杆装置就是采用的人工垫叉—卸杆油缸式的钻杆接卸装置。该类型的钻杆接卸装置在国内露天潜孔钻机中应用广泛，它的不足之处就在于需要人工操作来参与卸杆，危险系数大，工作效率也较低。

2）液压垫叉—卸杆活塞式钻杆接卸装置

美国TWR米申公司600—U型潜孔钻机就是采用液压垫叉—卸杆活塞式钻杆接卸装置来接卸钻杆的。该钻杆接卸装置与人工垫叉式—卸杆油缸式的钻杆接卸装置相比就是采用了液压垫叉，免去了人工的劳动降低了危险性，卸杆效率有所提高。

3）液压垫叉—卡杆油缸——活塞卡套式接卸钻杆装置

这种接卸钻杆装置的回转头上配有气动卡杆装置。在液压垫叉—卸杆活塞式钻杆接卸装置的基础上做了进一步的改进同时采取的卸杆方式也有所不同。

4）连杆—油缸型接卸钻杆装置

宣化风动机械研究所研制的连杆—油缸型接卸钻杆装置，主要由上下卡杆器和一个卸杆油缸组成，每个卡杆器由一卡杆油缸、卡爪、连杆机构等组成。驱动卡杆油缸经过连杆机构可实现对钻杆的夹紧和松夹。每个卡杆器可单独或同时控制，实现对钻杆的夹紧和松夹。当两对卡杆器分别卡住相邻两根钻杆时，驱动卸杆油缸使上下卡杆器相对转动，即实现对钻杆间螺纹的拧松。

5）全液压型钻杆接卸装置

瑞典Atlas Copo公司生产的M177、Simba261潜孔钻机采用的就是全液压型钻杆接卸装置。这种装置不但能够接卸钻杆，而且对钻杆起开孔导向的作用。

1.2前各种钻杆接卸装置工作性能的分析

人工垫叉—卸杆油缸式的接卸钻杆装置需要人工垫叉、人工移动和拆装卡杆叉，工人的劳动强度较大，卸杆时间长。液压垫叉的卸杆装置比人工垫叉方式的卸杆装置卸杆方便，节省卸杆时间，但这两种装置在卸杆时采用回转头内的卸杆活塞或卸杆卡套配合卸杆，使回转头结构较复杂，增加了压力密封点；而且在卸杆时必须提供压气。对于钻杆还必须加工出花键或止动平键，使钻杆结构复杂，提高了钻杆成本。对于液压垫叉—活塞卡套式卸杆装置，最后松开回转头与钻杆连接还需要人工完成，降低了卸杆效率。而且该装置还存在一个隐患，即首先回转头与钻杆连接螺纹拧松后上提钻杆，此时如果连接螺纹有一定磨损，就容易出现脱扣落杆的危险。从这一点来说，其钻杆的使用寿命较低。

上述分析的三种利用垫叉结构的卸杆装置，在钻杆的上部、下部需加工出部分方头结构，削弱了钻杆强度，降低了钻杆的使用寿命。而且在卸杆时，必须将钻杆的方头位置与垫叉的方口位置相对应，使操作复杂化也影响卸杆效率。另外，该三种钻杆接卸装置，由于利用垫叉卸杆，因此不能利用该装置直接卸钻头。卸钻头时，还须另配备、安装专用的设施，对于钻凿磨蚀性很大

的岩石，如铜炕锡矿钻头使用不到100米的情况，会增加很多附助作业时间，对钻机的生产效率影响很大。从有关的潜孔钻机接卸钻杆工作原理可知，钻杆的接卸过程中，回转头主轴螺纹与钻杆联结或脱开比较频繁，因此最易磨损。为了保护回转头主轴螺纹，现一般在主轴前加一短接。对于采用卸杆活塞和卡套式结构的，由于结构所限制，不能加短接，因此主轴或钻杆接头的螺纹易磨损。

对于连杆—油缸型卸杆装置相对全液压控制的卸杆装置而言，成本较低，但加工的零件较多，且该装置的卡爪、铰接轴的单边磨损会造成上下卡杆器不同心，使钻杆受到弯曲应力，引起卸杆困难。

因此，当前各种钻杆接卸装置以全液压控制的钻杆装置性能较佳，它具备钻机钻孔作业的功能要求。但现有全液压控制型的钻杆接卸装置在工作中也存在一些需要研究解决的问题，它主要存在如下缺点：卡杆器的夹紧力过大且存在困油现象、卡杆缸内层密封件易损，使导向性能降低、卡爪连接螺钉易断等。基于上述原因，因此本文提出了一种基于全液压控制的新型潜孔钻机卸杆装置。

2. 全液压卸杆装置工作原理

图1为全液压卸杆装置的结构简图，主要由A、B两个卡杆器和一个卸油缸3组成。每对卡杆器有一个卡杆架1、卡杆架中

对称安装一对卡杆油缸4、卡杆油缸端部安装卡爪2。每对卡杆器在卡杆油缸的作用下均可实现钻杆的夹紧或松夹。当A、B卡杆器分别夹住相领两根钻杆时，驱动卸杆油缸，A、B卡杆器可相对转动一定的角度，实现对两根钻杆间螺纹连接的拧松。

这种卸杆装置，不但能够接卸钻杆，而且可对钻杆起开孔导向的作用。由于其卡杆油缸是一双行程油缸，经过液压控制可实现油缸的两种行程，长行程为卡杆状态，短行程时卡爪与冲击器间有微小的间隙（间隙可调）可实现钻机开孔时对冲击器起导向控的作用。

图1全液压卸杆装置的结构简图图2卡杆油缸结构简图

3. 钻杆接卸装置方案及控制系统的研究

3.1卡杆油缸的结构方案

由上述卸杆装置的工作原理可知，卡杆油缸的工作行程不但需要满足夹持钻杆的行程要求，而且需要满足卸钻头夹持冲击器的要求，同时起导向控制时，行程应合适，且可调；夹紧力的大

小应合理并可随钻孔深度的不同方便地调节夹紧力；卡爪与卡杆油缸的连接可靠。因此卡杆油缸采用如图2所示的结构方案，它的工作原理如下：C腔通压力油、B腔回油，油缸活塞杆1伸出，实现对钻杆及冲击器的夹持；B腔通压力油、C腔回油，活塞杆回退，实现松夹；当D腔通压力油，B腔回油，C腔吸油，活塞杆伸出到一定位置K口使B、D腔相通，活塞不再伸出（伸出位置由调节杆3调节），实现钻机开机对冲击器起导向作用；B腔进油，C、D腔回油，活塞杆回退。因此该结构的卡杆器可实现接卸杆和导向控制的两种功能。

3.2 液压控制系统

如图3为所该钻杆接卸装置液压控制系统原理图。其工作原理：操纵换向阀9可实现1与2、3与4两对卡杆油缸的导向控制；操纵换向阀8或10可实现卡杆油缸1与2或卡杆油缸3与4油缸杆前端卡爪同时伸出或缩回，实现钻杆的夹紧或松夹，夹紧力的大小改变可经过调节背压阀5的压力来实现。当两对卡杆油缸分别夹紧相邻两根钻杆或钻头与冲击器时，驱动卸杆油缸6，可实现对其联结螺纹拧松。

该控制方案在每一对卡杆油缸活塞杆伸出时，卡杆油缸D腔体积增大，能够经过过油路补油。而在卡杆油缸活塞杆缩回时，D 腔体积减小能够回油，因此不会出现“困油现象”。因此该卡杆方案及其液压控制系统在实现接卸钻杆与对钻头导向控制两种功能时，不会发生干涉，产生闭死油腔困油，损坏密封元件。

图3 钻杆接卸装置液压控制系统图

3.2 卡杆油缸的结构参数

由上述钻杆接卸装置的工作原理可知，可推导出下面的相应

的力学分析：

卡杆油缸的结构尺寸满足：

P S A C －P B A B = F 2 （3.1）

P S A D ＞P B A B （3.2）

上两式中：P S —为系统油压力；

P B —为B 腔回油压力；根据钻孔深度不同，B 腔的回油

压力（即背压力）应可调，使卡杆缸夹住钻杆的作用力F 合

理。因此 对于D 腔的结构尺寸，应满足P B 为最大时，能

实现导向控制功能； A C 、A B 、A D —分别为C 、B 、D 腔油压有效作用面积。

而卡杆器的夹紧力F 2主要满足卸杆时夹紧钻杆不滑动和夹住孔内

钻具不下滑的要求，其作用力要求为：

卸杆不滑动时： `20ZMAX

g M F d f ≥? (3.3)

夹杆不下落时： ``120

MAX W H q F f +?≥ (3.4) 上面两式中： M ZMAX —卸钻杆螺纹连接时所需的最大力矩； d g —钻杆外径；

f 0 —卡爪与钻杆间的磨檫系数； W 1 —冲击器

钻头质量；

H MAX —钻凿炮孔的最大孔深； q —每米钻杆

质量。

因此卡杆器夹紧力的大小要满足上式3.3和3.4的要求，希望越小越好，有助于提高钻杆寿命，即希望满足上两式要求时，背压力越大越好，但最大时应满足式3.2的要求。而对于式3.1由于A 1≤A 2，在导向时稍有背压，活塞所受作用力较小，运动速度缓慢。当背压力较高时，可能P 1A 1≥P 2A 2，使卡杆器导向功能不能实现，由于两种工作状态不能兼顾，因此只好将背压力P 2调的较低，实际上在卸杆或接杆时使钻杆受到很大的夹紧力。

综上所述，卡杆器夹持钻杆的作用力应满足在卸松杆间或钻杆与回转头间螺纹连接时夹持钻杆不滑动，以及夹持最大重量钻具时不会落下，从这方面来说卡杆器夹持钻杆的作用力应尽量大些，但该作用力太大对钻杆使用寿命有很大的影响。现有资料及潜孔凿岩实践表明，怎样确定卡紧力的合理值尚无理论依据，也无实践总结。因此还有待于对卡杆器夹紧力进行进一步理论研究与分析。

4 结语

实践表明，该卸杆机构的设计方案成功地解决了如何实现接卸和导向控制功能，消除了接卸钻杆装置中存在的困油现象，提高了密封件的使用寿命，它具有作业方便，卸杆效率高，安全性好等优点。可是由于篇幅有限，本文没有对如何以提高钻杆使用寿命为设计准则来确定最优卡紧力进行进一步的专题分析研究，该研究还有待于进一步的深入分析。

参考文献

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采掘设备的液压传动计算和结构［M］,北京:燃料化学工业

出版社,1973

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本项目为湖南省科技计划重点项目《一体化液压潜孔钻机》，项目编号为05GK1001。