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1、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 2.湖南山河智能机械股份有限公司，湖南 长沙星沙开发区 )【摘要】本文全面分析了目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，该卸杆机构在目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
2、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仅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 国内外发展现状目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
3、式钻杆接卸装置美国TWR米申公司600U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。驱动卡杆油缸通过连杆机构可实现对钻杆的夹紧和
4、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。这种装置不仅可以接卸钻杆，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，
5、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
6、装置，由于利用垫叉卸杆，所以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，所以最易磨损。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，所以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
7、到弯曲应力，引起卸杆困难。所以，目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，所以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
8、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，不仅可以接卸钻杆，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，通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仅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
9、，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。所以卡杆油缸采用如图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。所以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
10、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通过调节背压阀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，能够通过过油路补油。而在卡杆油缸活塞杆缩回时，D腔体积减小能够回油，所以不会出现“困油现象”。所以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： PSACPBAB = F2 （3.1） PSAD PBAB （3.2）上两式中：PS为系统油压力；PB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。所以对于D腔的结构尺寸，应满足PB为最大时，能实现导向控制功能； AC、AB、AD 分别为C、B、D腔油压有效作用面积。而卡杆器的夹紧力F2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： (3.3)夹杆不下落
