黃俊才

上世紀80年代中期，全國有數(shù)十家煤田地質勘探隊裝備了原煤炭部石家莊機械廠參照日本同類產(chǎn)品研制的TK-3型液壓立軸巖芯鉆機，并以此機型作為主要的鉆探設備，運用于煤炭地質鉆探金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的試驗。但在使用中發(fā)現(xiàn)，該機型的液壓卡盤及操縱機構，操作稍有不當，極易產(chǎn)生液壓卡盤失靈、卡死主動鉆桿的故障，且現(xiàn)場難以修復，必須更換設備才能恢復生產(chǎn)。即使是技術相當熟練的操作人員也難以避免。由于事故頻繁發(fā)生，嚴重影響了鉆探施工效率的提高和施工安全。因此，大多數(shù)煤田地質勘探隊因該機型存在的上述問題而棄置不用，造成巨大的浪費，甚至中止了金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的推廣應用。如何解決這一技術難題，重新啟用TK-3型鉆機，我局組織技術攻關，提出了兩套改造方案。

一、故障分析

1、故障產(chǎn)生及狀況

TK-3型鉆機在進行變速、取芯、倒桿、加接鉆桿等操作時都必須停車。此時，當立軸轉動未完全停穩(wěn)時，如操作液壓卡盤，瞬間即發(fā)生主動鉆桿被液壓卡盤的卡瓦卡死的故障。要恢復回轉功能，只有松開回轉器頂部壓套，取下蝶形彈簧才能松開卡瓦。但此時因蝶形彈簧被壓縮，其壓力為374．78KN，該壓力通過卡瓦導向座的斜面而產(chǎn)生增力，作用在卡瓦的徑向卡緊力約500KN左右。如此巨大的壓力，在現(xiàn)場是無法處理的，只有拆下回轉器，連同6米多長的主動鉆桿，運回隊部機修車間用專用機械才能修理。由此，既增加了修理難度、造成安全隱患、拖延工期還導致生產(chǎn)成本上升。

2、故障原因分析

由回轉器結構及工作原理可知，當鉆機停止鉆進，液壓卡盤內(nèi)卡瓦與六方鉆桿側面保持一定間隙，此時若離合器帶車或其它原因使立軸轉動，立軸帶動卡盤體、卡瓦同時轉動，即使只轉過很小的角度(小于30°)，卡瓦也會在極短的時間內(nèi)與六方鉆桿最大外徑接觸，鉆桿棱邊緊緊頂住并推動卡瓦，卡瓦被迫偏離正常的工作位置位移，卡瓦的斜面再推動導向座上升，使導向座超出正常高度而離開卡盤油缸的控制范圍，導致液壓卡盤失效。而導向座上升又迫使蝶形彈簧進一步壓縮，在蝶形彈簧的巨大強力作用下，卡瓦咬死鉆桿，此時液壓卡盤已失效，操作液壓卡盤已不能使卡瓦動作。

根據(jù)以上過程分析表明，故障的根本原因在于：卡瓦與六方鉆桿的平面位置不能相對固定并同步轉動，一旦卡瓦與鉆桿平面錯位，故障即發(fā)生，且時間極短暫，假定立軸每秒僅轉動一圈，那么相對鉆桿轉動30°角度僅十二分之一秒。根據(jù)測算，僅需轉動12°30′，鉆桿就能完全被擠死，其時間小于十二分之一秒，操作人員措手不及。TK-3型鉆機的使用說明書要求：“松緊卡盤時，立軸必須停止運轉”。由此可見，發(fā)生此類故障，人為的誤操作僅是外因，內(nèi)因是該設備客觀存在事故隱患。因此，要杜絕此類事故，只能消除設備內(nèi)部存在的缺陷，才能實現(xiàn)本質安全。

二、改進措施

方案A：根據(jù)回轉器結構及工作原理，只要確保立軸與主動鉆桿同步轉動，故障就不會發(fā)生。采取的措施是：在卡盤體與鉆桿之間加一個內(nèi)六方固定套，六方套與卡盤以花鍵配合，鉆桿通過內(nèi)六方套，三者形成一個整體，實現(xiàn)同步轉動。原卡盤體底部內(nèi)圓為一組內(nèi)花鍵，花鍵上方有約80mm的空間，按原花鍵的幾何尺寸向上延伸，與六方套外圓的花鍵配合，利用該空間即可裝配內(nèi)六方套。六方套材料為45#鋼，經(jīng)調(diào)質處理，硬度達32度。

方案B：根據(jù)原地質礦產(chǎn)部探礦機械廠生產(chǎn)的XY-5型鉆機立軸回轉器的工作原理，即在立軸上部裝有油壓卡盤，上卡盤油壓活塞上下移動，通過托架帶動齒條上下移動，再通過卡瓦座實現(xiàn)卡瓦的徑向移動，從而實現(xiàn)卡緊鉆桿或松開鉆桿的目的。采用整體XY-5型鉆機的立軸頭換下TK-3型鉆機蝶形彈簧的回轉器。在改造中應注意：

2、把TK-3型鉆機活塞軸采用焊接方式，改變成階梯軸，實現(xiàn)TK—3型鉆機兩個油缸活塞階梯軸與XY-5型鉆機橫梁螺栓聯(lián)接一體。

3、改變分配閥油路，原TK-3型鉆機的卡盤上下腔油管分別與XY-5型鉆機的兩個卡盤油缸上下腔油管聯(lián)接。

三、技術改造試驗效果

1、方案A試驗效果

(1)用方案1改進后的TK，3型鉆機通過車間空載試車成功。

(2)野外現(xiàn)場鉆進驗證，施工了兩個鉆孔，經(jīng)質量驗收均為特級孔。終孔深度分別為690．09米、567，72米。但施工中當鉆桿在高速回轉時，如果立軸垂直度較差，在鉆桿離心力加上孔內(nèi)其他力的作用下，鉆桿極易產(chǎn)生劇烈擺動，此時鉆桿連接立軸并帶動卡瓦使整個卡盤體擺動，造成卡盤體底部與固定圈的聯(lián)接緊固螺栓被反復拉動而滑絲，個別螺栓甚至被拉斷，使卡盤體與固定圈分離。此時操作卡盤欲松開卡瓦時，油缸不是推動導向座向上，而是推動整個卡盤向上位移，因而使卡瓦打不開。說明改進后雖然未頻繁發(fā)生故障，但仍存在一定的缺陷?？蛇M一步將12個螺栓由原直徑為10mm加大至12mm，并采用機械強度較高的機床專用內(nèi)六角螺栓，在立軸下端加裝一個內(nèi)六方定位套，用以限制鉆桿的擺動。

2、方案B試驗效果

(1)用方案2改進后的TK-3型鉆機通過車間空載試車成功。

(2)野外現(xiàn)場鉆進驗證，在不同的三個礦區(qū)施工六個鉆孔，終孔深度分別為918．3米、602．93米、257米、386.86米、527.82米、593．72米，經(jīng)質量驗收均為特、甲級孔。完全符合金剛石鉆進、繩索取芯鉆探工藝技術要求。

四、結束語

通過對兩個改造方案實際施工對比，證實兩個方案都是可行的，但方案?改進效果比方案1更理想。且具有技術改造簡單易行、成本底的優(yōu)點，盤活了多年閑置的固定資產(chǎn)，發(fā)揮出較好的經(jīng)濟效益。