陳慶輝

1 概況

TK-3型巖芯液壓鉆機(jī)是原煤炭部石家莊煤礦機(jī)械廠(chǎng)于20世紀(jì)80年代初參照日本同類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制的液壓立軸式巖芯鉆機(jī),當(dāng)時(shí)全國(guó)數(shù)十家煤田地質(zhì)勘探隊(duì)裝備了此型鉆機(jī),并以此機(jī)為主要鉆探設(shè)備,開(kāi)始金剛石鉆進(jìn)、繩索取芯技術(shù)新工藝的試驗(yàn)。但在使用中發(fā)現(xiàn),該機(jī)型的液壓卡盤(pán)及操縱機(jī)構(gòu)存在一定的缺陷,操作稍有不當(dāng),就產(chǎn)生液壓卡盤(pán)失靈、卡死主動(dòng)鉆桿的故障,即使是技術(shù)相當(dāng)熟練的操作人員也難免,且事后難處理,迫使野外現(xiàn)場(chǎng)停機(jī),更換設(shè)備。由于事故頻繁發(fā)生,嚴(yán)重制約生產(chǎn)率的提高,因此福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)6臺(tái)TK-3鉆機(jī)入庫(kù)閑置,大多數(shù)煤田地質(zhì)勘探隊(duì)也均因該鉆機(jī)存在的上述問(wèn)題而棄置不用,造成巨大的浪費(fèi),甚至中止了金剛石鉆進(jìn)、繩索取芯技術(shù)新工藝的推廣應(yīng)用。如何解決這一技術(shù)難題,福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)組織技術(shù)攻關(guān),對(duì)TK-3鉆機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造,重新使用TK-3型鉆機(jī)。

2 故障分析

2.1 故障產(chǎn)生及狀況

TK-3型鉆機(jī)在進(jìn)行變速、取芯、倒桿、加接鉆桿等操作時(shí)都必須停車(chē)。當(dāng)立軸未完全停穩(wěn)時(shí),操作液壓卡盤(pán)瞬間即發(fā)生主動(dòng)鉆桿被卡死的故障,只有松開(kāi)回轉(zhuǎn)器頂部壓套,取下蝶形彈簧,才能松開(kāi)卡瓦,但此時(shí)因蝶形彈簧被壓縮,根據(jù)計(jì)算,其壓力為374.78 kN,該壓力通過(guò)卡瓦導(dǎo)向座斜面增力,作用在卡瓦的徑向卡緊力約500 kN,如此巨大的壓力,在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法處理,只有拆下回轉(zhuǎn)器,連同6 m多長(zhǎng)的主動(dòng)鉆桿拉回部隊(duì)機(jī)修車(chē)間,若無(wú)專(zhuān)用機(jī)械,也無(wú)法處理。因此,增加了修理難度,拖延工期造成生產(chǎn)成本上升。

2.2 故障原因分析

說(shuō)明書(shū)上三處強(qiáng)調(diào)“松緊卡盤(pán)時(shí),立軸必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)”。由此可見(jiàn),發(fā)生此類(lèi)故障,人為的誤操作僅是外因,內(nèi)因是設(shè)備客觀(guān)存在事故隱患,因此,要杜絕此類(lèi)事故,只能消除設(shè)備內(nèi)部存在的事故隱患,實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

根據(jù)回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)鉆機(jī)停止鉆進(jìn),操作液壓卡盤(pán),卡瓦與六方鉆桿平面離開(kāi)一定距離,此時(shí)若離合器帶車(chē)或其他原因使立軸轉(zhuǎn)動(dòng),立軸帶動(dòng)卡盤(pán)體、卡瓦同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),即使只轉(zhuǎn)過(guò)很小的角度(＜30°)?？ㄍ呒丛跇O短的時(shí)間內(nèi)與鉆桿最大徑接觸,棱角緊緊頂住并推動(dòng)卡瓦,卡瓦被迫超出正常的工作位移,卡瓦的斜面以推動(dòng)導(dǎo)向座上升,使導(dǎo)向座上升超出正常高度而離開(kāi)卡盤(pán)油缸的控制范圍,液壓卡盤(pán)失效,而導(dǎo)向座上升又迫使蝶形彈簧進(jìn)一步壓縮,在蝶形彈簧的巨大彈力作用下,卡瓦咬死鉆桿,此時(shí)液壓卡盤(pán)已失效,操作液壓卡盤(pán)已不能使卡瓦動(dòng)作。

根據(jù)以上過(guò)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(duì)固定并同步轉(zhuǎn)動(dòng),一旦卡瓦與鉆桿平面錯(cuò)位(見(jiàn)圖1),故障即發(fā)生,且時(shí)間極短暫,假定立軸每秒僅轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,那么相對(duì)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)30°角度僅1/12 s,根據(jù)測(cè)算,僅轉(zhuǎn)動(dòng) 12°30′鉆桿就完全被擠死,其時(shí)間小于1/12 s,讓操作人員措手不及。

3 技術(shù)改造

3.1 在原有TK-3回轉(zhuǎn)器上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)及工作原理,只要確保立軸與主動(dòng)鉆桿同步轉(zhuǎn)動(dòng),故障就不會(huì)發(fā)生,采取了在原有TK-3回轉(zhuǎn)器上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn):卡盤(pán)體與鉆桿之間加一個(gè)內(nèi)六方固定套,六方套與卡盤(pán)以花鍵配合,鉆桿通過(guò)內(nèi)六方,三者形成一整體來(lái)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。但由于卡盤(pán)體底部與固定圈的連接采用12條M12螺栓緊固,在施工中由于鉆桿在高速回轉(zhuǎn)時(shí)立軸垂直度差,鉆桿離心力加上孔內(nèi)其他力的作用,鉆桿將產(chǎn)生劇烈擺動(dòng),此時(shí)鉆桿在夾緊狀態(tài),卡瓦帶動(dòng)整個(gè)卡盤(pán)體擺動(dòng),緊固螺栓被反復(fù)拉動(dòng),造成卡盤(pán)體底部與固定圈的連接緊固螺栓松動(dòng)滑絲,個(gè)別螺栓被拉斷,使卡盤(pán)體與固定圈分離,當(dāng)操作卡盤(pán)欲松開(kāi)卡瓦時(shí),油缸不是推動(dòng)導(dǎo)向座向上,而是推動(dòng)整個(gè)卡盤(pán)向上位移,因而卡瓦打不開(kāi)。說(shuō)明用此方法改進(jìn)后雖未像原來(lái)頻繁發(fā)生故障,但仍存在一定缺陷,未能實(shí)現(xiàn)“零故障”,達(dá)到本質(zhì)安全。

3.2 解決液壓卡盤(pán)失靈、卡死主動(dòng)鉆桿的故障

根據(jù)福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)歷年使用XY-5鉆機(jī)經(jīng)驗(yàn),反應(yīng)XY-5鉆機(jī)使用的立軸回轉(zhuǎn)器,采用在立軸上部裝油壓卡盤(pán),上卡盤(pán)油壓活塞上下移動(dòng),通過(guò)托架帶動(dòng)齒條上下移動(dòng),從而帶動(dòng)齒桿旋轉(zhuǎn)。通過(guò)卡瓦座實(shí)現(xiàn)卡瓦的徑向移動(dòng),從而達(dá)到卡緊鉆桿或松開(kāi)鉆桿的目的。采用整體XY-5鉆機(jī)的立軸頭替換TK-3鉆機(jī)蝶形彈簧的回轉(zhuǎn)器。在改造中解決液壓卡盤(pán)失靈、卡死主動(dòng)鉆桿的故障問(wèn)題,具體如下:1)XY-5鉆機(jī)的六方立軸外徑φ 116×104-6與TK-3鉆機(jī)六方立軸外徑尺寸φ 122×110-6不同。加工一條立軸導(dǎo)管來(lái)解決此問(wèn)題(見(jiàn)圖2),材料為40Cr,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,硬度HRC32-45,其立軸導(dǎo)管的外徑尺寸及軸承、扇形齒輪位置與TK-3鉆機(jī)立軸導(dǎo)管的外徑尺寸及軸承228,扇形齒輪m8,Z33位置尺寸一樣,內(nèi)孔的尺寸與XY-5鉆機(jī)的立軸導(dǎo)管內(nèi)孔的尺寸一樣,來(lái)解決XY-5鉆機(jī)的六方立軸穿過(guò)加工的立軸導(dǎo)管內(nèi)與TK-3鉆機(jī)傘形齒輪連接,來(lái)傳遞動(dòng)力和扭矩。2)XY-5鉆機(jī)橫梁連接的兩個(gè)給進(jìn)油缸之間的孔中心距470 mm與TK-3鉆機(jī)傳動(dòng)箱箱體兩個(gè)上下移動(dòng)油缸活塞軸之間的孔中心距420 mm,相差50 mm。需要加工2條階梯軸來(lái)解決其中心距不一致問(wèn)題(見(jiàn)圖3),材料為40Cr,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,硬度 HRC32-45,把 XY-5鉆機(jī)立軸橫梁和TK-3鉆機(jī)移動(dòng)油缸活塞軸連接為一體。3)改變分配閥油路,原TK-3鉆機(jī)的卡盤(pán)上下腔油管分別與XY-5兩個(gè)卡盤(pán)油缸上下腔油管連接。

4 技術(shù)改造試驗(yàn)效果

1)零件加工好,組裝完畢通過(guò)車(chē)間空載試車(chē)成功;

2)野外現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)驗(yàn)證情況:107鉆機(jī)使用改進(jìn)后的TK-3鉆機(jī)在不同的礦區(qū)施工6個(gè)鉆孔(羅山勘探區(qū)5-11、武陵勘探區(qū)6-2,8-5,8-4,10-3,10-4鉆孔,終孔深度分別為 918.30 m,602.93 m,257 m,386.86 m,527.82 m,593.72 m),經(jīng)鉆孔質(zhì)量驗(yàn)收均為特、甲級(jí)孔。證實(shí)改進(jìn)后鉆機(jī),完全符合繩索取芯金剛石鉆進(jìn)鉆探工藝技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

福建省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)采用整體XY-5鉆機(jī)立軸頭替換下TK-3鉆機(jī)蝶形彈簧的回轉(zhuǎn)器的方法,其油缸給進(jìn)行程由原來(lái)600 mm減至500 mm,增加了倒桿次數(shù);且具有技術(shù)改造簡(jiǎn)單易行,成本低等優(yōu)點(diǎn),只需要購(gòu)買(mǎi)一組XY-5鉆機(jī)的立軸頭,加工一條立軸導(dǎo)管及兩條短階梯軸,組裝及整機(jī)維修就完成,把多年閑置設(shè)備重啟用,盤(pán)活固定資產(chǎn),發(fā)揮出巨大經(jīng)濟(jì)效益。

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[2] 李世終.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1992.

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