宋海燕,李旭文,何宗常,馮兆輝

(1.張家口中地裝備探礦工程機械有限公司,河北張家口075026;2.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東招遠264209)

XY-6N型鉆機的前身是XY-6B型鉆機。XY-6B型鉆機在中深孔地質(zhì)勘探中,使用非常廣泛,發(fā)揮了重要作用,曾創(chuàng)下了使用S71鉆具鉆深2410.12m的國內(nèi)巖心鉆探鉆深記錄。但隨著勘探深度的逐步加深,XY-6B型鉆機在使用中也出現(xiàn)了一些問題,如在超負(fù)荷使用情況下,出現(xiàn)變速箱有二、六跑檔現(xiàn)象,出現(xiàn)上橫梁、托架軸承發(fā)熱、使用壽命低的現(xiàn)象及在使用S75鉆具鉆深超過1200m時主動鉆桿有打滑現(xiàn)象。為了徹底解決這些問題,我們對XY-6B型鉆機進行了認(rèn)真的分析計算,對變速箱、上橫梁、上卡盤進行改進,改型為 XY-6N型鉆機。2011年在山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院進行生產(chǎn)試驗,使用 S95鉆具鉆深1370m,鉆具重量 14t,使用S71鉆具鉆深1640m。鉆機未出現(xiàn) XY-6B型鉆機出現(xiàn)過的現(xiàn)象,完全滿足了用戶的要求,用戶給予了很高的評價。

1 變速箱的改進

XY-6B型的變速箱是一個典型的平面三軸變速箱。該變速箱有四個正檔,一個反檔。

二、六檔脫檔就是掛和齒輪序5與齒輪序6嚙合時在遇到較大負(fù)荷時容易脫開,俗稱“跑檔”。通過分析研究,我們認(rèn)為造成跑檔的主要原因是軸的剛度不足所致,而上述兩個齒輪嚙合時,是軸上剛度最差的位置。當(dāng)上述兩個齒輪嚙合時,傳遞速度和扭矩。而齒輪傳動會對軸產(chǎn)生徑向力,使軸產(chǎn)生彈性變形,從而產(chǎn)生使齒輪滑移的軸向力,當(dāng)負(fù)荷較大時,齒輪傳動使軸產(chǎn)生彈性變形而形成的軸向力超過了檔位銷定機構(gòu)的控制力,再加上鉆機正常運轉(zhuǎn)時的振動,很容易造成齒輪序5與齒輪序6的脫開,造成跑檔。

具體改進方案(見圖1),參考對XY-5型變速箱成功改進的經(jīng)驗,加大了輸入軸、輸出軸和副軸直徑,花鍵軸由原來的8-60×52×10花鍵改為8-68×62×12花鍵,軸的抗彎截面模量由原來的14.7cm3增大為24.3cm3,抗彎截面模量增加了65%,在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下,抗彎截面模量是決定軸剛度的唯一要素,這就表示軸的剛度增加了65%。通過簡單計算,齒輪嚙合時產(chǎn)生的彈性變形量減少了40%。減少了齒輪嚙合時由于軸彈性變形產(chǎn)生的軸向力,解決了變速箱二、六檔跑檔問題。同時將軸承序3,由原兩套106單列向心球軸承改為4074106滾針軸承。經(jīng)計算,改進后的軸承的使用壽命是原有軸承使用壽命的12倍,延長了變速箱的大修時間。

圖1 變速箱

2 上橫梁的改進

上橫梁在回轉(zhuǎn)器的上部,與兩個給進油缸聯(lián)接,中間裝有立軸,立軸上部與上卡盤聯(lián)接,在給進油缸作用下立軸、上卡盤帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)并上下移動。XY-6B型鉆機的橫梁結(jié)構(gòu)(圖2)是一組推力軸承序4、一組向心球軸承序6和一組角接觸球軸承序3安裝在立軸序1上和橫梁殼體序5內(nèi)。鉆具的重量以及起拔力全部作用在橫梁的推力軸承序4上。加壓力靠角接觸球軸承序3承受。推力軸承的型號為8228,額定動載荷為205kN,極限轉(zhuǎn)速為800 r/min(脂潤滑),只能承受軸向力;向心球軸承不承受軸向力。鉆機立軸最大起拔力為200kN,接近推力軸承所承受的額定軸向載荷;鉆機高速運轉(zhuǎn)時速度為1000 r/min,超過推力軸承脂潤滑時的極限轉(zhuǎn)速。在孔深較淺時,由于孔內(nèi)鉆具重量較輕,軸承所受負(fù)荷較小,軸承的壽命基本能滿足要求。但隨著孔深的逐漸加深,鉆具重量越來越大,軸承所受的負(fù)荷也越來越大,導(dǎo)致鉆進過程中出現(xiàn)橫梁容易發(fā)熱,軸承易壞等問題。

圖2 XY-6B鉆機橫梁

根據(jù)實際使用情況分析,橫梁發(fā)熱是由于軸承承載力偏小,極限轉(zhuǎn)速偏低造成,其結(jié)果就是造成軸承損壞。通過研究對比,選用了圓錐滾子軸承,圓錐滾子軸承既可以承受軸向力,又可以承受徑向力,而且極限轉(zhuǎn)速較高(圖3)。兩組圓錐滾子軸承序3和序5安裝在立軸序1上,圓錐滾子軸承序3額定動載荷為255kN,圓錐滾子軸承序5額定動載荷為340kN,極限轉(zhuǎn)速為1900r/min,該軸承承受鉆具重量。通過計算軸承所能承受的軸向力增大了3倍多,軸承設(shè)計壽命是原來的15倍,完全滿足使用要求。選用圓錐滾子軸承支點距離增大,穩(wěn)定性增強,保證了立軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn),又因為軸承的額定極限轉(zhuǎn)速超過了鉆機的立軸最高轉(zhuǎn)速,從而使軸承的發(fā)熱問題得到了解決。以上種種結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)點,保證了軸承的使用壽命,也解決了上橫梁發(fā)熱問題。

圖3 XY-6N鉆機橫梁

3 上卡盤的改進設(shè)計

上卡盤為液壓油缸驅(qū)動齒條齒桿式卡盤,多年以來,XU 1000鉆機、XY-5型鉆機除部分零件改進外,一直采用與XU 600-3型鉆機相同的卡盤油缸。在鉆探過程中,發(fā)現(xiàn)鉆深超過1200m,卡盤夾持能力不足,出現(xiàn)卡瓦與主動鉆桿打滑現(xiàn)象,明顯該卡盤油缸不適合XY-6B型鉆機鉆進深孔的需要。

改進措施如下,加大卡盤油缸缸徑,使夾持能力增大到原夾持能力的1.5倍。在生產(chǎn)試驗中,該卡盤完全滿足了用戶的需求,未出現(xiàn)主動鉆桿打滑及夾持能力不足現(xiàn)象。

4 實際使用效果

XY-6N型鉆機完成廠內(nèi)試驗后,赴山東招遠進行實際勘探鉆孔。設(shè)計孔深1640m,φ95繩索取心鉆深至1370m,φ71繩索取心鉆深1640m,圓滿完成鉆探任務(wù)。在使用過程中,沒有出現(xiàn)變速箱跑檔問題,回轉(zhuǎn)器橫梁以及托架沒有軸承損壞現(xiàn)象,而且溫度正常;鉆桿夾持沒有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,使用效果良好。

5 結(jié)束語

在全液壓巖心鉆機全面推廣之時,立軸式巖心鉆機在市場上仍占有重要地位。結(jié)合用戶的意見反饋和鉆機設(shè)計的實際經(jīng)驗,對鉆機進行大膽的改進是提高產(chǎn)品質(zhì)量、贏得用戶信賴,提高市場占有率的重要手段。