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        塔機一體式鉆機鉆塔的設(shè)計與應(yīng)用

        2012-10-08 05:22:52盧春陽歐陽志強李明星
        地質(zhì)裝備 2012年4期

        盧春陽,歐陽志強,李明星

        (衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司,湖南 衡陽421002)

        1 概述

        機械傳動立軸式巖心鉆機的發(fā)展已具有上百年的歷史,因其具有傳動效率高,結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、維修方便,鉆探工藝適應(yīng)性強等優(yōu)點,在我國廣泛使用。隨著鉆探技術(shù)和工藝水平的不斷提升和完善,國內(nèi)生產(chǎn)的立軸巖心鉆機經(jīng)各廠家的不斷改進(jìn)和優(yōu)化,出現(xiàn)百花齊放的狀態(tài),總的發(fā)展目標(biāo)就是節(jié)能高效,減輕勞動強度等,吸取全液壓鉆機的優(yōu)點,相繼出現(xiàn)了不停車倒桿式、長給進(jìn)行程式等特色鉆機。在鉆探施工中,鉆塔是鉆探設(shè)備的重要組成部分,它在鉆進(jìn)過程中用于安放和懸掛天車、游動滑車、提引器等,以起下鉆具和套管。衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司開發(fā)的XY-4L鉆機和XY-4 HA鉆機,設(shè)計成巖心鉆機自帶鉆塔,鉆機與鉆塔一體式,實現(xiàn)真正意義上的塔機一體,降低了購買鉆塔所需的成本。自帶液壓起落鉆塔,安裝快捷,輕便靈活,縮短了裝拆鉆塔的工作周期,能實現(xiàn)整機移動,搬遷方便,大大減輕了工作者的勞動強度,鉆機配套性強,施工方便。

        2 塔機一體式鉆機天車形式的優(yōu)缺點分析

        塔機一體式鉆機的工作方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu)形式,鉆塔是通過塔座安裝在分動箱體和水剎車殼體上,鉆機在下放和提升鉆具時,回轉(zhuǎn)器立軸需要后退400mm左右,以讓開孔口,滿足鉆進(jìn)工藝的要求,這勢必造成整個鉆塔也跟著鉆機向后移動400 mm左右,為保證鉆塔上天車滑輪與孔口中心垂直,必須給鉆塔有補償裝置。如圖1是固定式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài),目前,塔機一體式鉆機較常用的補償裝置,主要由塔座、起塔油缸、擺塔油缸、銷軸A、銷軸B、塔體、天車組成,其工作原理是:驅(qū)動起塔油缸,將塔體撐起到與鉆機垂直的位置,完成起鉆塔動作。裝上銷軸B,卸下起塔油缸,裝上擺塔油缸,拆下銷軸A,鉆塔處于鉆進(jìn)工作狀態(tài)。當(dāng)鉆機需要后退讓開孔口時,鉆塔隨鉆機后退,為保證鉆塔上天車滑輪與鉆孔中心垂直,驅(qū)動擺塔油缸伸出,使鉆塔向前傾斜一定的角度,實現(xiàn)鉆機利用鉆塔起放鉆具,當(dāng)鉆機完成起放鉆具后,讓開的回轉(zhuǎn)器立軸需要復(fù)位,驅(qū)動擺塔油缸縮回,使鉆塔復(fù)位。

        此鉆塔的天車是固定式,在讓開孔口提升鉆具時,是依靠擺塔油缸伸出,使鉆塔處于傾斜狀態(tài),擺塔油缸幾毫米的伸縮量可以讓鉆塔產(chǎn)生幾十倍的擺動力,嚴(yán)重影響鉆機的穩(wěn)定性,鉆塔的提升能力也不能完全發(fā)揮,給施工現(xiàn)場留下安全隱患。現(xiàn)場操作時,傾斜的角度也難以控制,當(dāng)鉆塔的傾斜角度稍大時,天車已超過孔口中心,塔體有可能碰到主動鉆桿而損傷鉆桿;當(dāng)鉆塔的傾斜角度過小時,天車到不了孔口中心,達(dá)不到讓開孔口的效果,這樣就大大增加了斜塔時的操控難度,鉆塔的安裝過程也比較繁鎖,拆裝頻繁,費時費力。

        為解決固定式天車鉆塔穩(wěn)定性差、能力不能完全發(fā)揮、安全隱患、操作困難等弊端,我們對鉆塔和天車進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。圖2是變位式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài),改進(jìn)后將固定式天車鉆塔的天車拆分為主天車與副天車,將用來斜塔的擺塔油缸改到驅(qū)動副天車的位置,鉆塔的聯(lián)接也由銷軸B改為螺栓加以緊固,這樣就成了變位式天車鉆塔,其工作原理是:驅(qū)動起塔油缸,將塔體撐起到與鉆機垂直的位置,裝上螺栓,鉆塔處于鉆進(jìn)工作狀態(tài),當(dāng)鉆機需要讓開孔口時,驅(qū)動擺塔油缸伸出,將副天車傾斜到一定的角度,保證天車滑輪與孔口中心垂直;當(dāng)鉆機復(fù)位時,驅(qū)動擺塔油缸縮回,鉆塔處于正常鉆進(jìn)狀態(tài),改進(jìn)后鉆機需要落塔時,拆下螺栓,驅(qū)動起塔油缸,可讓鉆塔處于落塔狀態(tài)。為控制天車的伸出量與讓開孔口的位置相當(dāng),只需要控制擺塔油缸的行程,改進(jìn)后,天車操作方便,只需把擺塔油缸控制閥推拉到極限位置即可。

        改進(jìn)后的變位式天車鉆塔與原固定式天車鉆塔相比具有明顯的優(yōu)勢:

        (1)鉆機起落鉆塔方便快捷,不須更換油缸和拆裝銷軸;

        (2)起塔后,塔體與塔座用螺栓緊固聯(lián)接,無需傾斜,從而使鉆塔的工作狀態(tài)更穩(wěn)定;

        (3)大大降低了操作者對鉆塔傾斜角度的操控難度。

        圖1 固定式天車鉆塔

        圖2 變位式天車鉆塔

        3 塔機一體式鉆機變位天車的有限元分析

        為保證變位式天車的副天車和擺塔油缸滿足鉆機的提升能力和設(shè)計要求,我們應(yīng)用Autodesk Inventor軟件對天車進(jìn)行了有限元分析計算:

        首先對零件進(jìn)行三維建模,組裝后對整個部件進(jìn)行應(yīng)力分析,所有材質(zhì)都選擇為低碳鋼,將耳座與鉆塔的接觸面設(shè)為固定約束。根據(jù)鉆機的設(shè)計性能要求,卷揚機的提升能力為45k N,將卷揚機上鋼絲繩的拉力作用于副天車滑輪之上,方向如圖3所示,一個為豎直向下,一個沿兩滑輪的切線方向,通過軟件的有限元分析,最大應(yīng)力出現(xiàn)在油缸與滑輪架的結(jié)合處,為Smax=159.3MPa。圖4為安全系數(shù)分析圖,從兩圖并根據(jù)鉆機卷揚的提升能力和對鉆具的重量計算,擺塔油缸和副天車的受力完全能滿足鉆機的要求。

        圖3 等效應(yīng)力分析圖

        圖4 安全系數(shù)分析圖

        4 塔機一體式鉆機變位天車的生產(chǎn)應(yīng)用情況

        新型變位式天車鉆塔試驗初期裝在衡探公司生產(chǎn)的XY-4 HA型塔機一體式鉆機上,在公司鉆機試驗臺上,我們對該鉆機進(jìn)行了50k N重物的提升試驗(見圖5)。試驗過程中,鉆機鉆塔穩(wěn)定可靠,擺塔油缸伸縮利索,完全達(dá)到設(shè)計要求。通過推廣應(yīng)用,此新型變位式天車裝在XY-4L型鉆機上,鉆機出口4臺在印度尼西亞一礦山施工,單臺鉆機總進(jìn)尺達(dá)3200m,最深孔630m,鉆機使用性能穩(wěn)定可靠,變位式天車和擺塔油缸均無故障,施工單位使用滿意,經(jīng)工地實踐證明,變位式天車能滿足工地施工要求。

        圖5 變位天車的出廠試驗

        5 總結(jié)

        新型變位式天車通過合理的、巧妙的機構(gòu)設(shè)計,融合塔機一體式鉆機其雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)和自身優(yōu)勢,真正實現(xiàn)了鉆機、鉆塔一體,方便了鉆探人員對鉆機的操作,達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目的,提高了生產(chǎn)效率,為施工單位帶來了較好的經(jīng)濟效益。生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場的需要和工地的使用情況,不斷完善、優(yōu)化、豐富立軸式巖心鉆機的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品的功能,必將為其發(fā)展帶來更廣闊的市場前景??梢灶A(yù)測,立軸式巖心鉆機在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)其主導(dǎo)地位仍是不可替代的。

        [1] 彭一江等.新型高效節(jié)能立軸巖心鉆機的開發(fā)應(yīng)用.探礦工程(巖土鉆掘工程),2008(10).

        [2] 王義質(zhì)等.工程力學(xué).重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.

        [3] 楊惠明.鉆探設(shè)備.北京:地質(zhì)出版社,1988.

        [4] 張永勤.新型高效實用巖心鉆機的研發(fā)及應(yīng)用.第十六屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京:地質(zhì)出版社,2011.

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