和國磊，許本沖，秦如雷，劉曉林，馮起贈，劉家譽

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

1 概述

傳統(tǒng)車載鉆機接卸鉆桿依靠人力將鉆桿放置到小車上，由鉆工把小車推到孔口位置，再由卷揚將鉆桿吊至豎直狀態(tài)，鉆工用手扶住鉆桿進行上扣;卸鉆桿時，由鉆工將鉆桿下端放在小車上，配合卷揚機下放將鉆桿至于水平狀態(tài)。這種接卸鉆桿的方式存在著效率低、工人勞動強度大、具有安全隱患等缺點。

為了解決上述問題，研制設計了BG型鉆桿排放設備。BG型鉆桿排放設備是配合SDC系列全液壓車載動力頭鉆機研制的，具有排放、舉升、運移、夾緊等功能，主要配合鉆機使用，達到自動上卸鉆具的目的，同時可作為現(xiàn)場輔助吊裝設備使用。該設備能夠實現(xiàn)鉆桿接卸、擺放、夾持的機械化，可大大減少工人的勞動強度。目前該設備已經(jīng)完成了樣機，并配合SDC1500型鉆機進行了初步的試驗，取得了一定的應用效果。

2 設備的研究設計

2.1 總體方案設計

BG型鉆桿排放設備(見圖1)由底座、行走架、行走裝置、機械手、夾持器、操控臺等6部分組成。底架由4個支腿固定支撐在地面上;行走架與底座焊接成一體，行走裝置通過馬達驅動在行走架的導軌上移動;機械手通過一個回轉軸承連接在底座上，可實現(xiàn)360°回轉，機械手由大臂、小臂、抓手組成;夾持器通過法蘭安裝在行走架的前端，由油缸驅動實現(xiàn)夾持動作。

圖1 BG型鉆桿排放設備圖

BG型鉆桿排放設備采用全液壓驅動，油源取自車載鉆機，所有動作均由一個泵供油實現(xiàn)，設備操控采用電液控制，由電控手柄以及液控閥集成控制。

2.2 設備的主要部件設計

2.2.1 機械手

機械手為該設備排放鉆桿的最終執(zhí)行機構，設計有抓放、升降、回轉等功能。其設計形式見圖2。

圖2 機械手結構設計圖

機械手由機械結構件與液壓部件組成。結構件包括機座體、變幅臂、小臂和抓手活動臂;液壓部件包括動臂油缸、斗桿油缸、回轉驅動和抓手油缸。該機構通過多種油缸伸縮組合驅動機械結構，將地上的鉆桿擺放到鉆桿擺放架上。

機械手的作用是抓取排放鉆桿，在其變幅、伸縮機械臂的同時，鉆桿與變幅臂等部件的自重對安裝在機座體下部的回轉驅動產(chǎn)生的傾覆力矩也會產(chǎn)生變化。因此，需要分析其力矩變化時回轉驅動的安全性，以確定設備整體的性能。

傾覆力矩計算公式:

式中:M——力矩;F——總載荷;L——力作用點與回轉中心的距離。

根據(jù)機械手結構件尺寸和材料性質，可得變幅臂、斗桿油缸、小臂、抓手油缸和抓手活動臂及銷軸組件總質量m1=423 kg，機座體質量m2=181 kg。按照最大載荷原則，按抓取159 mm鉆鋌做計算，鉆鋌質量m3=1.3 t?；剞D驅動所承受總軸向力Fα'=19 kN，徑向力Fr=0。驗證回轉驅動的安全性，需要計算其在最大傾覆力矩情況下的狀態(tài)，由于總載荷為設定的定值，則需要選擇鉆桿與機座體最遠距離處。機械手圍繞機座體為軸線轉動，可以據(jù)圖2分析，斗桿油缸縮至最短，鉆桿與機座體上鉸軸在同一水平面時，鉆桿與機座體產(chǎn)生最遠距離，如圖3所示。該距離實測值為L1=2312 mm。此距離只為鉆桿與機座體距離，結構件需應用重心法。由于結構件整體質量較小，可以當做沿長度方向上均勻的實體，因此重心取其中位，則重心到機座體的水平距離L2=1156 mm。據(jù)上分析，最大傾覆力矩為33.54 kN·m。

由于本設備非高負荷連續(xù)運轉，因此采用靜態(tài)工況校核。按照廠家提供的單排四點接觸球式回轉驅動靜態(tài)設計方法，校核應按承載角α=45°和60°兩種工況進行，兩種工況下安全系數(shù)fs均選取為1.25。

圖3 機械手最長狀態(tài)簡圖

承載角 α=45°時的校核公式[1]為:

計算得:Fα'=23.8 kN，M'=44.3 kN·m。

承載角α=60°時的校核公式為:

計算得:Fα'=29 kN，M'=54.2 kN·m。

回轉驅動兩種工況下的軸向力和傾覆力矩計算出之后，又根據(jù)回轉驅動承載曲線圖(圖4)，可以將計算出的數(shù)值在圖中描出兩點，若有一點處于承載曲線之下，那么該回轉驅動的選用是合適的。

圖4 四點接觸球式回轉驅動承載曲線圖

從圖4中可以看出，機械手在抓取最大重物并將機械臂伸至最長時，其載荷繪制的點仍在曲線下方，因此機械手的結構設計是合理的，回轉驅動的選用是合適的。

2.2.2 夾持器

夾持器起到夾持鉆具，為鉆桿提供反扭矩的作用，以便動力頭反向回轉卸扣。夾持器設計形式見圖5。

夾持器由安裝在保持架上的夾持體、卡瓦和夾持油缸組成。通過夾持油缸的伸縮，驅動夾持體夾緊與松開，而與夾持體連接的卡瓦通過安裝的牙板抱緊鉆桿。夾持器夾緊鉆具狀態(tài)見圖6。

圖5 夾持器設計圖

圖6 夾持器工作狀態(tài)圖

夾持器的主要作用是為鉆桿在動力頭反轉時提供反扭矩以完成卸扣。在設計時卡瓦牙板需達到一定的硬度才能夠保證該機構起到作用并能長久使用。經(jīng)過多次試驗，確定牙板材質選取為35CrMo，并經(jīng)調制、滲氮處理;采用圓弧面鋸齒形布置，牙板布齒結構如圖7所示。由于工作中卡瓦牙板有壓入鉆桿的可能，查閱資料得知，該種材質和牙形與114 mm外平鉆桿的摩擦系數(shù)μ為0.8[2]。

圖7 卡瓦牙板布齒結構圖

牙板硬度達到使用要求的同時，夾持器需達到一定的夾持力，才能夠保證夾持器為鉆桿提供足夠大的反扭矩，以保持卸扣時不隨動力頭轉動。夾持力由夾持油缸提供、夾持體傳遞，夾持器夾緊鉆桿時力的作用如圖8所示。

圖8 夾持器工作受力圖

根據(jù)夾持器的設計尺寸，L1=320 mm，α=72°，L2=380 mm，β =52°，F(xiàn)2是油缸推力，結合力矩平衡公式可以推導出施加在鉆桿上的合力F1為:

將F1分解為徑向力和切向力后，可知徑向力Fr為鉆桿的最終有效作用力。由于牙板間隔90°分布，F(xiàn)r可以按下述公式計算:

此時可以根據(jù)徑向力、摩擦系數(shù)以及鉆桿直徑計算夾持反力矩:

式中:T——反力矩;f——牙板與鉆桿間摩擦力;D——鉆桿直徑;μ——牙板與鉆桿間摩擦系數(shù)。

只要式中T值接近動力頭的反轉力矩，那么夾持器就能夾緊鉆桿正常卸扣。

SDC1500型鉆機動力頭最大扭矩為16000 N·m，根據(jù)該值推算的油缸夾持力為25.64 t，BG型布管機的主要作用是鉆具的固定和擺放，實際使用中最大上、卸扣扭矩不能超過該值，因此油缸選擇為推力F2為25 t。按照以上步驟計算得出夾持器能夠提供的最大反力矩T為15600 N·m，該值足以保證應用于1500 m深孔鉆探的接卸鉆桿工作。

2.2.3 液壓控制系統(tǒng)

BG型鉆桿排放設備采用全液壓驅動，油源取自車載鉆機定量高壓齒輪泵，工作壓力20 MPa，由3根油管通過快速接頭與車載鉆機連接，并從鉆機取24 V控制電源。

設備液壓系統(tǒng)采用電、液先導控制:位于鉆桿排放平臺上的小車的浮動與行走、機械手動臂的正反轉及鉆桿夾持器的夾緊與松開由電磁換向閥控制，操作者操作位于設備操作臺雙軸手柄上的電氣按鈕即可實現(xiàn)上述動作的便捷控制;動臂油缸、斗桿油缸和抓手油缸的動作由位于設備操作臺上的雙軸手柄控制。

當需要設備工作時，連接好液壓油管快速接頭及電氣航空插頭，操作者只需操作位于操作臺上的兩個雙軸手柄前后左右推動，并配合按下或松開位于其上的電氣按鈕，即可實現(xiàn)機械手臂、小車及夾持器的所有控制。

3 應用試驗

BG型鉆桿排放設備組裝完成后，進行了野外生產(chǎn)試驗。試驗地點為山西省臨汾市賈得鄉(xiāng)五礦集團鐵礦勘探項目現(xiàn)場，配套試驗鉆機為SDC1500水井鉆機。該鉆機扭矩16000 N·m，提升力700 kN，動力頭可抬頭，鉆井使用的鉆桿為114 mm外平鉆桿、127 mm外平鉆桿及159 mm鉆鋌。

加接鉆桿時，先把鉆桿滾動到機械手初始位置，有機械手的抓手抓住鉆桿，抬動臂、收斗桿，將鉆桿水平抓放到行走裝置上，行走裝置由馬達帶動將鉆桿送到孔口位置，此時夾持器將鉆桿夾住，動力頭正轉，完成上扣、緊扣動作。動力頭由水平位置調整到豎直位置，鉆桿遠端壓在行走機構隨動部分，配合底座上的定滑輪以及鉆機頂部的卷揚吊臂將鉆桿立起，完成加接鉆桿動作。卸鉆桿時，夾持器夾住鉆桿近端，動力頭反轉完成卸扣，鉆桿由行走機構送到行走架中間，由機械手將鉆桿抓取放到地面上。整個接卸鉆桿的過程中，由鉆工在操作臺獨立控制完成，大大減小了工人的勞動強度，在操作熟練的情況下，加接一根鉆桿需要約2 min時間。

4 結語

(1)BG型鉆桿排放設備設計合理，前期設計時進行了科學的計算與校核，保證了其使用性能的可靠性;

(2)與SDC1500型全液壓鉆機配合使用，表現(xiàn)出全液壓設備機械化程度高的優(yōu)勢，極大減少了人力成本;

(3)在以后的設計中，會繼續(xù)拓展其能力，使其能夠應用于更重鉆具的排放工作。

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