侯 林，太 武，葉炳宏，王建興，劉建福

(1．河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北三河065201;2．河北省地礦局石家莊綜合地質(zhì)大隊(duì)，河北石家莊050081;3．河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山063000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，國家對各種礦產(chǎn)資源的需求量在逐年加大，地表礦、淺部礦、易識別礦已不能滿足當(dāng)今社會(huì)對能源的需求，地質(zhì)找礦工作也由淺孔向中深孔方向發(fā)展，千米以上深部鉆探工作越來越多。目前越來越多的鉆探工作已由原先提大鉆取心的普通雙管鉆進(jìn)更換為可以減少鉆進(jìn)輔助時(shí)間，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度的繩索取心鉆進(jìn)。

繩索絞車是繩索取心鉆進(jìn)不可缺少的設(shè)備，是用卷筒纏繞鋼絲繩、電纜等以提升或牽引物體的起重設(shè)備。但繩索取心鉆具配套機(jī)具繩索絞車在應(yīng)用過程中暴露出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著不完善，影響了全部效益的發(fā)揮。理想狀態(tài)下，鋼絲繩應(yīng)該是整齊有序地排列在絞車卷筒上的，但實(shí)際工作中，由于惡劣的工作環(huán)境，鋼絲繩在工作中受到不同程度的損壞，產(chǎn)生了破股和變形，再加上絞車位置和孔口、鉆塔天車不完全在同一垂直面上，導(dǎo)致絞車卷筒上的鋼絲繩無序、混亂、堆積纏繞在絞車卷筒上。因此在打撈內(nèi)管總成過程中，需要一名工作人員輔助排列鋼絲繩，以防止以下情況的發(fā)生:

(1)鋼絲繩因在絞車卷筒一端纏繞過高而跳出卷筒外纏住絞車軸發(fā)生斷絲、斷繩等生產(chǎn)事故;

(2)鋼絲繩堆積在卷筒中部，卷筒兩側(cè)的纏繩空間得不到充分利用，還會(huì)出現(xiàn)纏繞過高而突然滑落并跳躍錯(cuò)亂地埋住卷筒已纏好的鋼絲繩，導(dǎo)致鋼絲繩被壓扁、擠散、折曲成角等非正常損壞，縮短了鋼絲繩的使用壽命，給下次取心工作帶來不便;

(3)鋼絲繩的突然滑落、跳躍會(huì)使巖心管產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)，容易使巖心管里的巖心脫落，造成提大鉆、巖心采取率不足等嚴(yán)重后果。

除此之外，正在廣泛使用的繩索絞車還不具備計(jì)數(shù)功能，這種功能在地質(zhì)鉆探工作中有著廣泛的應(yīng)用需求，如測量鉆孔傾斜角和判斷繩索內(nèi)管總成在孔內(nèi)的深度等工作都需要把專用設(shè)備下放到鉆孔的指定位置來得到數(shù)據(jù)，目前每次測量鉆孔傾斜角所使用的方法是在鋼絲繩上用油漆做記號，根據(jù)鉆塔高度來估算設(shè)備下放的深度;在深孔使用粘度較大沖洗液的鉆孔，投放繩索內(nèi)管總成下行速度緩慢，還容易出現(xiàn)繩索內(nèi)管總成停留在鉆桿內(nèi)壁上的情況，工作中經(jīng)常使用繩索絞車輸送內(nèi)管總成到達(dá)指定位置后進(jìn)行脫卡投放工作。

這些現(xiàn)象增加了不必要的勞動(dòng)付出，增大了不安全系數(shù)。因此，需要研發(fā)一種能夠自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)的繩索絞車，來有效地解決上述問題，為深孔鉆進(jìn)提供有效保障。

1 設(shè)計(jì)原則

自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車的設(shè)計(jì)原則:

(1)自動(dòng)有序排繩，無需工作人員輔助排繩;

(2)研發(fā)的排繩裝置和計(jì)數(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡單、耐用，無需單獨(dú)動(dòng)力源;

(3)排繩和計(jì)數(shù)裝置自成一體，獨(dú)立安裝;

(4)可以使用不同直徑的鋼絲繩;

(5)排繩和計(jì)數(shù)裝置可靠、有效;

(6)提取、下放內(nèi)管平穩(wěn)，鋼絲繩無跳躍、錯(cuò)亂纏繞現(xiàn)象;

(7)排繩和計(jì)數(shù)裝置維修、更換方便。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2．1 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車主要由繩索絞車系統(tǒng)、自動(dòng)排繩系統(tǒng)和機(jī)械計(jì)數(shù)系統(tǒng)組成(如圖1所示)。

圖1 自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車結(jié)構(gòu)示意

2．1．1 繩索絞車系統(tǒng)

目前繩索絞車在市面上已有系列產(chǎn)品生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)、樣式基本相同。因此本文采用千米繩索絞車作為自動(dòng)排繩絞車的基體，并進(jìn)行了研究和改造。

2．1．2 自動(dòng)排繩系統(tǒng)

自動(dòng)排繩系統(tǒng)由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、正反螺紋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)正機(jī)構(gòu)和鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)等組成(如圖2所示)。

圖2 自動(dòng)排繩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2．1．2．1 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖3所示，自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車采用鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使自動(dòng)排繩系統(tǒng)和繩索絞車系統(tǒng)共用同一個(gè)電動(dòng)機(jī)，通過鏈條帶動(dòng)傳遞動(dòng)力。這種設(shè)計(jì)有下列優(yōu)點(diǎn):(1)鏈條和鏈輪是嚙合傳動(dòng)(無滑動(dòng))，可以得到較準(zhǔn)確的傳動(dòng)比(平均傳動(dòng)比);(2)通過調(diào)換鏈輪的齒數(shù)，可以容易選擇設(shè)計(jì)所需的傳動(dòng)比，達(dá)到準(zhǔn)確控制鋼絲繩在自動(dòng)排繩絞車卷筒上纏繞的圈數(shù)。

圖3 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

2．1．2．2 正反螺紋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(參見圖4)

圖4 正反螺紋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

正反螺紋絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，設(shè)計(jì)加工了帶有正反螺紋的特殊絲杠和專門在螺紋中滑動(dòng)的雙頭導(dǎo)向船形塊。把正反螺紋絲杠的螺紋加工成帶有5°角的特殊螺紋形式，并加深了螺紋的深度，提高了雙頭導(dǎo)向船形塊和正反螺紋絲杠的接觸配合。雙頭導(dǎo)向船形塊上方焊接了導(dǎo)正桿，與滑套上的圓孔配合，可以通過導(dǎo)正桿扶正雙頭導(dǎo)向船形塊，同時(shí)可以通過改變導(dǎo)正桿的粗細(xì)來控制雙頭導(dǎo)向船形塊在正反螺紋絲杠中“船頭”擺動(dòng)幅度，更重要的是解決了自動(dòng)排繩過程中，在卷筒中途換向排繩的問題。在正反螺紋絲杠的兩端加工了可以使雙頭導(dǎo)向船形塊自動(dòng)轉(zhuǎn)向用的絲杠擋套。正反螺紋絲杠每旋轉(zhuǎn)一圈，雙頭導(dǎo)向船形塊移動(dòng)一個(gè)螺紋間距的位移。正反螺紋絲杠的螺距與鋼絲繩直徑和鏈輪齒數(shù)之間的關(guān)系公式為:

式中:M——所選螺距;ZD——大齒輪齒數(shù);Zd——小齒輪齒數(shù);s——鋼絲繩直徑;n——傳動(dòng)比;a——鋼絲繩間的間隙(0.2～0.5 mm)。

2．1．2．3 鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)

如圖5所示。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩組導(dǎo)正滾輪，滾輪上加工有鋼絲繩槽，鋼絲繩在槽內(nèi)行走，滾輪可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，減少鋼絲繩的摩擦阻力，兩組導(dǎo)正滾輪就像兩只靈巧的大手，控制著鋼絲繩，使其擺繩方向不偏斜，嚴(yán)格按傳動(dòng)比在絞車卷筒上均勻排列。一組導(dǎo)正滾輪盡量靠近繩索絞車卷筒，起到縮短導(dǎo)正滾輪與絞車卷筒之間鋼絲繩距離的作用，目的是為了更精確地牽引鋼絲繩排列。另一組導(dǎo)正滾輪設(shè)計(jì)在上一組導(dǎo)正滾輪的后下方，起到緩解鋼絲繩過大彎曲度的作用。

圖5 鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)示意

2．1．2．4 導(dǎo)正機(jī)構(gòu)

主要是為防止正反螺紋絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)本應(yīng)該穩(wěn)定直線行走的滑套和滑套中的雙頭導(dǎo)向船形塊一起旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了一條光杠，光杠和正反螺紋絲杠平行連接在支架上。光杠上的直線滑塊通過直線滑塊座、凸字形導(dǎo)正板和正反螺紋絲杠上的滑套連接，起到了扶正滑套的作用。

2．1．2．5 護(hù)罩

自動(dòng)排繩系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了護(hù)罩，成長方形，下方不封口，罩在了光杠和正反螺紋絲杠上。防止了風(fēng)沙和鋼絲繩上的泥漿滴濺到光杠和正反螺紋絲杠上，提高了使用壽命。

2．1．3 機(jī)械計(jì)數(shù)裝置

如圖6所示。5個(gè)大齒輪分別是分位、個(gè)位、十位、百位和千位，每個(gè)大齒輪的一周刻有0～9十個(gè)數(shù)字。機(jī)械計(jì)數(shù)裝置與鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)中的滾輪連接，滾輪轉(zhuǎn)軸一圈(設(shè)定圓周長為10 cm)帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)裝置軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，分位數(shù)字就從0進(jìn)到1，當(dāng)分位齒輪轉(zhuǎn)過9帶動(dòng)個(gè)位的齒輪，個(gè)位齒輪就從0進(jìn)到1。也就是每個(gè)齒輪轉(zhuǎn)10個(gè)數(shù)，等于進(jìn)一個(gè)數(shù)。機(jī)械計(jì)數(shù)裝置最大可以記錄9999.9 m鋼絲繩，滿足目前鉆探生產(chǎn)的需要。機(jī)械計(jì)數(shù)裝置帶有復(fù)位功能，每按動(dòng)一次，記錄清除顯示0000.0 m。該裝置順時(shí)針旋轉(zhuǎn)數(shù)值累加，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)數(shù)值依次減少。

圖6 機(jī)械計(jì)數(shù)裝置示意

2．2 自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車工作原理

自動(dòng)排繩系統(tǒng)的動(dòng)力通過繩索絞車自帶的電動(dòng)機(jī)提供。絞車卷筒上固定安裝了小鏈輪，通過鏈條和正反螺紋絲杠一端的大鏈輪相連(如圖1所示)，帶動(dòng)正反螺紋絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。正反螺紋絲杠上加工有兩條相向的大螺距旋線槽，槽內(nèi)設(shè)置有雙頭導(dǎo)向船形塊，可以隨正反螺紋絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，在螺旋槽中滑動(dòng)，做直線運(yùn)動(dòng)。雙頭導(dǎo)向船形塊上方的導(dǎo)正桿與滑套上圓孔配合，共同在正反螺紋絲杠上做直線運(yùn)動(dòng)?；走B接著鋼絲繩導(dǎo)正滾輪機(jī)構(gòu)一起移動(dòng)，鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)中的滾輪與機(jī)械計(jì)數(shù)裝置軸連接，滾輪轉(zhuǎn)軸一圈(設(shè)定圓周長為10 cm)帶動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)裝置軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)械計(jì)數(shù)裝置中的齒輪上刻有0～9的數(shù)字，用來記錄鋼絲繩使用長度，鋼絲繩導(dǎo)正滾輪組機(jī)構(gòu)牽引鋼絲繩均勻整齊排列。當(dāng)雙頭導(dǎo)向船形塊滑到正反螺紋絲杠端點(diǎn)時(shí)受到絲杠擋套的阻擋，雙頭導(dǎo)向船形塊“船頭”方向發(fā)生反向，進(jìn)入反螺紋;鋼絲繩同時(shí)在卷筒上反向排列，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排繩工作。

自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車解決了常規(guī)繩索絞車不能在卷筒上自動(dòng)來回排列鋼絲繩和無法記錄鋼絲繩使用長度的問題。實(shí)現(xiàn)了排繩系統(tǒng)自動(dòng)控制鋼絲繩排列和自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)記錄鋼絲繩使用長度的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了自動(dòng)排繩和計(jì)數(shù)的效果。

3 生產(chǎn)試驗(yàn)與應(yīng)用效果

自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車(實(shí)物見圖7)的野外生產(chǎn)試驗(yàn)工作在遷安市西峽口外圍礦區(qū)ZK－29－0鉆孔、ZK1504鉆孔和昌黎新集礦區(qū)ZK0－1鉆孔進(jìn)行。使用新研制的自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車鉆進(jìn)總進(jìn)尺1008.10 m，共572回次，使用最大孔深為808.80 m，還在繼續(xù)使用。

圖7 自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車實(shí)物

使用過程中無需工作人員輔助排繩，均能夠順利有序排列鋼絲繩。通過試驗(yàn)證明了自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車適應(yīng)性好。由于鉆孔有漏失現(xiàn)象，鉆桿外壁涂有黃油潤滑，鉆桿絲扣涂絲扣油，防止鉆桿接箍處漏沖洗液，鉆桿內(nèi)壁上往往粘有油垢，使繩索內(nèi)管總成下行緩慢，采用地面聽聲音判斷繩索取心內(nèi)管總成是否到位有一定的困難，使用自動(dòng)排繩計(jì)數(shù)絞車輸送內(nèi)管總成到達(dá)指定位置后用脫卡管脫卡，保證繩索取心內(nèi)管總成到底。另外所使用的鋼絲繩還存在破股和對接現(xiàn)象，但這些情況都未影響其使用效果。自動(dòng)排繩率和計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性都滿足了機(jī)臺使用的需要，未出現(xiàn)過鋼絲繩排列混亂的現(xiàn)象。受到了機(jī)場使用人員的好評。

4 結(jié)論

(1)打撈巖心工作可以由一名工作人員單獨(dú)完成，不用擔(dān)心鋼絲繩在卷筒上無序、混亂、堆積纏繞等問題出現(xiàn)，不需人為排列鋼絲繩，大大提高了工作安全性。

(2)可靠有序地排列鋼絲繩，有效防止了鋼絲繩從高處滑落、跳躍的現(xiàn)象，減少了內(nèi)管總成的抖動(dòng)現(xiàn)象，由于內(nèi)管總成的抖動(dòng)而造成巖心脫落次數(shù)明顯減少，保證了巖心采取率，減少了脫落巖心造成的提大鉆次數(shù)。

(3)減少了鋼絲繩非正常磨損，提高了鋼絲繩的使用壽命。

(4)自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置可以快速、準(zhǔn)確地把測斜儀、繩索內(nèi)管總成等專用儀器、機(jī)具下放到指定位置，減少了鉆探工作的輔助時(shí)間，提高了純鉆進(jìn)時(shí)間。

(5)適用性廣泛，適于任何角度、深度的鉆孔。鉆孔越深優(yōu)越性越明顯。

(6)工作可靠，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便。

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