王 龍，白祖衛(wèi)

(陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西西安710089)

1 概述

目前我國(guó)巖心鉆探領(lǐng)域普遍采用的鉆機(jī)主要有2種，機(jī)械立軸式鉆機(jī)和全液壓桅桿動(dòng)力頭式鉆機(jī)。機(jī)械立軸式鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)具備自由落鉤性能、下放鉆具快的優(yōu)點(diǎn)，但存在帶式石棉剎車(chē)不耐磨、摩擦系數(shù)低、操作費(fèi)力、靈敏度不高、散熱性能不好、高溫使用性能不好、下降到孔口安全距離不好控制等缺點(diǎn)。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)用主卷?yè)P(yáng)采用液壓系統(tǒng)流量控制提升與下降速度，孔口安全距離較好控制，通過(guò)液壓系統(tǒng)強(qiáng)制散熱，散熱性能良好，但不具備自由落鉤性能，存在提下鉆具速度慢的缺點(diǎn)。我公司在XDL－1800型全液壓巖心鉆機(jī)上首次研發(fā)液壓盤(pán)鉗式剎車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)，能夠在以上2種工作方式中自由切換，并且采用盤(pán)鉗式剎車(chē)解決了帶式石棉剎車(chē)不耐磨、摩擦系數(shù)低、操作費(fèi)力、靈敏度不高、散熱性能不好、高溫使用性能不好等問(wèn)題。該卷?yè)P(yáng)機(jī)在深孔鉆進(jìn)時(shí)可采用自由落體下放鉆具，風(fēng)冷盤(pán)散熱，如果溫度過(guò)高可以馬上切換到液壓系統(tǒng)流量控制下放鉆具的方式，通過(guò)液壓系統(tǒng)散熱，這時(shí)盤(pán)式剎車(chē)停用剎車(chē)盤(pán)溫度不再升高。能夠有效提高下放鉆具的速度，采用比例閥剎車(chē)、操控性能和安全性能得到有效改善。風(fēng)冷盤(pán)與剎車(chē)鉗表面經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，解決了在野外潮濕、多鹽環(huán)境中工作容易生銹的問(wèn)題。

2 液壓鉗盤(pán)式剎車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)

巖心鉆機(jī)液壓盤(pán)式剎車(chē)裝置，包括定軸輪系傳動(dòng)行星式卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升制圈、風(fēng)冷剎車(chē)盤(pán)、剎車(chē)鉗、提升鉗、安全鉗、鉗架及液壓控制系統(tǒng)。卷?yè)P(yáng)機(jī)滾筒一端由螺栓固定連接風(fēng)冷剎車(chē)盤(pán)。提升制圈與卷?yè)P(yáng)機(jī)內(nèi)游星輪架相連，其提升制圈外周緣設(shè)有提升鉗，風(fēng)冷盤(pán)外周緣設(shè)有剎車(chē)鉗與安全鉗，提升鉗、剎車(chē)鉗與安全鉗裝在鉗架上，鉗架固設(shè)于鉆機(jī)機(jī)架上。

3 液壓鉗盤(pán)式剎車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)工作原理

卷?yè)P(yáng)機(jī)采用行星式定軸輪系傳動(dòng)，卷筒與內(nèi)齒圈固定連接。卷筒一端安裝風(fēng)冷盤(pán)，提升制圈與游星輪架相連，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，卷?yè)P(yáng)機(jī)軸可帶動(dòng)中心齒輪旋轉(zhuǎn)，中心齒輪與游星齒輪嚙合，游星齒輪帶動(dòng)內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈與卷筒固定連接。風(fēng)冷盤(pán)與卷筒固定連接。提升制圈與游星輪架固定連接。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 盤(pán)鉗式剎車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)示意圖

可實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)提升鉆具:當(dāng)提升鉗抱緊提升制圈，同時(shí)松開(kāi)工作鉗與安全鉗，游星輪與軸不能繞卷?yè)P(yáng)機(jī)軸公轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的中心輪驅(qū)動(dòng)下，游星輪繞其自身軸自傳，并帶動(dòng)內(nèi)齒圈及卷筒纏繞鋼繩，提升鉆具。

(2)駐車(chē)制動(dòng):安全鉗抱緊風(fēng)冷盤(pán)，松開(kāi)剎車(chē)鉗、提升鉗。卷筒與內(nèi)齒圈被抱死，卷?yè)P(yáng)機(jī)停止升降。

(3)下降鉆具，同時(shí)松開(kāi)提升鉗、剎車(chē)鉗、安全鉗，在鉆機(jī)的自重作用下下降鉆具，此過(guò)程中可用剎車(chē)鉗點(diǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)可以控制自由下落。

(4)液壓流量控制提升下放鉆具。

(5)盤(pán)鉗式剎車(chē)控制下放鉆具。

(6)緊急剎車(chē)時(shí)剎車(chē)鉗與安全鉗同時(shí)工作。

4 剎車(chē)鉗與提升鉗的結(jié)構(gòu)與工作原理

4．1 剎車(chē)鉗的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖2為巖心鉆機(jī)液壓盤(pán)式剎車(chē)裝置的剎車(chē)鉗示意圖。剎車(chē)鉗主要由兩剎車(chē)塊、兩鉗體、兩銷(xiāo)軸Ⅰ、兩杠桿、兩支桿、兩銷(xiāo)軸Ⅱ、四半圓擋圈、工作缸、兩銷(xiāo)軸Ⅲ、四調(diào)節(jié)螺栓、兩復(fù)位彈簧等組成。兩杠桿的下端銷(xiāo)軸Ⅲ與工作油缸的缸體和活塞連接，兩銷(xiāo)軸Ⅲ對(duì)應(yīng)的兩端之間各設(shè)有一復(fù)位彈簧，復(fù)位彈簧為拉伸彈簧。當(dāng)由進(jìn)油口充入工作缸油壓后，缸體和活塞之間產(chǎn)生相對(duì)位移，推動(dòng)杠桿下端以銷(xiāo)軸Ⅱ?yàn)橹c(diǎn)向外移動(dòng)，使兩杠桿下端之間距離加大。同時(shí)，兩杠桿上端剎車(chē)塊組件的兩剎車(chē)塊之間距離縮小，使剎車(chē)塊與風(fēng)冷剎車(chē)盤(pán)或提升制圈相貼合產(chǎn)生摩擦力，摩擦力矩足夠大時(shí)就剎住風(fēng)冷剎車(chē)盤(pán)或提升制圈，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)。工作缸充入油壓力越大產(chǎn)生的摩擦力矩就越大，剎車(chē)力就越大。松剎時(shí)，泄掉充入工作缸的油壓，在復(fù)位彈簧的作用下，工作缸復(fù)位，剎車(chē)塊與剎車(chē)盤(pán)脫離接觸，松開(kāi)剎車(chē)。

圖2 剎車(chē)鉗結(jié)構(gòu)示意圖

4．2 安全鉗結(jié)構(gòu)與工作原理

安全鉗主要用于駐車(chē)制動(dòng)與緊急剎車(chē)，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故緊急停車(chē)時(shí)，安全鉗緊急剎車(chē)，以免鉆具下落造成孔內(nèi)事故。主要由常閉式內(nèi)置碟簧組(也可使用氮?dú)鈴椈?的單作用油缸、杠桿機(jī)構(gòu)和剎車(chē)塊組成，其結(jié)構(gòu)及工作原理參見(jiàn)圖3。

圖3 安全鉗結(jié)構(gòu)示意圖

安全鉗的工作原理與工作鉗相反。安全鉗主要由兩剎車(chē)塊、兩鉗體、兩銷(xiāo)軸Ⅰ、兩杠桿、兩支桿、兩銷(xiāo)軸Ⅱ、四半圓擋圈、一安全缸、兩銷(xiāo)軸Ⅲ、內(nèi)置碟簧組等組成。其工作過(guò)程是:安全缸的油口注入油壓，油壓進(jìn)入活塞移動(dòng)壓縮碟簧組，這時(shí)，連接安全缸和杠桿的兩銷(xiāo)軸Ⅲ之間的距離縮短，杠桿以中部銷(xiāo)軸Ⅱ?yàn)楦軛U支點(diǎn)，使杠桿下端的兩剎車(chē)塊之間的距離增大，即剎車(chē)間隙增大。使剎車(chē)間隙達(dá)到設(shè)定值，這時(shí)閉式安全鉗處于松剎狀態(tài);當(dāng)油壓由安全缸的油口泄掉后，碟簧被釋放，兩杠桿上端朝相反方向移動(dòng)，兩杠桿上端之間距離減小，剎車(chē)塊和剎車(chē)盤(pán)貼合，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)。剎車(chē)力的大小取決于碟簧組的設(shè)計(jì)。隨著剎車(chē)次數(shù)的增加，剎車(chē)塊磨損間隙增大了。超過(guò)設(shè)定值后會(huì)影響剎車(chē)的靈敏度和效能，甚至發(fā)生故障。所以要及時(shí)調(diào)整剎車(chē)間隙，以保證剎車(chē)的靈敏度和可靠性。

5 相關(guān)計(jì)算

重物質(zhì)量m=13×103kg，總行程為10 m，自由下降6 m，要求在最后4 m內(nèi)把重物完全制動(dòng)。鋼絲繩直徑d=22 mm，滾筒直徑D滾=420 mm(絞車(chē)滾筒平均工作直徑Dm=501.579 mm)，剎車(chē)盤(pán)直徑D剎=880 mm，剎車(chē)片內(nèi)圓弧半徑R1=330 mm，外圓弧半徑 R2=435 mm，夾角 θ=30°。

5．1 計(jì)算下降到6 m時(shí)末速度vt

式中:v0——重物自由下降時(shí)的初速度，取0;g——重力加速度，取9.8 m/s2;t——重物自由下降6 m所需的時(shí)間，由 s=at2/2，得 t=1.107 s;s——重物自由下降的距離，取6 m。

計(jì)算得重物在下降6 m位置時(shí)的速度vt=v0+gt=9.8×1.107=10.85 m/s。

5．2 鋼絲繩的拉力

在剎車(chē)鉗的制動(dòng)作用下，重物作減加速運(yùn)動(dòng)，行程s=4 m，此時(shí)末速度vt=0。

剎車(chē)時(shí)間t:

式中:s——重物作減速運(yùn)動(dòng)的行程，取4 m;v0——重物作減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的初速度，取10.85 m/s;vt——重物作減速運(yùn)動(dòng)4 m后的末速度，取0。

加速度a:

鋼絲繩的拉力:

F=m(g+a)η1η2ε

=10×103×(9.8+14.72)×0.7×0.97×0.97

=161.496×103N

=161.496 kN(此處為減加速度，同時(shí)重力加速度作用，此時(shí)繩拉力為此加速度和與質(zhì)量乘積)

式中:ε——浮力系數(shù)，取 0.7;η1——滑輪效率，取0.97;η2——絞車(chē)效率，取 0.97。

5．3 鉆具下放力矩

5．4 剎車(chē)盤(pán)的有效摩擦半徑Re

5．5 制動(dòng)力矩

摩擦系數(shù)μ=0.4，工作鉗個(gè)數(shù)n工=2，安全鉗個(gè)數(shù)n安=1，剎車(chē)安全系數(shù) β=1.5，增力系數(shù) ζ=1.115，工作鉗正壓力Ng:

工作鉗所需油壓P:

當(dāng)系統(tǒng)壓力為9 MPa時(shí)，制動(dòng)力矩MJ:

由計(jì)算結(jié)果可看出，很小的壓力下可以得到比較大的制動(dòng)力矩，與帶式剎車(chē)相比，操控更可靠，更省力。

5．6 發(fā)熱計(jì)算

應(yīng)符合熱平衡通式:

我們采用銅基粉末冶金制動(dòng)襯墊，提高許用溫度來(lái)解決制動(dòng)散熱問(wèn)題。

(1)制動(dòng)器3 h下放1500 m鉆具(提升設(shè)備)的發(fā)熱量Q:

式中:m1——平均提升質(zhì)量，m1=m=13000 kg;g——重力加速度，取 9.80665 m/s2;s——平均制動(dòng)行程，取4 m;η——機(jī)械效率，取 0.97;J——總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J=Jeq=381.7112 kg·m2;n——轉(zhuǎn)速，因?yàn)? m/1.107 s=325 m/min、L=πD0=2.76 m、所以325/2.76=117 r/min;Z0——每小時(shí)制動(dòng)次數(shù)，此處假設(shè)只下放1200 m鉆具，1200 m/10 m=120根，120根/3 h=40根/h，即40次/h;A——熱功當(dāng)量，取1/1000 kJ/(N·m)。

(2)剎車(chē)盤(pán)3 h的輻射散熱量Q1:

式中:β1——制動(dòng)盤(pán)光亮表面的輻射系數(shù)，取5.4 kJ/(m2·h·℃);A1——制動(dòng)盤(pán)光亮表面的面積，A1=2π(R2－r2)=2π(0.3752－0.242)=0.7825 m2;β2——制動(dòng)盤(pán)暗黑表面的輻射系數(shù)，取18 kJ/(m2·h·℃);A2——制動(dòng)盤(pán)暗黑表面的面積，A2=2πr2+πDb=2π0.242+π0.75×0.03=0.4326 m2;T1——熱力學(xué)溫度，T1=273+t1=273+500=773 ℃;t1——摩擦材料的許用溫度，取500℃;T2——熱力學(xué)溫度，T2=273+t2=273+35=308℃;t2——周?chē)罡攮h(huán)境溫度，取35℃。

(3)每小時(shí)自然對(duì)流散熱量Q2:

式中:a1——自然對(duì)流系數(shù)，取 20.9 kJ/(m2·h·℃);A3——制動(dòng)盤(pán)光亮表面及圓環(huán)面扣除摩擦材料遮擋的散熱面積，A3=A1+πDb－0.0318=0.8332 m2;JC——工作率，JC=Sg/Sz=5.42/90=0.06;Sg——制動(dòng)時(shí)間，Sg=10 m/1.844 m/s=5.42 s;Sz——一個(gè)周期總時(shí)間，Sz=40 根/h=1.5 min/根=90 s/根。

(4)每小時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流散熱量Q3:

式中:a2——強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)，a2=25.7v0.73=25.7×2.25×0.73=42.22 kJ/(m2·h·℃);v——散熱圓環(huán)面的圓周速度，自由下落至制動(dòng)結(jié)束平均速度v=1.844 m/s;A4——制動(dòng)盤(pán)光亮表面及圓環(huán)面的散熱面積，A4=A1+πDb=0.8532 m2。

(5)熱平衡通式驗(yàn)算:

上述結(jié)果可以看出下放1200 m鉆具的發(fā)熱量大于剎車(chē)盤(pán)的散熱量，此時(shí)剩余300 m鉆具就可以采用液壓流量控制下放模式，在這里我們?cè)O(shè)計(jì)剎車(chē)盤(pán)采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，散熱面積增加一倍，確保散熱性能更好，更安全。

與傳統(tǒng)帶式剎車(chē)相比，在極端條件下，深孔頻繁提下鉆時(shí)，盤(pán)鉗式剎車(chē)散熱更好，剎車(chē)片與帶式石棉剎車(chē)帶比耐熱溫度更高，更安全。

6 試驗(yàn)應(yīng)用情況

我公司配備液壓盤(pán)鉗式卷?yè)P(yáng)機(jī)的全液壓巖心鉆機(jī)于2011年9月試制完成，于2012年3月9日在陜西榆林橫山縣趙石畔井田(煤田勘查)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，勘查區(qū)位于鄂爾多斯盆地之次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中南部，4月5號(hào)完成，終孔深度532.3 m。

2012年5月至今配有該液壓盤(pán)鉗式卷?yè)P(yáng)機(jī)的鉆機(jī)在青海格爾木市夏日哈木礦區(qū)進(jìn)行銅多金屬礦勘查，該礦區(qū)地處柴達(dá)木盆地西南緣。該地地層較煤系地層相對(duì)堅(jiān)硬，鉆機(jī)至今一直正常使用，取得了良好的效益。雖然與傳統(tǒng)帶式剎車(chē)相比制造成本比較高，但是從施工安全性與節(jié)省人工上更具有優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可以完全取代傳統(tǒng)帶式剎車(chē)，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更好。

7 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)具備自由落鉤的性能，但是深孔下放鉆具可控性較差，抱閘式剎車(chē)帶容易磨損，更換麻煩，且卷筒易發(fā)熱，安全性降低，易造成事故。

現(xiàn)有其他廠家的全液壓巖心鉆機(jī)用卷?yè)P(yáng)機(jī)依靠液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷筒正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)下放鉆具，其優(yōu)點(diǎn)是速度可控，安全性高，但是下鉆效率低。

我公司研發(fā)的液壓盤(pán)鉗式卷?yè)P(yáng)機(jī)，同時(shí)具有以上2種卷?yè)P(yáng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)用卷?yè)P(yáng)制動(dòng)力矩更大，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間更短，可以實(shí)現(xiàn)自由落鉤，并且在制動(dòng)發(fā)熱過(guò)高時(shí)，可以采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下放速度可控，避免制動(dòng)盤(pán)溫度過(guò)高產(chǎn)生的不安全隱患。

［1］ 戴圣海，彭儒金，邱華，等．XY－44AT型塔機(jī)一體鉆機(jī)的研制與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015(4):37－39．

［2］ 彭儒金，戴圣海，邱華，等．XY－6B型巖心鉆機(jī)的研制與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9):59－61．

［3］ 劉文起．巖心鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．地質(zhì)裝備，2013，(8)．

［4］ 武漢地質(zhì)學(xué)院，等．巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計(jì)原理［M］．北京:地質(zhì)出版社，1980．

［5］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［6］ 王助成，等．有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1997．

［7］ 謝柞水．結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概論［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997．

［8］ 超祥，葉修梓．Solid Works Simulation基礎(chǔ)教程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980．