魏治利, 鐘 路, 謝振權(quán), 臧 龍, 彭 瑩

(1.湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007; 2.長沙礦山研究院，湖南 長沙 410012)

深海底鉆機動力頭的鉆桿自行拋棄和沖擊卸扣機構(gòu)

魏治利1, 鐘 路2, 謝振權(quán)1, 臧 龍2, 彭 瑩1

(1.湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007; 2.長沙礦山研究院，湖南 長沙 410012)

文章介紹了深海巖心取樣鉆機的主要部件動力頭的結(jié)構(gòu)及特點。根據(jù)深海鉆進(jìn)的特殊情況，專門在動力頭上設(shè)計了鉆桿自行拋棄機構(gòu)和沖擊卸扣機構(gòu)。這兩種機構(gòu)可在發(fā)生卡鉆事故鉆機無法回收已經(jīng)深入孔內(nèi)的鉆桿串時，可將其自行拋棄，或由于動力頭扭矩液壓馬達(dá)出現(xiàn)故障不能擰卸鉆桿時，沖擊卸扣機構(gòu)將對鉆桿絲扣進(jìn)行沖擊使其松動而卸扣。文章重點介紹了鉆桿自行拋棄機構(gòu)和沖擊卸扣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理。

海底巖心鉆機；動力頭；鉆桿自行拋棄機構(gòu)；沖擊卸扣機構(gòu)

隨著陸地資源的不斷枯竭，人類已經(jīng)將未來發(fā)展的空間轉(zhuǎn)向了海洋?？茖W(xué)家預(yù)測，未來世界將是海洋的世界，海洋將為人類提供一定的生存空間和必要的資源。

深海巖心取樣鉆機是進(jìn)行深海底礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)調(diào)查等不可缺少的技術(shù)裝備。鉆機一般裝備于大型遠(yuǎn)洋科學(xué)調(diào)查船上，用鎧裝臍帶電纜吊放到海底，通過鎧裝臍帶電纜供電和通訊遙控在海底鉆進(jìn)并取得巖心。當(dāng)海底巖心取樣鉆機的鉆進(jìn)深度超過10 m時，往往需要使用順次連接的多根鉆桿，這就要求回轉(zhuǎn)動力頭具有接卸鉆桿的能力。由于鉆桿絲扣在鉆進(jìn)過程中有可能被擰得很緊，擰卸鉆桿時需要鉆機的動力頭具有強大的反向扭矩。當(dāng)鉆機的鎧裝臍帶電纜能夠提供的電功率充足，鉆機配備有足夠強大的液壓系統(tǒng)時，可以依靠鉆機動力頭上的大扭矩液壓馬達(dá)實現(xiàn)鉆桿的強力擰卸。但是，如果液壓馬達(dá)出現(xiàn)故障，就不能實現(xiàn)鉆桿的擰卸。因此，動力頭還要配有另外的卸扣機構(gòu)。另外，當(dāng)發(fā)生卡鉆事故時，鉆機和調(diào)查船將被“錨固”于鉆探點，難以脫離，鉆機無法回收已經(jīng)深入孔內(nèi)的鉆桿串，這就要求動力頭必須具有自行拋棄鉆桿的機構(gòu)。

2011年，湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司(以下簡稱飛碟公司)和長沙礦山研究院合作成功開發(fā)了鉆深能力5 m的機型。2012年，又聯(lián)合開發(fā)了鉆深能力20 m的機型，其中，飛碟公司主要承擔(dān)了鉆機推進(jìn)機構(gòu)、動力頭、鉆具架等幾大部分的開發(fā)與制造。對穩(wěn)定鉆機的技術(shù)參數(shù)，提升整機的技術(shù)水平，拓展鉆探技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。

1 動力頭概述與工作原理

動力頭的功能是傳遞液壓馬達(dá)的動力，使鉆具以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，作正向或反向回轉(zhuǎn)運動。它位于鉆機的鉆架上面，是液壓給進(jìn)時的執(zhí)行機構(gòu)，由液壓油缸通過鋼絲繩、滑輪組驅(qū)動它進(jìn)行給進(jìn)或起拔的直線運動。從而在鉆架導(dǎo)軌面上實現(xiàn)滑移。因此，動力頭結(jié)構(gòu)與性能必須滿足鉆進(jìn)工藝的下列要求：

(1)鉆頭克取巖石的轉(zhuǎn)速和扭矩是經(jīng)常變化的。合金鉆進(jìn)一般轉(zhuǎn)速在100～500 r/min，金剛石鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速常在600～1500 r/min。

(2)孔內(nèi)工藝要求動力頭能反向回轉(zhuǎn)，一般要求具有1～2個轉(zhuǎn)速為70～250 r/min的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

(3)動力頭應(yīng)有良好的導(dǎo)向作用，以便鉆進(jìn)時，保證鉆孔的設(shè)計傾角。

新研制的深海底動力頭，是嚴(yán)格按照上述技術(shù)要求設(shè)計的。通過調(diào)研，充分汲取了同類型動力頭的性能優(yōu)點，達(dá)到了運行可靠，維修方便的目的。同時，繼續(xù)了全液壓動力頭鉆機鉆進(jìn)行程長，夾持器可靠等優(yōu)點，操作方便。

(1)動力頭：采用A2F80W型馬達(dá)直接驅(qū)動動力頭六方傳動套，經(jīng)六方結(jié)構(gòu)傳動給主動鉆桿。在卡鉆不能起拔時，具有拋棄鉆桿的功能。拋棄鉆桿的機構(gòu)采用鋼球與卡環(huán)套組合結(jié)構(gòu)。

(2)鉆架：油缸驅(qū)動動滑輪組進(jìn)行往返直線運動，拉動鋼絲繩雙倍行程給進(jìn)機構(gòu)，實現(xiàn)動力頭的給進(jìn)與起拔。

2 主要部件結(jié)構(gòu)特點

2.1 動力頭

動力頭主體由具有圓柱形內(nèi)腔的支座組成，前、后兩端分別通過后端蓋和前端蓋封閉。后端蓋上安裝液壓馬達(dá)，六方傳動套通過一對圓錐軸承安裝在支座腔內(nèi)，液壓馬達(dá)輸出軸與六方傳動套之間通過平鍵傳遞力矩，六方傳動套裝有棘輪，棘輪通過平鍵與六方傳動套傳遞力矩。六方傳動套通過內(nèi)六方與可拋棄主動軸傳遞力矩，可拋棄主動軸帶有環(huán)型槽，通過置于六方傳動套中部的鋼球軸向固定?？蓲仐壷鲃虞S通過螺紋與鉆桿連接?？刂其撉蛭恢玫目ōh(huán)套外面裝有帶O形密封圈的環(huán)形棄軸活塞組件，能夠形成一開一關(guān)兩個密閉的內(nèi)腔，壓力油與回油通過油接頭流通。支座外部兩側(cè)面裝有鎖扣油缸。鎖扣油缸體上設(shè)有油管接口。支座上部焊接了卸扣油缸，兩端沖扣缸蓋分別接壓力油管。卸扣油缸內(nèi)的活塞桿裝有扭力彈簧、棘爪和棘爪銷等。該機構(gòu)可在大功率的海底巖心取樣鉆機上實現(xiàn)強力擰卸鉆桿絲扣，應(yīng)急拋棄鉆桿等功能。

動力頭的結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1動力頭結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 動力頭剖面圖

動力頭除傳遞回轉(zhuǎn)運動和扭矩外，還帶動鉆具上、下運動，傳遞給進(jìn)力和起拔力。由于長期在海底使用，具有較高的抗腐蝕和抗高壓能力。因此，動力頭的密封性能要好，在前端蓋和隔水套兩部分采用了司達(dá)行C721系列的旋轉(zhuǎn)壓力密封件，保護(hù)了腔內(nèi)的轉(zhuǎn)動件。

2.2 鉆桿自行拋棄與沖擊卸扣機構(gòu)

正常鉆進(jìn)時，液壓馬達(dá)輸出的旋轉(zhuǎn)運動和扭矩經(jīng)過六方傳動套和主動軸傳遞給鉆桿，通過鉆桿下部安裝的鉆頭鉆入巖層。鉆桿自行拋棄機構(gòu)由棄軸活塞、油缸外圈、卡環(huán)套、銅滑套、鋼球、孔用擋圈、O形密封圈組成。棄軸活塞與支座之間通過軸向運動形成“一開一閉”兩個密閉的環(huán)形內(nèi)腔，分別聯(lián)通油接頭。在高壓液壓油的作用下，棄軸活塞帶動卡環(huán)套軸向移動，迫使鋼球徑向位移，從而嵌入主動軸環(huán)形槽或者跳出環(huán)形槽，主動軸夾緊或松開。當(dāng)棄軸活塞組件處于圖1所示位置時，六方傳動套變徑孔內(nèi)6個鋼球凸出的一部分均被卡環(huán)套限制在主動軸半圓形環(huán)槽內(nèi)。當(dāng)遇到事故需要拋棄鉆桿時，支座下部一個油接頭口向棄軸活塞關(guān)閉腔注入高壓液壓油，使棄軸活塞位移關(guān)閉另一個油腔驅(qū)動卡環(huán)套滑移，鋼球失去徑向壓力，主動軸帶動鉆桿在重力作用下自行脫落。

鉆桿沖擊卸扣機構(gòu)，在支座上的位置正好是棘輪在支座內(nèi)部的安裝位置的外部。它由沖扣缸蓋、缸筒、活塞桿、扭力彈簧、扭簧銷、棘爪、棘輪、銷軸等組成。2個沖扣缸蓋上分別裝油接頭連通液壓油?；钊麠U為圓柱形，柱體內(nèi)加工長方形槽，扭力彈簧與棘爪安裝在里面。在扭力彈簧的作用下，棘爪能順利彈出槽外與棘輪進(jìn)行嚙合，形成棘輪棘爪機構(gòu)。當(dāng)活塞桿向圖2所示右方移動時棘爪能收縮進(jìn)入槽內(nèi)，與棘輪分離。當(dāng)活塞桿向圖2所示左方移動時，棘爪沖擊棘輪反時針方向轉(zhuǎn)動。由于活塞桿能夠提供相當(dāng)強大的推力，使棘輪帶動鍵聯(lián)接的六方傳動套反方旋轉(zhuǎn)獲得大的扭矩。該扭矩比液壓馬達(dá)提供的反扭矩大很多，足以將因鉆進(jìn)而擰得很緊的鉆桿絲扣沖開。活塞桿在高壓液壓油的推動下，能間歇性地反復(fù)移動，不斷沖擊棘輪連續(xù)反轉(zhuǎn)，帶動主動軸也跟著反轉(zhuǎn)，達(dá)到卸松主動軸與鉆桿之間絲扣的目的。

2.3 鉆架

動力頭安裝在鉆架的導(dǎo)軌上，在鋼絲繩牽引下能夠平穩(wěn)地進(jìn)行往返滑移，并且，在鉆桿遇到較大扭矩時能保持動力頭的穩(wěn)定性。鉆架內(nèi)腔裝有給進(jìn)油缸和一組動滑輪，兩端分別裝有兩組定滑輪。給進(jìn)油缸工作時，活塞桿直接驅(qū)動端頭鏈接的動滑輪組，拉動鋼絲繩雙倍程運動，實現(xiàn)給進(jìn)或起拔。動滑輪組在鉆架腰形長槽內(nèi)作直線運動，行程是1.45 m。兩根鋼絲繩相應(yīng)地纏繞在滑輪槽內(nèi)，背向牽引固定在動力頭座底部的兩個半圓形滑輪，使動力頭作往返運動。2根鋼絲繩的端頭由4根可調(diào)拉桿固定在鉆架兩側(cè)。鉆架與動力頭的裝配位置見圖3。

圖3鉆架與動力頭的裝配位置圖

3 主要技術(shù)參數(shù)

通過市場調(diào)研，參考了同類型鉆機的技術(shù)性能后，所設(shè)計的深海底鉆機動力頭技術(shù)參數(shù)如下。

(1)因海底工作環(huán)境的特殊，海水壓力30 MPa以上，要求產(chǎn)品抗高壓；耐腐蝕，一次防護(hù)后能連續(xù)在海底工作1個月。

(2)驅(qū)動動力頭的給進(jìn)油缸徑80 mm，行程1400 mm。在鉆架上一次給進(jìn)行程為2800 mm。

(3)鉆機系統(tǒng)流量為70 L/min，額定壓力為21 MPa，馬達(dá)扭矩為254 N·m，轉(zhuǎn)速為712.5 r/min。

(4)鉆機壓力為21 MPa時，動力頭起拔力為105.5 kN，給進(jìn)力為35.9 kN。

(5)鉆孔深度為20 m，終孔尺寸為?75 mm。

鉆機鉆孔傾角約90°，整機采用穩(wěn)定支持與調(diào)平技術(shù)。鉆機調(diào)平支腿設(shè)計了液壓馬達(dá)驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)向外伸展的結(jié)構(gòu)。這就使得整個支撐范圍變得更廣，進(jìn)一步提高了鉆機的穩(wěn)定性。同時，液壓馬達(dá)驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)具有自鎖、調(diào)節(jié)速度快、占用高度小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。該機構(gòu)能在25°范圍內(nèi)將鉆機調(diào)平。

4 產(chǎn)品應(yīng)用情況

深海底巖心取樣鉆機主要用途是對深海富鈷結(jié)殼礦藏資源的鉆探和多金屬硫化物勘探，兼顧環(huán)境基線和生物多樣性調(diào)查。產(chǎn)品在“海洋六號”、“大洋一號”調(diào)查船上使用正常。在西南印度洋中的18座海山完成了100多次的取樣作業(yè)，最長獲取到1.2 m的結(jié)殼巖心樣品，為中國大洋科學(xué)考察獲取了大量的實物樣品。部分巖心樣品見圖4。

圖4 采取的巖心樣品

深海底鉆機研究課題所涉及的研究內(nèi)容和獲取的多項研究成果，為各種類型的海底取樣設(shè)備、海底現(xiàn)場測量設(shè)備和海底綜合考查設(shè)備的研制開發(fā)提供了許多可借鑒的深海動力和遠(yuǎn)程測控技術(shù)。深海動力頭技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和固化，不僅可以使研發(fā)深海探測設(shè)備少走彎路，提高研發(fā)成功率，另一方面，為深海器件的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化奠定開發(fā)基礎(chǔ)。從動力頭的技術(shù)參數(shù)與鉆桿自行拋棄、沖擊卸扣功能來看，還可運用于其他深海、淺海、湖泊的各種調(diào)查的巖心取樣，具有廣泛的應(yīng)用前景。

動力頭安裝在一系列鉆機上，在西南印度洋、南海等幾個施工工地進(jìn)行了不同深度、不同工藝的打孔作業(yè)?？咨?～30 m，終孔?51.8～75 mm，都能正常鉆進(jìn)，工作順利，巖心采取率超過75%，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。2016年7月，在某工地施工處理孔內(nèi)故障時暴露出了2點問題。

(1)鉆桿自行拋棄機構(gòu)，棄軸活塞出了串油不能把主動軸拋棄的現(xiàn)象。為了解決這個問題，采取了改進(jìn)措施：更換了高性能的密封圈，保證棄軸活塞正常工作，對自拋機構(gòu)部分的所有零件進(jìn)行銳角倒鈍、倒圓、去毛刺，防止在組裝進(jìn)刮傷密封圈。

(2)沖擊卸扣機構(gòu)，內(nèi)部棘爪與棘輪不產(chǎn)生沖擊扭矩，主動軸不能順利反轉(zhuǎn)卸下鉆具。棘輪不產(chǎn)生沖擊力扭矩的原因是棘爪不能正常與它嚙合造成的。為此，更換了扭力彈簧，并對棘爪的沖擊角進(jìn)行了改進(jìn)。另外對棘爪前部進(jìn)行淬火處理，提高表面硬度。

深海底巖心取樣鉆機總體外觀照片見圖5。

圖5 深海底巖心取樣鉆機總體外觀

5 結(jié)語

HDZ-5型動力頭于2011年4月出廠2臺，12月14日升級后又出廠3臺。4月出廠的2臺，在“海洋六號”調(diào)查船上使用正常，取得了完整的結(jié)殼巖心樣品。2014年，最新研發(fā)的HDZ-20型動力頭，進(jìn)一步提升了在行業(yè)內(nèi)的影響力。該項目達(dá)到了預(yù)期的目的，并獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，可以說，動力頭部分的結(jié)構(gòu)是典型的，合理的，技術(shù)性能是先進(jìn)的，可靠的。

經(jīng)過幾個施工單位的實際應(yīng)用后，進(jìn)行了改進(jìn)完善，效果較好，所研制的動力頭機構(gòu)具有以下幾個突出特點：

(1)動力頭具有沖擊卸扣結(jié)構(gòu)，能可靠地拆卸鉆桿，處理卡鉆事故能力強；

(2)動力頭自帶拋軸結(jié)構(gòu)，鉆機安全逃生能力強，能有效降低經(jīng)濟(jì)損失；

(3)傳動力矩大，鉆進(jìn)效率高，巖心采取率高；

(4)能適應(yīng)多級轉(zhuǎn)速和低速大扭矩，適應(yīng)大口徑鉆進(jìn)，適宜采用金剛石鉆頭；

(5)在整個鉆進(jìn)過程中，機械故障發(fā)生幾率低，動力頭使用壽命長。

通過對動力頭的設(shè)計和改進(jìn)，我們認(rèn)為在滿足工藝要求的前提條件下，動力頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單、可靠、維修方便，便于在海洋上工作，減輕操作人員的勞動強度。

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DrillPipeSelf-desertionandImpactBreak-outMechanismforPowerHeadofDeepUnderseaDrillingRig

WEIZhi-li1,ZHONGLu2,XIEZhen-quan1,ZANGLong2,PENGYing1

(1.Hunan Flydisc New Material Co., Ltd., Changsha Hunan 410007, China; 2.Changsha Mining Research Institute, Changsha Hunan 410012, China)

This paper introduces the structure and characteristics of the power head, a major component of deep sea core sampler. According to the special conditions of deep sea drilling, a self-desertion mechanism and impact break-out mechanism are specially designed on the power head to abandon the sticking drill pipes in hole when they can not be withdrawn or to loose the drill pipe threads by compact when the power head torque hydraulic motor fails to unscrew drill pipe. This paper emphatically introduces the structures and working principles of drill pipe self-desertion mechanism and impact break-out mechanism.

submarine core drill; power head; drill pipe self-desertion mechanism; drill pipe compact break-out mechanism

2017-03-23；

2017-08-18

魏治利，男，漢族，1977年生，機械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，從事鉆探設(shè)備研究與設(shè)計、生產(chǎn)與制造等工作，湖南省長沙市雨花區(qū)曙光路232號，weizhili20008@163.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017) 10-0084-04