李 寬，蘇厚斌

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，山東 招遠(yuǎn) 265400）

1 XY-8型巖心鉆機(jī)主要特點(diǎn)

XY-8型鉆機(jī)是由張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司研發(fā)并生產(chǎn)的一種大通徑深孔鉆機(jī)，主要用于金屬及非金屬固體礦床小口徑鉆進(jìn)，也可用于水文、油氣田的勘探及工程鉆孔，分布廣泛，操作簡(jiǎn)單[1，2]。相較全液壓鉆機(jī)XY-8鉆機(jī)具有低耗高效、實(shí)用可靠、維修方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，相比其他機(jī)械立軸式鉆機(jī)XY-8鉆機(jī)具有設(shè)計(jì)功率大（電動(dòng)機(jī)90kW、柴油機(jī)130kW）、立軸通徑大（通徑φ118）、卡盤(pán)加持力大、卷?yè)P(yáng)機(jī)提升力大等特點(diǎn)。

2 在實(shí)際使用中暴露出的問(wèn)題

隨著XY-8鉆機(jī)在鉆探施工中的不斷使用，尤其是深孔工程不斷增多，鉆孔深度不斷加深，原始XY-8鉆機(jī)的缺點(diǎn)也不斷地暴露出來(lái)，有些甚至影響到正常生產(chǎn)。有些礦區(qū)反應(yīng)在使用XY-8鉆機(jī)鉆進(jìn)深孔時(shí)，鉆機(jī)震動(dòng)幅度變大，導(dǎo)致變速箱檔位自鎖裝置失靈，引發(fā)跳檔現(xiàn)象；變速箱設(shè)定的傳動(dòng)比不合理，檔位鉆機(jī)轉(zhuǎn)速總體偏低，達(dá)不到金剛石鉆進(jìn)中所需要的高轉(zhuǎn)速，而強(qiáng)行升擋提高鉆速則會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)阻力顯著升高，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流過(guò)大；同樣隨著回轉(zhuǎn)阻力不斷增加，卡盤(pán)夾不住主動(dòng)鉆桿現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，急劇磨損主動(dòng)鉆桿和卡盤(pán)卡瓦；水剎車(chē)連接軸質(zhì)量不可靠，隨著水剎車(chē)軸傳遞扭矩不斷增加，易出現(xiàn)扭斷現(xiàn)象；除此以外，隨著液壓油溫度隨著鉆機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作而不斷變高，粘度將會(huì)降低，出現(xiàn)液壓系統(tǒng)失靈現(xiàn)象。2017年，由山東第六地質(zhì)大隊(duì)承攬施工的河南省洛寧縣上宮金礦深部普查項(xiàng)目ZK322000鉆孔中使用XY-8鉆機(jī)，設(shè)計(jì)孔深2000米。當(dāng)鉆進(jìn)至1700以深時(shí)，出現(xiàn)上下卡盤(pán)夾不住主動(dòng)鉆桿現(xiàn)象，主動(dòng)鉆桿及上卡盤(pán)卡瓦由于發(fā)生滑動(dòng)摩擦而磨損劇烈，使用壽命變短，需勤換主動(dòng)鉆桿及上卡盤(pán)卡瓦，增加輔助時(shí)間且增加生產(chǎn)成本。

3 改進(jìn)措施

3.1 變速箱的改進(jìn)

由于XY-8型鉆機(jī)原本使用東風(fēng)汽車(chē)產(chǎn)17LYG1-00030型三軸式頂軸傳動(dòng)變速器，有四個(gè)正轉(zhuǎn)檔位和一個(gè)反轉(zhuǎn)檔位，集成度高，對(duì)變速箱本身改進(jìn)難度大，為了解決出現(xiàn)的問(wèn)題需要只有通過(guò)更換新型變速箱。但由于只能在原有XY-8鉆機(jī)骨架上更換，受到安裝定位尺寸及齒輪傳動(dòng)配合的種種限制，在新變速箱的選擇上存在很大的局限性。通過(guò)各種變速箱對(duì)比，最終選擇同系列的17LYG3-00030型變速箱。該變速箱為原17LYG1-00030型變速箱的升級(jí)型號(hào)，在總體尺寸變化不大的基礎(chǔ)上提高傳動(dòng)比，使得鉆機(jī)轉(zhuǎn)速及卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)度相應(yīng)提高，從而增加鉆進(jìn)效率。新變速箱隨著材料、工藝方面的改變，其可靠性也有一定提高，跳檔問(wèn)題有所解決。使用新舊變速箱的鉆機(jī)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1和表2。

表2 第三層卷筒線(xiàn)速度（米/秒）

3.2 水剎車(chē)連接軸改進(jìn)

原廠所使用的水剎車(chē)連接軸直徑為φ60.2mm，新連接軸將直徑為擴(kuò)大為φ70.1mm。通過(guò)計(jì)算實(shí)心圓截面扭轉(zhuǎn)系數(shù)公式

可知新軸的圓截面扭轉(zhuǎn)系數(shù)是舊軸的1.59倍。又根據(jù)公式

相同材料下，最大許用切應(yīng)力[τ]相同，所以新軸的抗扭強(qiáng)度是舊軸的1.59倍。為了安裝新連接軸，需將鉆機(jī)骨架擴(kuò)孔，將原水剎車(chē)連接軸使用的6312軸承更換為6314軸承。

3.3 上卡盤(pán)改進(jìn)

原廠鉆機(jī)使用上卡盤(pán)結(jié)構(gòu)為碟簧卡緊油缸松開(kāi)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)原理為：上卡盤(pán)油缸活塞下移，卡瓦座壓縮彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)卡瓦徑向移動(dòng)從而松開(kāi)鉆桿；上卡盤(pán)油缸卸油，碟簧推動(dòng)卡瓦座帶動(dòng)卡瓦移動(dòng)從而卡緊鉆桿。從原理上看，上卡盤(pán)卡緊主動(dòng)鉆桿時(shí)所能提供的徑向壓力完全是碟簧提供的彈力所轉(zhuǎn)化的，當(dāng)鉆孔中鉆具長(zhǎng)度不斷增加，回轉(zhuǎn)阻力不斷加大，但碟簧其自身隨著使用時(shí)間長(zhǎng)，出現(xiàn)疲勞破壞情況下，所能提供的彈力就不足以支持上卡盤(pán)卡瓦完全壓住主動(dòng)鉆桿。壓力一旦減弱，就會(huì)出現(xiàn)主動(dòng)鉆桿打滑現(xiàn)象，主動(dòng)鉆桿和上卡盤(pán)卡瓦之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，急劇磨損上卡盤(pán)卡瓦和主動(dòng)鉆桿，降低接觸面摩擦系數(shù)，如果不及時(shí)更換主動(dòng)鉆桿和上卡盤(pán)卡瓦，則需要更大的壓力來(lái)滿(mǎn)足所需，碟簧顯然無(wú)法提供更大的壓力，這是碟簧卡緊油缸松開(kāi)結(jié)構(gòu)自身的缺陷，通過(guò)更換碟簧、主動(dòng)鉆桿及上卡盤(pán)卡瓦來(lái)暫且緩解問(wèn)題，不僅無(wú)法達(dá)到平穩(wěn)生產(chǎn)需求還會(huì)增加施工成本，降低生產(chǎn)效率。

解決辦法是將上卡盤(pán)更換為液壓齒條齒滾卡盤(pán)。上卡盤(pán)托架通過(guò)油缸活塞作上下運(yùn)動(dòng)而同向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒條整體上下運(yùn)動(dòng)，并使齒桿旋轉(zhuǎn)。齒桿兩段的左右絲扣通過(guò)螺帽連接到卡瓦座上，在帶動(dòng)卡瓦座移動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)卡瓦的徑向移動(dòng)，最終達(dá)到卡緊鉆桿或松開(kāi)鉆桿的目的。如此更改，卡瓦對(duì)主動(dòng)鉆桿的壓力由液壓油缸的推力轉(zhuǎn)化而來(lái)，不存在碟簧的疲勞破壞現(xiàn)象。對(duì)于液壓油缸所產(chǎn)生的推力也可通過(guò)隨時(shí)加大油泵壓力或增加油缸缸徑來(lái)增加，杜絕主動(dòng)鉆桿打滑或夾持能力不足的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.4 液壓油路的改進(jìn)

油路系統(tǒng)中的壓力油，應(yīng)用20#機(jī)械油，代號(hào)HJ-20(GB443-64)舊牌號(hào)為3#錠子油，雖另可選用其他液壓油，但需保證再油溫50℃的運(yùn)動(dòng)粘度在17～23(m^2)/s。但隨著孔深增加，高壓工作時(shí)間不斷延長(zhǎng)，會(huì)使液壓油溫度不斷上升，運(yùn)動(dòng)粘度急劇減少，齒輪油泵無(wú)法產(chǎn)生充足壓力。此外，油溫過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致液壓油本身氧化加速，降低液壓油的使用壽命。且隨著溫度增加，液壓元件可移動(dòng)部位的油膜變薄，增加滑動(dòng)摩擦阻力，導(dǎo)致元件磨損加劇。橡膠密封件也會(huì)因?yàn)闇囟扔绊懀崆笆Ю匣?，喪失密封性能，使用壽命顯著降低。而時(shí)常更換液壓油、零件及密封圈就會(huì)增加生產(chǎn)成本，降低工作效率。

液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量由系統(tǒng)各散熱面通過(guò)熱輻射形式散發(fā)到外界中，對(duì)于鉆機(jī)來(lái)講，管路散熱小，熱量主要通過(guò)油箱發(fā)散出去。當(dāng)只考慮油箱散熱時(shí)，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的散熱功率為：

式中，Pc為液壓系統(tǒng)散熱功率；K為散熱系數(shù)，其值按表4選擇選擇；A為油箱散熱面積；Δθ為油箱溫度與環(huán)境溫度之差。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的散熱功率小于發(fā)熱功率，液壓油溫度就會(huì)不斷增加。隨著Δθ不斷增大，散熱功率增大到與發(fā)熱功率相等，液壓油才會(huì)停止升溫，并維持在高溫狀態(tài)。

以往的解決辦法只有暫停工作，等自然冷卻降溫。但由于機(jī)臺(tái)大多配備塔衣，鉆機(jī)通風(fēng)較差，只通過(guò)空氣散熱很難盡快將熱量散發(fā)掉，需要長(zhǎng)時(shí)間散熱才能將油溫下降到合理區(qū)間，嚴(yán)重耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，白白增加輔助時(shí)間。且再度工作時(shí)，油溫又會(huì)快速升高，所以此舉無(wú)異于揚(yáng)湯止沸，沒(méi)有解決問(wèn)題。根據(jù)公式可知，為了增加散熱功率，可以增加油箱散熱面積，我們也嘗試在XY-6B鉆機(jī)上加裝散熱副油箱。但受鉆機(jī)本身體積限制，通過(guò)增加油箱散熱面積來(lái)增加散熱功率方面提升有限，該XY-6B鉆機(jī)使用過(guò)程中，油溫還是維持在相當(dāng)高位。通過(guò)表3可知，通過(guò)設(shè)置循環(huán)水冷卻來(lái)替換通風(fēng)冷卻，在相同情況下可使散熱功率提升12～19倍，能生產(chǎn)滿(mǎn)足需求。所以為油缸添加水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過(guò)兩根油管將液壓油導(dǎo)入到散熱管中，并將散熱管置于冷水中，通過(guò)不斷更換冷水從而帶走液壓油中的熱量，達(dá)到降溫目的。

表3 散熱系數(shù)值

4 改進(jìn)效果

XY-8鉆機(jī)完成改進(jìn)后，赴山東招遠(yuǎn)水旺莊3000米科鉆項(xiàng)目施工。該孔是招平斷裂帶第一深孔，為山東省2018年度公開(kāi)招標(biāo)項(xiàng)目，也是山東地礦局重點(diǎn)項(xiàng)目。該孔自2018年8月19日開(kāi)鉆，2019年4月11日終孔，最終孔深3000.58m，效率顯著。

該孔設(shè)計(jì)孔深3000m，φ122繩索取芯鉆深至980m，φ98繩索取芯鉆深至2114m，Φ71繩索取芯鉆深至3000.58m，施工期間，鉆機(jī)共大修0次，修理油泵3次，更換水籠頭軸承4次，圓滿(mǎn)完成了鉆探任務(wù)。相較以往，一定程度上減少維修次數(shù)，獲得機(jī)臺(tái)的好評(píng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次改進(jìn)后的XY-8型鉆機(jī)在提供更高轉(zhuǎn)速的同時(shí)，跳擋現(xiàn)象及上下卡盤(pán)夾不住主動(dòng)鉆桿的現(xiàn)象消失；提下鉆過(guò)程中，水剎車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)良好；連續(xù)高強(qiáng)度操作液壓系統(tǒng)也不會(huì)使油溫升高。鉆機(jī)在整個(gè)施工過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)良好，沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重機(jī)械事故，極大減少輔助時(shí)間。通過(guò)此次成功改進(jìn)，施工作業(yè)人員也體驗(yàn)到要跟隨時(shí)代，時(shí)刻改進(jìn)改善設(shè)備，保持設(shè)備先進(jìn)性，謀求高質(zhì)量發(fā)展。也為改裝其他同類(lèi)產(chǎn)品提供思路，起到借鑒、引導(dǎo)意義。