張福海， 吳 浩,2， 田英材， 牛軍輝， 趙曉冬， 李向東

(1.中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北涿州 072750； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007)

0 引言

生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作需要準(zhǔn)確獲取地層樣品信息，對環(huán)境取樣鉆機提出了更高要求。聲頻環(huán)保鉆機具有無需泥漿鉆進、取樣質(zhì)量高、取樣直徑大、鉆進速度快的特點，在污染場地調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測井、尾礦庫勘察和工程勘察等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

聲頻環(huán)保鉆機桅桿下部裝有雙層液壓夾持器，它由上層夾持器、下層夾持器和卸扣組件構(gòu)成，用于鉆桿的夾持和擰卸作業(yè)，能夠節(jié)省人力，提高作業(yè)效率(圖1)[6-8]。

1-卸扣組件；2-上層夾持器；3-下層夾持器；4-V形卡爪

1 夾持器的液壓V形卡爪動作不同步現(xiàn)象與危害

目前，聲頻環(huán)保鉆機在鉆進過程中，夾持器需要頻繁夾持、擰卸鉆桿。由于夾持器左、右油缸及液壓V形卡爪在制造、工作運行等環(huán)節(jié)中存在摩擦阻力差異，導(dǎo)致左、右夾持油缸的油壓和流量不同，進而出現(xiàn)夾持器左、右油缸和V形卡爪的推出速度不同，速度快的夾塊會將鉆桿推向速度慢的卡爪一側(cè)，產(chǎn)生以下不利后果[9-12]：

1)造成鉆桿損傷。多次夾持，將鉆桿反復(fù)推靠到一側(cè)，容易造成鉆桿的疲勞，嚴(yán)重時導(dǎo)致鉆桿斷裂。上下連接的鉆具需要同心，現(xiàn)有夾持器不能同步伸縮加緊，給鉆桿帶來了側(cè)向交變彎曲力，鉆桿螺紋造成部分連接處出現(xiàn)真空，增大了數(shù)倍的摩擦力，直接損傷牙型壓力角接觸面，增加了螺紋磨損程度，縮短了使用壽命。

2)破壞動力頭。當(dāng)動力頭主軸接頭與偏向一側(cè)的鉆桿聯(lián)接時，容易造成動力頭主軸與鉆桿接頭之間發(fā)生偏斜，進而造成主軸接頭螺紋的損壞。

3)造成孔斜。彎曲的鉆桿容易導(dǎo)致孔斜，影響激振力向深部傳遞，降低了孔底的激振力。

4)降低鉆探效率。夾持器出現(xiàn)不同步時，需要借助墊叉進行調(diào)整，增加了輔助時間，延長了鉆桿的裝卸速度，降低了鉆探效率。

2 同步分流馬達(dá)在夾持器上的應(yīng)用

將V形卡爪從夾持器中拆出，發(fā)現(xiàn)左側(cè)V形卡爪的加工精度高且軌道光滑，右側(cè)卡爪的加工精度低且軌道粗糙，初步判斷以為左右兩側(cè)的加工精度和軌道粗糙度的差異導(dǎo)致V形卡爪的推出速度差異。于是將右側(cè)V形卡爪和軌道進行加工，保證與左側(cè)V形卡爪和軌道的精度一致后，重新安裝復(fù)位后，發(fā)現(xiàn)左、右兩側(cè)V形卡爪的推出速度仍然存在很大差異，可見改造機械結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)V形卡爪推出速度的一致。經(jīng)多方調(diào)研，采用液壓同步分流馬達(dá)方案來實現(xiàn)夾持同步[13-16]。

2.1 結(jié)構(gòu)與原理

某科技公司生產(chǎn)了一種2FDF06L型雙聯(lián)液壓同步分流馬達(dá)，由馬達(dá)、溢流閥和單向閥組成，結(jié)構(gòu)及外形尺寸見圖2。

圖2 同步分流馬達(dá)

2.2 安裝

雙聯(lián)同步分流馬達(dá)具有1個進油口、2個出油口和1個回油口，同步分流馬達(dá)與夾持器油缸的管路連接方式：換向閥的出油口通過液壓管路依次連接液壓鎖和同步分流馬達(dá)的進油口，同步分流馬達(dá)的兩個出油口通過液壓管路分別與夾持器右油缸的無桿腔和夾持器左油缸的無桿腔相連；夾持器左油缸的有桿腔及夾持器右油缸的有桿腔的出油口通過液壓管路依次與液壓鎖及換向閥的回油口相連(圖3)。

1-換向閥；2-液壓鎖；3-同步分流馬達(dá)；4.1-夾持器右油缸；4.2-夾持器左油缸；5.1-左V形卡爪；5.2-右V形卡爪

2.3 效果測試

對安裝同步分流馬達(dá)前后的鉆機夾持器V形卡爪推出速度進行了測量，數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出：安裝同步分流馬達(dá)后，雙層夾持器左、右V形卡爪的推出速度差明顯減少，上層夾持器V形卡爪的推出速度差降幅為92%，下層夾持器V形卡爪的推出速度差降幅為79%，夾持的同步效果明顯改善。

表1 夾持器V形卡爪推出速度對比

3 工程應(yīng)用

2021年6月，聲頻環(huán)保鉆機在陜北黃土高原某場地開展了取樣項目施工，地層自上而下依次為粉土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、黏土、粉土。交替采用108mm和89mm半合管鉆具進行取樣，獲取了地層原狀樣品。鉆機夾持器V形卡爪在加裝了同步機構(gòu)后，應(yīng)用效果如下。

1)鉆桿連接過程中，上、下鉆桿的同軸度得到明顯提高，同軸偏移距由30mm變?yōu)?0mm，節(jié)約了加裝鉆桿的時間，提高了鉆探效率。

2)由于上、下鉆桿間同軸度的提高，降低了主軸螺紋的磨損程度，螺紋磨損數(shù)減少2/3，提高了主軸的使用壽命，降低了鉆探成本，提高了鉆探經(jīng)濟效益。

3)在10MPa給進壓力下靜壓進尺1.5m，經(jīng)檢測，孔點、孔斜無偏差。沿著已有鉆孔軌跡，采用聲頻振動鉆進工藝，每回次進尺1.5m深，累計鉆進30m深，均未出現(xiàn)孔斜，孔斜率較安裝同步分流馬達(dá)前減少了80%。

4 結(jié)語

聲頻環(huán)保鉆機是開展生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和工程勘察的一種先進勘探裝備，能夠獲取高質(zhì)量的原狀地層樣品，鉆機現(xiàn)有夾持器V形卡爪存在不同步現(xiàn)象，容易造成鉆桿損壞和孔斜，通過采用同步分流馬達(dá)，大幅提高了鉆機夾持器V形卡爪的同步效果，經(jīng)工程驗證，明顯減少了鉆具磨損，提高了鉆探效率和經(jīng)濟效益，該項技術(shù)改進可為相關(guān)鉆機夾持器的改進提供有益參考。