XY-6N型鉆機的改進及使用情況介紹

宋海燕,李旭文,何宗常,馮兆輝

(1.張家口中地裝備探礦工程機械有限公司,河北張家口075026;2.山東省第六地質礦產勘查院,山東招遠264209)

XY-6N型鉆機的前身是XY-6B型鉆機。XY-6B型鉆機在中深孔地質勘探中,使用非常廣泛,發揮了重要作用,曾創下了使用S71鉆具鉆深2410.12m的國內巖心鉆探鉆深記錄。但隨著勘探深度的逐步加深,XY-6B型鉆機在使用中也出現了一些問題,如在超負荷使用情況下,出現變速箱有二、六跑檔現象,出現上橫梁、托架軸承發熱、使用壽命低的現象及在使用S75鉆具鉆深超過1200m時主動鉆桿有打滑現象。為了徹底解決這些問題,我們對XY-6B型鉆機進行了認真的分析計算,對變速箱、上橫梁、上卡盤進行改進,改型為 XY-6N型鉆機。2011年在山東省第六地質礦產勘察院進行生產試驗,使用 S95鉆具鉆深1370m,鉆具重量 14t,使用S71鉆具鉆深1640m。鉆機未出現 XY-6B型鉆機出現過的現象,完全滿足了用戶的要求,用戶給予了很高的評價。

1 變速箱的改進

XY-6B型的變速箱是一個典型的平面三軸變速箱。該變速箱有四個正檔,一個反檔。

二、六檔脫檔就是掛和齒輪序5與齒輪序6嚙合時在遇到較大負荷時容易脫開,俗稱“跑檔”。通過分析研究,我們認為造成跑檔的主要原因是軸的剛度不足所致,而上述兩個齒輪嚙合時,是軸上剛度最差的位置。當上述兩個齒輪嚙合時,傳遞速度和扭矩。而齒輪傳動會對軸產生徑向力,使軸產生彈性變形,從而產生使齒輪滑移的軸向力,當負荷較大時,齒輪傳動使軸產生彈性變形而形成的軸向力超過了檔位銷定機構的控制力,再加上鉆機正常運轉時的振動,很容易造成齒輪序5與齒輪序6的脫開,造成跑檔。

具體改進方案(見圖1),參考對XY-5型變速箱成功改進的經驗,加大了輸入軸、輸出軸和副軸直徑,花鍵軸由原來的8-60×52×10花鍵改為8-68×62×12花鍵,軸的抗彎截面模量由原來的14.7cm3增大為24.3cm3,抗彎截面模量增加了65%,在結構尺寸相同的情況下,抗彎截面模量是決定軸剛度的唯一要素,這就表示軸的剛度增加了65%。通過簡單計算,齒輪嚙合時產生的彈性變形量減少了40%。減少了齒輪嚙合時由于軸彈性變形產生的軸向力,解決了變速箱二、六檔跑檔問題。同時將軸承序3,由原兩套106單列向心球軸承改為4074106滾針軸承。經計算,改進后的軸承的使用壽命是原有軸承使用壽命的12倍,延長了變速箱的大修時間。

圖1 變速箱

2 上橫梁的改進

上橫梁在回轉器的上部,與兩個給進油缸聯接,中間裝有立軸,立軸上部與上卡盤聯接,在給進油缸作用下立軸、上卡盤帶動鉆桿旋轉并上下移動。XY-6B型鉆機的橫梁結構(圖2)是一組推力軸承序4、一組向心球軸承序6和一組角接觸球軸承序3安裝在立軸序1上和橫梁殼體序5內。鉆具的重量以及起拔力全部作用在橫梁的推力軸承序4上。加壓力靠角接觸球軸承序3承受。推力軸承的型號為8228,額定動載荷為205kN,極限轉速為800 r/min(脂潤滑),只能承受軸向力;向心球軸承不承受軸向力。鉆機立軸最大起拔力為200kN,接近推力軸承所承受的額定軸向載荷;鉆機高速運轉時速度為1000 r/min,超過推力軸承脂潤滑時的極限轉速。在孔深較淺時,由于孔內鉆具重量較輕,軸承所受負荷較小,軸承的壽命基本能滿足要求。但隨著孔深的逐漸加深,鉆具重量越來越大,軸承所受的負荷也越來越大,導致鉆進過程中出現橫梁容易發熱,軸承易壞等問題。

圖2 XY-6B鉆機橫梁

根據實際使用情況分析,橫梁發熱是由于軸承承載力偏小,極限轉速偏低造成,其結果就是造成軸承損壞。通過研究對比,選用了圓錐滾子軸承,圓錐滾子軸承既可以承受軸向力,又可以承受徑向力,而且極限轉速較高(圖3)。兩組圓錐滾子軸承序3和序5安裝在立軸序1上,圓錐滾子軸承序3額定動載荷為255kN,圓錐滾子軸承序5額定動載荷為340kN,極限轉速為1900r/min,該軸承承受鉆具重量。通過計算軸承所能承受的軸向力增大了3倍多,軸承設計壽命是原來的15倍,完全滿足使用要求。選用圓錐滾子軸承支點距離增大,穩定性增強,保證了立軸轉動平穩,又因為軸承的額定極限轉速超過了鉆機的立軸最高轉速,從而使軸承的發熱問題得到了解決。以上種種結構和性能上的優點,保證了軸承的使用壽命,也解決了上橫梁發熱問題。

圖3 XY-6N鉆機橫梁

3 上卡盤的改進設計

上卡盤為液壓油缸驅動齒條齒桿式卡盤,多年以來,XU 1000鉆機、XY-5型鉆機除部分零件改進外,一直采用與XU 600-3型鉆機相同的卡盤油缸。在鉆探過程中,發現鉆深超過1200m,卡盤夾持能力不足,出現卡瓦與主動鉆桿打滑現象,明顯該卡盤油缸不適合XY-6B型鉆機鉆進深孔的需要。

改進措施如下,加大卡盤油缸缸徑,使夾持能力增大到原夾持能力的1.5倍。在生產試驗中,該卡盤完全滿足了用戶的需求,未出現主動鉆桿打滑及夾持能力不足現象。

4 實際使用效果

XY-6N型鉆機完成廠內試驗后,赴山東招遠進行實際勘探鉆孔。設計孔深1640m,φ95繩索取心鉆深至1370m,φ71繩索取心鉆深1640m,圓滿完成鉆探任務。在使用過程中,沒有出現變速箱跑檔問題,回轉器橫梁以及托架沒有軸承損壞現象,而且溫度正常;鉆桿夾持沒有出現打滑現象,使用效果良好。

5 結束語

在全液壓巖心鉆機全面推廣之時,立軸式巖心鉆機在市場上仍占有重要地位。結合用戶的意見反饋和鉆機設計的實際經驗,對鉆機進行大膽的改進是提高產品質量、贏得用戶信賴,提高市場占有率的重要手段。