長行程立軸式鉆機的設計思路探討

凌 剛

(湖南飛碟新材料有限責任公司,湖南長沙 410007)

長行程立軸式鉆機的設計思路探討

凌 剛

(湖南飛碟新材料有限責任公司,湖南長沙 410007)

在對比立軸式鉆機和全液壓鉆機優缺點的基礎上,提出了立軸式鉆機的一種新的設計思路,用以解決立軸式鉆機在長行程給進、斜孔鉆進、運輸搬遷中的不足,以進一步拓展國產立軸式巖心鉆機的使用空間。

長行程;立軸式鉆機;鉆機設計;巖心鉆探

0 引言

在巖心鉆探施工中,巖心鉆機是關鍵設備,目前巖心鉆機主要有傳統立軸式和全液壓動力頭式 2種,但在我國,立軸式巖心鉆機仍占據絕對的主導地位,而歐美市場則以全液壓動力頭為主。2005年以來,全液壓巖心鉆機在我國的應用推廣速度逐漸加快,到目前為止,國內已有十余家企業研發生產了全液壓巖心鉆機,競爭相當激烈,同時也重新激起了業內對“巖心鉆機是機械傳動好還是液壓傳動好”這一老話題的討論。

相比較立軸式鉆機,全液壓巖心鉆機的優點主要體現在:(1)給進行程長;(2)工作平穩;(3)孔上鉆桿柱導向性好、采用機上加接鉆桿;(4)易于實現斜孔鉆進;(5)搬遷方便。但其缺點也是很明顯的,主要體現在:(1)造價高;(2)動力消耗大、傳動效率低;(3)提下鉆輔助時間長;(4)保養維修技能要求高、備件價格高;(5)處理事故能力較差。

立軸式巖心鉆機的優缺點與全液壓巖心鉆機剛好相反,有專家提出,如果能把全液壓巖心鉆機的長行程、斜孔鉆進、搬遷方便等優點搬到立軸式巖心鉆機上來,那么立軸式巖心鉆機發展前景將會優于全液壓巖心鉆機。在這個指導思想的指引下,筆者提出一種新型立軸式巖心鉆機思路并作進一步探討。

1 長給進行程的實現

立軸式巖心鉆機行程的限制是因為立軸箱的離地距離不高。由于油缸安裝于立軸箱上,油缸大腔朝下,活塞桿帶動卡盤,可以移動的行程不長,國內立軸式鉆機的立軸行程因機型的不同一般在 300～800 mm之間。而全液壓巖心鉆機的動力頭是在導軌上運行的,活塞桿固定于架子下端,油缸大腔朝上,帶動動力頭,因而油缸不受高度的影響,可以做得很長,國內中深孔液壓鉆機動力頭行程都在 3～3.6 m之間,淺孔液壓鉆機動力頭的行程在 1.5 m左右。

怎樣實現立軸式鉆機長行程給進,一直是鉆機設計者們在思考解決的問題。如果改變立軸式鉆機油缸安裝形式,其結構和全液壓鉆機的油缸安裝結構一樣,這樣立軸式鉆機的行程是否也可以實現長行程給進呢?液壓動力頭鉆機有桅桿導軌架,立軸式鉆機也有塔機一體式鉆機,在塔機一體鉆機下桅桿架加上導軌,將立軸式鉆機的橫梁卡盤通過拖架安裝在導軌上,拖架用長行程油缸帶動,去掉原有立軸式鉆機上的傳動件——立軸,直接用六方主動鉆桿傳動扭矩,具體實現原理如圖 1所示。

傳動路線為:動力傳遞到回轉器后,內六方立軸導管帶動外六方主動鉆桿實現正反轉,橫梁卡盤組件在油缸的帶動下實現給進、提升,主動鉆桿上接水龍頭,此傳動路線完全與以往立軸式鉆機的傳動路線一樣,只是改變了油缸給進、提升的方式。

圖1 長給進行程局部圖

2 斜孔鉆進的實現

立軸式鉆機施工斜孔主要是通過轉動回轉器來改變主軸的角度而實現的,卡盤裝在導軌架上以后,只要解決導軌架與回轉器同步轉動,就可輕易實現斜孔鉆進了。國內塔機一體立軸式鉆機結構比較成熟,也已為許多客戶所接受,其支承架與回轉器連成一體(如圖 2所示),桅桿連接在支承架上,變幅油缸一頭連接機架,一頭連接支承架,操縱變幅油缸換向閥就可以帶動支承架、下桅桿架、橫梁卡盤、回轉器繞回轉器中心轉動,從而方便實現斜孔鉆進。

圖 2 回轉器與塔架一起繞回轉中心旋轉

3 運輸搬遷的實現

全液壓鉆機的運輸搬遷有 3種方式:一是安裝在履帶底盤上,二是安裝在汽車拖架上,三是安裝在簡易的輪式拖架上。這 3種方式同樣可以運用到立軸式鉆機上來,圖 3是立軸式巖心鉆機安裝在履帶底盤上的示意圖。

圖3 安裝履帶底盤的立軸式鉆機

這里需要提出的是,加裝底盤 (架)后,塔機一體鉆機的鉆塔起降方式必須改變,以方便鉆機的整體搬遷。

改變結構如圖 4,支承架后側與下桅桿的后側加裝一起塔油缸,下桅桿與支承架用鉸座連接,整個鉆塔就可以向動力方向放下。

圖4 后升降塔結構示意圖

放鉆塔前,卡盤夾住主動鉆桿中下部,利用起塔油缸和卡盤將主動鉆桿從回轉器中拔出。

經過改變后,鉆塔放下后安置在鉆機上,將上桅桿打折減小整機長度,并將鉆塔固定在后架上,實現鉆機的整體搬遷。

圖5 整機搬遷時鉆塔擺放示意圖

4 結論

經過以上 3個方面設計的新型立軸式巖心鉆機與全液壓巖心鉆機的優點比較:

(1)行程:立軸式鉆機同樣可實現長行程給進。

(2)工作平穩:卡盤安裝于導軌架上,動力傳遞方式與全液壓巖心鉆機保持了一致,平穩性問題同樣可得到解決。

(3)孔上鉆桿柱導向性好、采用機上加接鉆桿:卡盤橫梁組件安裝于導軌上,由長油缸帶動,主動鉆桿柱的導向性得到了保證,但因傳動扭矩的原因,不能實現機上加接鉆桿,但因立軸式鉆機有移動油缸,鉆機可整體后移,讓開孔口,起下鉆具的輔助時間減短,加上長行程給進,能不能機上加接鉆桿已不重要。

(4)易于實現斜孔鉆進:塔機一體形式,回轉頭與塔架一同旋轉,實現了斜孔鉆進的功能。

(5)搬遷方便:有條件的地方在安裝底盤后,可實現自動搬遷。

圖 6是鉆機的整體效果圖。

可見經過新的設計后,立軸式巖心鉆機完全擁有全液壓巖心鉆機的優點,同時立軸式巖心鉆機獨有的優點仍然保留了下來:(1)造價低;(2)動力消耗小、傳動效率高;(3)提下鉆輔助時間短;(4)保養維修技能要求低、備件價格低;(5)處理事故能力較強等。從分析情況得知,此種長行程給進立軸式巖心鉆機體現出了其獨特的優勢。目前該型鉆機正在緊張的試制,已有客戶提前訂貨。

圖6 鉆機整體效果圖

可以預期,這種鉆機一旦推出,必將有著廣闊的市場前景,必將對立軸式鉆機的發展起到推動作用。

[1] 劉躍進.巖心鉆探設備的現狀與發展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(1):39-43.

[2] 彭一江,韓蘭新.新型高效節能立軸巖心鉆機的開發與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(10):23-27.

[3] 盧春陽,歐陽志強.XY-4L型巖心鉆機的研制與應用[J].地質裝備,2010,(1).

[4] 高富麗,劉躍進,張偉.我國地質鉆探技術裝備現狀分析及發展建議[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(1):3-8.

[5] 王扶志,張志強,宋小軍.地質工程鉆探工藝與技術[M].湖南長沙:中南工業大學出版社,2008.

Design Ideas of Long Stroke Spindle Core Drilling Machine

LING Gang(Hunan Flydisc New Material Co.,Ltd., Changsha Hunan 410007,China)

Based on the comparison of advantages and disadvantages of spindle core drilling machine and full hydraulic power head drillmachine,a new design idea for spindle core drillingmachine was put for ward to solve the deficiencies in long stroke feeding,inclined holes drilling and transportation,so as to further extend the application range of domestic spin2 dle core drillingmachine.

long stroke;spindle core drillingmachine;drill design;core drilling

P634.3+1

A

1672-7428(2011)05-0008-03

2011-03-23;

2011-04-19

凌剛(1971-),男(漢族),湖南長沙人,湖南飛碟新材料有限責任公司總經理、工程師,機械制造工藝與設備專業,從事鉆探設備研究與設計、生產及制造等工作,湖南省長沙市雨花區曙光路 232號,lg@fdmaterial.com。