雙鉆具鉆進回轉供風排渣結構設計

夏志明，李賀巖，薛軍

(1.吉林省探礦機械廠，吉林長春 130021;2.吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026)

雙鉆具鉆進回轉供風排渣結構設計

夏志明1，李賀巖2，薛軍2

(1.吉林省探礦機械廠，吉林長春 130021;2.吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026)

雙鉆具鉆進回轉供風、排渣機構是動力頭的關鍵部分，其密封裝置的運轉質量又是鉆機正常運轉的重要保證。敘述了旁側供風和中心供風的結構形式，著重介紹了排渣系統的密封件選擇及結構特點。

回轉供風;排渣;旁側供風;中心供風;密封圈

1 概述

在巖土鉆掘工程中，砂卵礫石、碎巖等松散破碎地層鉆進存在的問題是成孔難、成孔速度慢。成孔難的原因是在鉆孔中孔壁不穩定，易塌方、漏失。施工中通常采用護筒防止塌方和漏失，而操作時護筒難下沉到鉆孔中，如將護筒沉入孔中規定的深度時，會遇到護筒與孔壁間的摩擦阻力，很難將護筒提出，有時需用千斤頂才能拔出，導致完成一個鉆孔很費時間。

目前，對付上述地層，國內外多采用沖擊回轉鉆進方法。巖土在高速加載的條件下，不易產生塑性變形，表現為脆性增加，形成大體積破碎，提高了鉆進速度。

實現沖擊回轉鉆進，一是采用氣動潛孔錘驅動球齒鉆頭沖擊回轉;二是鉆機動力頭部件上裝有液壓振動器或機械式振動器，進行正循環鉆進，并采用單動力頭雙鉆具鉆進方法，使內﹑外鉆具同向沖擊回轉，套管護壁，鉆進時的巖屑通過內外鉆具的間隙，經鉆機動力頭排渣管集中排出。該鉆進工藝是復雜巖土層施工中先進﹑可靠的成孔工藝。

在雙鉆具鉆進中，回轉供風、排渣結構是動力頭式鉆機的關鍵部分，而回轉供風、排渣結構中的回轉密封裝置質量直接影響鉆進效率。如果密封失效，粉塵會漫天飛舞造成環境污染，涉及人身健康和設備使用壽命。所以合理設計回轉供風、排渣系統的密封是鉆機正常運轉的重要保證。

2 動力頭回轉供風、排渣結構

按照供風風路位置不同有旁側供風和中心供風2種方式。

2.1 動力頭旁側供風、排渣結構

圖1為一旁側供風的供風、排渣結構圖。這是將動力頭主軸的回轉與供風排渣2部分組合起來的結構。圖中主軸回轉，通過主軸下端螺紋連接外鉆具，主軸內孔通過螺紋連接鉆具接頭來連接內鉆具，構成單動力頭雙鉆具傳動結構。在動力頭外殼上固定一密封套，密封套a口為供風口，高壓風從供風口進入空心主軸，然后送往鉆桿及沖擊器。密封套c口為排渣口，鉆進中的巖屑從內、外鉆具的間隙d通過排渣口排出。供風與排渣處兩側均有密封圈密封。

2.2 動力頭中心供風、排渣結構

圖2為一中心供風的供風排渣結構圖。從圖中可知，高壓風從a口進入動力頭空心主軸中心孔，然后送往鉆桿及沖擊器。主軸下部安裝鉆具接頭用于連接內鉆具，鉆具接頭與主軸之間存在間隙，鉆進中巖屑從間隙通過排渣口b排出。密封圈1用來密封高壓風，密封圈2為雙向密封排渣中的巖屑。

圖1 旁側供風排渣結構

圖2 中心供風排渣結構

2.3 兩種結構的選擇

旁側供風與中心供風的選用主要根據動力頭液壓馬達的布置情況而定。如液壓馬達直接與動力頭主軸連接，則空心主軸上部沒有空間安裝供風接頭，故需采用旁側供風;如果采用雙液壓馬達傳動或動力頭有減速、變速機構，根據具體結構可以采用旁側也可采用中心供風。

3 鉆機密封結構分析

3.1 KLEMM鉆機密封結構

KLEMM KR803－1型鉆機是一種履帶底盤，可鉆多方位孔的錨固鉆機。該鉆機具有回轉鉆進和沖擊回轉復合鉆進功能。當鉆機進行沖擊回轉工作時，鉆機主軸即回轉又作高速往復運動，它密封高壓風(或泥漿)的結構如圖3所示，圖中接頭上端內螺紋與動力頭主軸連接，下端具有內外螺紋，可聯接雙壁管進行雙管鉆進，接頭上下螺紋間不通，在下螺紋處開有進風孔并裝有進風套，進風套通過對稱耳環(圖中右邊視圖)連桿固定在動力頭外殼上，鉆進工作時進風套為不動件，接頭隨主軸作回轉和上下運動，動靜件的密封采用同軸密封圈，在進風口兩側設有兩組密封圈，密封圈中間裝有潤滑油嘴，定期加油以減少磨損。

圖3 KLEMM KR803－1型鉆機旁側供風排渣結構圖

3.2 JLZ－40型鉆機密封結構

JLZ－40型礫石鉆機為車載鉆機，主要用于山前帶、河床、戈壁和沙漠等地區石油物探震源孔施工，特別適合礫石、流沙等復雜地層成孔。動力頭為雙液壓馬達驅動經齒輪減速帶動主軸旋轉，主軸為中空軸，進風從中心孔引入，進風處采用V形密封圈密封。動力頭下端為中心進風、旁側排渣結構(圖4)，主軸通過主軸下接頭傳動給鎖接頭，鎖接頭下端螺紋連接鉆桿，孔內鉆桿連接氣動潛孔錘。主軸通過六方套將動力傳給前法蘭，前法蘭下端螺紋連接外管，實現雙管鉆進，即內管回轉并帶動潛孔錘作沖擊回轉鉆進，外管作同向回轉鉆進。排渣套通過連桿固定在動力頭殼體上，鉆屑通過內、外管間隙，前法蘭與鎖接頭間的通道經排渣套排出。

圖4 JLZ－40型鉆機中心供風旁側排渣結構圖

主軸下接頭與鎖接頭用前法蘭的接觸面采用車氏組合密封圈密封，排渣套與前法蘭采用車氏組合密封圈密封。

4 密封裝置

動力頭供風、排渣密封裝置的作用在供風口處是防止高壓風的泄漏，泄漏分內泄漏與外泄漏2類。泄漏會引起壓風系統容積效率急劇下降，達不到所需的工作壓力，嚴重時會使沖擊器無法工作。排渣口的密封難度更大，在排渣中極細的巖粉通過偶合件存在其中，起了研磨劑的作用，加速了密封件的磨損。如動力頭排渣處的密封失效產生外泄漏，會造成環境污染，粉塵影響工人的身體健康，引發操作失靈和人身事故。

設計密封裝置要求其動、靜摩擦阻力小，避免出現運動偶件的咬死或蠕動等情況，并在正常作業下能滿足在小修期內無泄漏的使用要求。密封件為易損件，所以要求密封裝置結構簡單，拆裝方便。因為鉆機所用的回轉密封工作條件惡劣，不能使用密封磨損后不能調整壓緊程度的密封圈。設計密封裝置的另一措施是在排渣(或供風)處開環形槽，工作時經常注入潤滑脂使槽中充滿油脂，用脂潤滑起到一定的密封作用，同時潤滑密封圈，起到較好的應用效果。

5 密封圈的選擇

現有密封件多作為液壓系統或氣壓系統的靜密封或往復運動密封。無論壓力高低都能取得很好的效果;而動力頭鉆機是回轉密封，要密封的是除高壓氣外還有泥漿和巖屑。這種特殊的密封有3種密封圈可供選擇。

5.1 車氏組合密封

車氏組合密封圈是由特殊密封滑環與O形橡膠圈組合而成，具有耐磨、耐溫、耐壓、線速度高、摩擦力小和使用壽命長的特點。齒形滑環式組合密封用于旋轉軸，滑環材料為增強PTFE，O形橡膠圈材料為高級丁腈橡膠HNBR，工作溫度－40～120℃，工作介質可用于氣、水、泥漿等。

5.2 同軸密封圈

同軸密封圈，俗稱滑環式組合密封圈，按其用途分為活塞用同軸密封圈(格來圈Tesk0200)和活塞桿用同軸密封圈(斯特封K1250)。同軸密封圈是用加了填充材料的改性聚四氟乙烯滑環和充當彈性體的橡膠環(如O形圈、矩形圈或X形圈等)組合而成。由于聚四氟乙烯材質的滑環自潤性良好，壽命長，密封性能良好而結構又緊湊，現已廣泛應用于中、高液壓缸的往復運動密封裝置。同軸密封圈可以作高壓氣的密封材料。如用它來密封巖粉，還需采取其它措施。

5.3 V形密封圈

V形密封圈的截面呈V形，主要用于往復運動密封。當前鉆機氣水接頭的密封也都采用V形密封圈。排渣系統的密封在結構上采取一些措施也可使用V形密封圈。根據V形密封圈使用材料，可分為純橡膠和夾織物(夾布橡膠)V形圈2種。

夾布橡膠V形密封圈的耐壓性能和耐磨耗性能均比純橡膠V形密封圈好，而純橡膠V形密封圈又具有相當優良的密封性能。所以可將2種不同材質的V形圈交替組裝起來作用，以便充分發揮2種材質V形密封圈的各自特性。

為降低V形密封圈的摩擦阻力，延長使用壽命，在密封部位采用了強制潤滑措施。V形密封圈在使用一段時間后，唇緣會磨損，為保證其密封性能，須及時調整其壓緊力，可用加墊片的方法和調節壓蓋的方法來調整。

6 結論

(1)復雜地層采用氣動潛孔錘單動力頭雙鉆具鉆進或沖擊回轉復合鉆進時，重要的是正確設計回轉供風、排渣系統的密封。

(2)動力頭供風系統分為中心供風和旁側供風，而排渣是通過內、外鉆具的間隙由排渣口排出。

(3)鉆機回轉密封的是高壓氣、泥漿、巖屑等，工作條件惡劣。如采用車式組合密封或滑環式組合密封圈和V形密封圈組合安裝，并在排渣、供風處開有環形槽，工作時經常注入潤滑脂，使槽中充滿脂，用潤滑脂起到一定的密封作用，此外，也可潤滑密封圈，起到較好的應用效果。

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［2］陳玉凡，朱祥.鉆孔機械設計［M］.北京:機械工業出版社，1987.

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［5］楊惠民.鉆探設備［M］.北京:地質出版社，1988.

Structure Design of Rotary Air Supply and Slag Removal for Double-tool Drilling

XIA Zhi-ming1，LI He-yan2，XUE Jun2(1.Prospecting Mineral Machinery Plant of Jilin Province，Changchun Jilin 130021，China;2.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China)

Rotary air supply and slag removal mechanism for double-tool drilling are the key parts of the power head，and the operation quality of its sealing device is the important guarantee for drilling machine normal operation.The structure forms of flanking and central air supply are described，the choice of sealing elements and structural characteristics of slag removal system are emphatically introduced in this paper.

rotary air supply;slag removal;flanking air supply;central air supply;sealing ring

P634.3

A

1672－7428(2011)11－0048－03

2011－06－21;

2011－11－10

夏志明(1953－)，男(漢族)，吉林長春人，吉林省探礦機械廠廠長、吉林省地質技術裝備研究所所長、高級工程師，探礦工程專業，從事管理和產品研發工作，吉林省長春市高新區超越大街1188號，www.jltk－machine.com。