塔機一體式鉆機鉆塔的設計與應用

盧春陽，歐陽志強，李明星

（衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司，湖南 衡陽421002）

1 概述

機械傳動立軸式巖心鉆機的發展已具有上百年的歷史，因其具有傳動效率高，結構簡單、操作容易、維修方便，鉆探工藝適應性強等優點，在我國廣泛使用。隨著鉆探技術和工藝水平的不斷提升和完善，國內生產的立軸巖心鉆機經各廠家的不斷改進和優化，出現百花齊放的狀態，總的發展目標就是節能高效，減輕勞動強度等，吸取全液壓鉆機的優點，相繼出現了不停車倒桿式、長給進行程式等特色鉆機。在鉆探施工中，鉆塔是鉆探設備的重要組成部分，它在鉆進過程中用于安放和懸掛天車、游動滑車、提引器等，以起下鉆具和套管。衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司開發的XY－4L鉆機和XY－4 HA鉆機，設計成巖心鉆機自帶鉆塔，鉆機與鉆塔一體式，實現真正意義上的塔機一體，降低了購買鉆塔所需的成本。自帶液壓起落鉆塔，安裝快捷，輕便靈活，縮短了裝拆鉆塔的工作周期，能實現整機移動，搬遷方便，大大減輕了工作者的勞動強度，鉆機配套性強，施工方便。

2 塔機一體式鉆機天車形式的優缺點分析

塔機一體式鉆機的工作方式決定了其結構形式，鉆塔是通過塔座安裝在分動箱體和水剎車殼體上，鉆機在下放和提升鉆具時，回轉器立軸需要后退400mm左右，以讓開孔口，滿足鉆進工藝的要求，這勢必造成整個鉆塔也跟著鉆機向后移動400 mm左右，為保證鉆塔上天車滑輪與孔口中心垂直，必須給鉆塔有補償裝置。如圖1是固定式天車鉆塔的初始和工作狀態，目前，塔機一體式鉆機較常用的補償裝置，主要由塔座、起塔油缸、擺塔油缸、銷軸A、銷軸B、塔體、天車組成，其工作原理是：驅動起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機垂直的位置，完成起鉆塔動作。裝上銷軸B，卸下起塔油缸，裝上擺塔油缸，拆下銷軸A，鉆塔處于鉆進工作狀態。當鉆機需要后退讓開孔口時，鉆塔隨鉆機后退，為保證鉆塔上天車滑輪與鉆孔中心垂直，驅動擺塔油缸伸出，使鉆塔向前傾斜一定的角度，實現鉆機利用鉆塔起放鉆具，當鉆機完成起放鉆具后，讓開的回轉器立軸需要復位，驅動擺塔油缸縮回，使鉆塔復位。

此鉆塔的天車是固定式，在讓開孔口提升鉆具時，是依靠擺塔油缸伸出，使鉆塔處于傾斜狀態，擺塔油缸幾毫米的伸縮量可以讓鉆塔產生幾十倍的擺動力，嚴重影響鉆機的穩定性，鉆塔的提升能力也不能完全發揮，給施工現場留下安全隱患。現場操作時，傾斜的角度也難以控制，當鉆塔的傾斜角度稍大時，天車已超過孔口中心，塔體有可能碰到主動鉆桿而損傷鉆桿；當鉆塔的傾斜角度過小時，天車到不了孔口中心，達不到讓開孔口的效果，這樣就大大增加了斜塔時的操控難度，鉆塔的安裝過程也比較繁鎖，拆裝頻繁，費時費力。

為解決固定式天車鉆塔穩定性差、能力不能完全發揮、安全隱患、操作困難等弊端，我們對鉆塔和天車進行了改進設計。圖2是變位式天車鉆塔的初始和工作狀態，改進后將固定式天車鉆塔的天車拆分為主天車與副天車，將用來斜塔的擺塔油缸改到驅動副天車的位置，鉆塔的聯接也由銷軸B改為螺栓加以緊固，這樣就成了變位式天車鉆塔，其工作原理是：驅動起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機垂直的位置，裝上螺栓，鉆塔處于鉆進工作狀態，當鉆機需要讓開孔口時，驅動擺塔油缸伸出，將副天車傾斜到一定的角度，保證天車滑輪與孔口中心垂直；當鉆機復位時，驅動擺塔油缸縮回，鉆塔處于正常鉆進狀態，改進后鉆機需要落塔時，拆下螺栓，驅動起塔油缸，可讓鉆塔處于落塔狀態。為控制天車的伸出量與讓開孔口的位置相當，只需要控制擺塔油缸的行程，改進后，天車操作方便，只需把擺塔油缸控制閥推拉到極限位置即可。

改進后的變位式天車鉆塔與原固定式天車鉆塔相比具有明顯的優勢：

（1）鉆機起落鉆塔方便快捷，不須更換油缸和拆裝銷軸；

（2）起塔后，塔體與塔座用螺栓緊固聯接，無需傾斜，從而使鉆塔的工作狀態更穩定；

（3）大大降低了操作者對鉆塔傾斜角度的操控難度。

圖1 固定式天車鉆塔

圖2 變位式天車鉆塔

3 塔機一體式鉆機變位天車的有限元分析

為保證變位式天車的副天車和擺塔油缸滿足鉆機的提升能力和設計要求，我們應用Autodesk Inventor軟件對天車進行了有限元分析計算：

首先對零件進行三維建模，組裝后對整個部件進行應力分析，所有材質都選擇為低碳鋼，將耳座與鉆塔的接觸面設為固定約束。根據鉆機的設計性能要求，卷揚機的提升能力為45k N，將卷揚機上鋼絲繩的拉力作用于副天車滑輪之上，方向如圖3所示，一個為豎直向下，一個沿兩滑輪的切線方向，通過軟件的有限元分析，最大應力出現在油缸與滑輪架的結合處，為Smax＝159．3MPa。圖4為安全系數分析圖，從兩圖并根據鉆機卷揚的提升能力和對鉆具的重量計算，擺塔油缸和副天車的受力完全能滿足鉆機的要求。

圖3 等效應力分析圖

圖4 安全系數分析圖

4 塔機一體式鉆機變位天車的生產應用情況

新型變位式天車鉆塔試驗初期裝在衡探公司生產的XY－4 HA型塔機一體式鉆機上，在公司鉆機試驗臺上，我們對該鉆機進行了50k N重物的提升試驗（見圖5）。試驗過程中，鉆機鉆塔穩定可靠，擺塔油缸伸縮利索，完全達到設計要求。通過推廣應用，此新型變位式天車裝在XY－4L型鉆機上，鉆機出口4臺在印度尼西亞一礦山施工，單臺鉆機總進尺達3200m，最深孔630m，鉆機使用性能穩定可靠，變位式天車和擺塔油缸均無故障，施工單位使用滿意，經工地實踐證明，變位式天車能滿足工地施工要求。

圖5 變位天車的出廠試驗

5 總結

新型變位式天車通過合理的、巧妙的機構設計，融合塔機一體式鉆機其雄厚的技術基礎、應用基礎和自身優勢，真正實現了鉆機、鉆塔一體，方便了鉆探人員對鉆機的操作，達到了設計的預期目的，提高了生產效率，為施工單位帶來了較好的經濟效益。生產企業根據市場的需要和工地的使用情況，不斷完善、優化、豐富立軸式巖心鉆機的結構形式和產品的功能，必將為其發展帶來更廣闊的市場前景。可以預測，立軸式巖心鉆機在相當長的一段時間內其主導地位仍是不可替代的。

［1］ 彭一江等．新型高效節能立軸巖心鉆機的開發應用．探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（10）．

［2］ 王義質等．工程力學．重慶：重慶大學出版社，1994．

［3］ 楊惠明．鉆探設備．北京：地質出版社，1988．

［4］ 張永勤．新型高效實用巖心鉆機的研發及應用．第十六屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）技術學術交流年會論文集．北京：地質出版社，2011．