18A型鉆塔二級油缸液壓起落裝置的研制

太武

摘 要：18A型鉆塔的起落，常用的起塔架、羊角架起塔或吊車起塔等方法存在一定的安全隱患，該文針對野外鉆機(jī)的18A型鉆塔，研制了二級油缸液壓起落鉆塔的安全方法，通過相關(guān)技術(shù)論證，從18A型鉆塔的結(jié)構(gòu)、液壓油缸的設(shè)計論證，起落裝置中二級油缸的同步性等方面取得了理想的成果。該裝置通過野外安裝施工，實(shí)現(xiàn)了18A型鉆塔安全起落的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：18A型鉆塔 二級油缸 液壓起落裝置

中圖分類號：TE9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（a）-0037-02

對于SPC300型水源轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)或XY-4巖心鉆機(jī)配套的18A型鉆塔，傳統(tǒng)的起塔方式是通過鉆塔配套的起塔架靠鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)自身起塔，有的鉆機(jī)在安裝完后采用拖拉機(jī)羊角架起塔，也有一些18A型鉆塔在野外安裝完后直接靠吊車不斷變換角度起塔。對于18A型鉆塔的以上這些起塔方式雖然操作簡單，但在起落鉆塔的過程中的人為因素存在一定的安全隱患。比如：在起塔過程中曾經(jīng)發(fā)生過起塔架地錨拔出的現(xiàn)象，也有吊車起塔過程中因為角度旋轉(zhuǎn)不當(dāng)造成吊車翻車的事故。為了18A型鉆塔起落更加安全，我們自行研制了二級油缸液壓安全起落裝置，通過應(yīng)用，起落鉆塔更加安全可靠。

1 18A型鉆塔的主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

常見的18A型鉆塔是SPC水源轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)和XY-4型巖心鉆機(jī)所配套的鉆塔，這種18A型鉆塔的高度一般是17.5 m（或18 m），主塔腿橫截面形狀有4 mm鋼板卷圓柱形（上、下部圓錐形）、60×60（或75×75）等邊角鋼焊接矩形、φ73×5無縫鋼管焊接等邊三角形等。鉆塔的重量約4.0～4.5T（含天車）。（見表1）

1.2 主要特點(diǎn)

18A型鉆塔剛性結(jié)構(gòu)適合于液壓起塔不致使鉆塔變形。鉆塔重量較輕，重力力臂相對較短，采用短油缸近視垂直起塔。因此，油缸起塔初的受力克服水平方向分力較小，起塔的油缸負(fù)荷相對較小，適合采用二級油缸起塔。

2 液壓起塔受力分析

18A型鉆塔起升過程中主要受重力和油缸推力力矩，，油缸起塔初始位置與水平方向夾角75°，分析塔架在水平位置起升時的受力過程，如圖1所示。

根據(jù)受力圖，具體計算如下。

起塔時鉆塔圍繞塔底銷孔轉(zhuǎn)動，設(shè)圖示的逆時針旋轉(zhuǎn)方向為+，則起塔舜時鉆塔合力矩滿足條件是：

ΣM≥0，即2×N×sin75°×1.27-18·G2-9·G1≥0 （1）

鉆塔在均勻轉(zhuǎn)動時合外力ΣF=0

即水平方向：Nx-N·cos75°=0 （2）

垂直方向：2N sin 75°-Ny-G1-G2= 0 （3）

其中：N為油缸推力，kN；

G1為均質(zhì)鉆塔主塔腿重量，kN；

G2為鉆塔天車重量，kN；

Nx 為鉆塔主腿固定軸銷水平方向受拉約束反力，kN；

Ny為鉆塔主腿固定軸銷垂直方向受拉約束反力，kN。

3 液壓油缸的選擇

液壓起塔油缸選用二級油缸，外缸徑φ150 mm，采用雙油缸同步起塔方式。

（1）液壓起塔時油缸推力。

通過（1）（2）（3）式，取G1=5T，G2=0.6T，解得：N≥288.84 kN。

在起落鉆塔過程中，隨著鉆塔高度增加，鉆塔重心靠近鉆機(jī)方向，重力臂越來越?。凰裕鹚矔rN值是起塔過程中的最大值，當(dāng)油缸推力大于N時，實(shí)現(xiàn)液壓起塔，考慮動載荷野外風(fēng)載荷因素，適當(dāng)選擇安全系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)安全液壓起落鉆塔。

（2）油缸選型。

油缸活塞受力如圖2所示。

油缸活塞勻速運(yùn)動時滿足：NS1=P （4）

其中：S1為活塞推力受力面積，m2；

P為系統(tǒng)壓力，MPa。

則當(dāng)活塞勻速運(yùn)動時，取F2=288 kN，油缸內(nèi)徑D=130 mm，一級活塞桿d=100 mm。

則P=21.7 kN。

因此，考慮安全系數(shù)，選擇液壓系統(tǒng)壓力25 MPa。油缸外徑φ150 mm，一級活塞桿直徑φ90 mm時，完全實(shí)現(xiàn)安全起塔。

同理可以求得當(dāng)起塔達(dá)到45°時，通過計算選取二級油缸缸徑φ80 mm，活塞桿直徑φ60 mm，完全實(shí)現(xiàn)二級油缸鉆塔超過45°時的安全起塔。

（3）油缸的有效長度，根據(jù)計算初始位置與起塔后位置，油缸伸長長度為2 420 mm。最終確定油缸型號為HSGK02-150/100-80/60×1400/1200-E2501/1325。

（4）鉆塔起塔受推力截面的剪應(yīng)力與彎曲變形。

通過橫截面計算，鉆塔剛結(jié)構(gòu)在起塔過程中不會彎曲變形。但是在油缸上支點(diǎn)即塔腿鉸座處受力較大，為防止鉆塔變形，通過δ20鋼板加固處理。

4 鉆機(jī)底座受力及配重

設(shè)底座前方超出鉆塔連接鉸耳中心2.0 m，既方便做油缸庫，又能液壓起塔時底座受力平衡減少配重。設(shè)底座前邊緣為旋轉(zhuǎn)軸線，起落鉆塔過程中底座的重力加上底座上的配種，使得底座不致翻轉(zhuǎn)又能安全起落鉆塔，則對鉆機(jī)底座受力分析，分析方法類同于鉆塔力矩平衡方程。經(jīng)計算，18A鉆塔當(dāng)?shù)鬃斑吘壘嚯x底座安裝鉆塔主塔腿鉸耳2.0 m時，底座上加上轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)或巖心鉆機(jī)，均不滿足液壓起塔時底座翻轉(zhuǎn)起來。當(dāng)在底座鉆機(jī)后方加上柴油機(jī)或電機(jī)，并在電機(jī)后方增加4 T配重，實(shí)現(xiàn)了安全起塔要求，此時在液壓起落鉆塔時底座穩(wěn)定在地面較為安全。

5 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

對于18A型鉆塔，通過理論計算得出了液壓起塔時的系統(tǒng)壓力，根據(jù)油缸型號，確定液壓油箱的容積大小，按野外起塔條件要求，鉆塔起塔速度3 min，落塔速度2～2.5 min，確定了液壓泵量。具體液壓系統(tǒng)參數(shù)見表2。

6 結(jié)語

通過研發(fā)18A型鉆塔二級油缸起落裝置，應(yīng)用在SPC300水源鉆機(jī)和XY-4煤勘鉆機(jī)，應(yīng)用效果較好。但是也存在一些問題。

（1）開始時設(shè)計的電磁換向閥在野外操作簡單，但電磁系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)問題，致使現(xiàn)場職工因無法排除故障，應(yīng)用中評價較低，后來改為手動換向起落鉆塔，故障較少，得到了客戶的肯定。（2）二級油缸起塔時，左右兩支油缸的一級、二級同步起落鉆塔是關(guān)鍵，考慮到采用同步閥左右塔腿同步，在應(yīng)用過程中安裝上同步閥比沒安裝同步閥的效果要好。（3）二級油缸雖然比一級油缸體積小重量輕，但考慮到鉆塔在起塔初時應(yīng)推力大使得鉆塔變形，因此，長度1 m左右的要求尚未達(dá)到，為實(shí)現(xiàn)起塔時油缸處于90°狀態(tài)。通過總結(jié)，我們繼續(xù)改進(jìn)二級油缸的液壓起塔系統(tǒng)，在起落鉆塔比較安全可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸方便，安裝操作簡易。進(jìn)一步完善并推廣應(yīng)用，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

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