車載鉆機加載試驗方法研究

鄭文，韓松峰

（江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221000）

車載鉆機可用于煤層氣、水文水井、淺層頁巖氣、地熱等資源勘探開采工程，也可用于煤礦瓦斯抽采、搶險救援等領域。以下介紹車載鉆機施加扭矩和提升力加載試驗的方法，通過試驗可定量地驗證鉆機的作業(yè)性能并發(fā)現在產品設計及制造等方面可能存在的問題，便于設計人員改進提升。

1 鉆機結構及工作原理

本文研究的車載鉆機主要由下車的底盤和上車的伸縮式鉆塔、頂驅動力頭、工作臺以及換桿機構等系統(tǒng)部件組成，如圖1所示。

圖1 車載鉆機布置圖

序號1是基于鉆機工作需求全新研發(fā)的全地面五橋底盤，采用油氣懸架技術，通過性好，路面適應性強；具備多種智能轉向模式，整車最小轉彎直徑26m，有效提高了鉆機在小場地行駛的機動靈活性。

鉆機上車由序號2至序號8組成。其工作原理是舉塔油缸鉸接于底盤和外層鉆塔支撐座上，通過舉塔油缸的伸縮，實現鉆塔的起升和降落。鉆塔進給油缸鉸接于外層鉆塔和內層鉆塔頂端滑輪支撐座上。通過進給油缸的伸縮，動力頭沿內層鉆塔上的導軌滑行，實現動力頭對鉆桿的提升和加壓。動力頭通過鋼絲繩繞過頂部滑輪組固定于外層鉆塔上，實現進給油缸行程與動力頭行程1:2的關系，有效地提高了鉆桿的可用長度。利用安裝于外層鉆塔上的換桿機構，配合工具卷揚能快速地實現鉆桿的更換過程，提高鉆機的工作效率。

2 加載試驗臺搭建

2.1 試驗場地

鉆機試驗的場地地面應堅實、平整，并遠離高壓線，其最小面積應大于試驗樣機起落及支腿展開所需場地。本試驗區(qū)域長25m、寬16m、高20m，由于該車載鉆機工作狀態(tài)長約14m、寬約3m、高約4m，完全滿足空間要求?；炷恋孛娉休d力為100t/m2，滿足鉆機整體重量51t及最大提升力800kN的受力需求。

2.2 試驗工裝

選用2118×2118×352mm小鑄鋼平臺作為試驗用受力平臺（圖2）。將其內四角通過地錨固定在混凝土地面上并水平放置，將通孔為Φ175mm固定孔朝向試驗鉆機停放位置擺放。回轉支撐內圈固定，外圈可隨負載轉動，上下固定板分別通過螺栓固定于回轉支撐的內、外圈。鉆桿夾持板通過螺栓與下固定板連接，可隨回轉支撐轉動。工裝用10個M30×90的螺栓通過梯形固定塊固定在鑄鋼平臺上，與平臺整體傳遞鉆機提升力與下壓力。

圖2 試驗工裝結構圖

3 試驗方法及過程

3.1 試驗臺布置

圖3 整機試驗布置圖

圖3所示為鉆機試驗臺布置圖。將所有工裝試驗設備布置完備后，對鉆機各主要受力點布置應變片，試驗過程中實時監(jiān)測其受力及形變情況，以防止結構件屈服產生意外。試驗后整理各主要受力點應力情況，將理論分析數據與試驗數據進行對比驗證，從而指導和驗證鉆機設計。試驗前動力頭輸出端連接一根鉆桿，操作控制手柄使動力頭下降，至鉆桿矩形卡口與試驗工裝鉆桿夾持板平齊，調節(jié)夾持板使其抱緊鉆桿并擰緊螺栓，防止鉆桿上下運動（見圖3）。檢查試驗用液壓系統(tǒng)使其正常工作。

3.2 扭矩試驗原理

采用反拖原理進行動力頭扭矩加載試驗，即以試驗液壓泵站為動力源提供液壓油，使試驗工裝回轉支承的旋轉方向與以動力頭為動力源的鉆桿的旋轉方向相反。通過事先調節(jié)試驗臺溢流閥的壓力設定負載大小，模擬負載扭矩。依據標準要求，負載扭矩的計算公式如下：

試驗臺液壓系統(tǒng)清單及布置如表1所示。

表1 扭矩試驗用液壓元件清單

3.3 提升力試驗原理

動力頭不轉的前提下，通過操作慢速進給手柄，進行提升操作，逐級增大提升力，測定有桿腔的壓力，依據標準要求，提升力的計算公式如下：

3.4 加載試驗過程

（1）空載磨合試驗。調節(jié)試驗用液壓系統(tǒng)溢流閥壓力(即反拖扭矩)為0，提升力為0，操作控制手柄，逐步加大動力頭轉數，在轉速為10、30、60、90、120r/min情況下分別運轉5min，觀察工裝的運行情況。

（2）扭矩驗證試驗。鉆機提升力為0，啟動試驗臺，調節(jié)試驗臺溢流閥的壓力至指定扭矩值，同步調節(jié)鉆機動力頭轉速和扭矩旋鈕（表2），以驗證鉆機所能承受的最大扭矩。

表2 扭矩驗證試驗

（3）提升力驗證試驗。關閉試驗臺動力，根據3.3的試驗方法按表3進行操作。

表3 提升力驗證試驗

（4）綜合性能驗證試驗。驗證鉆機在提升力與扭矩同時存在工況下的整機性能。按表4調節(jié)鉆機及試驗工裝。

表4 綜合性能試驗

4 結語

車載鉆機型式試驗是鉆機批量化生產并走向市場的必備條件。作為型式試驗的重要環(huán)節(jié)，本文介紹的加載試驗研究方法，為鉆機的型式試驗提供了依據，同時通過試驗測試可以查找產品設計中的不足。