車載鉆機給進托板失效分析及優化設計

鄒祖杰

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

車載鉆機主要用于水井、煤層氣抽采孔、煤礦電纜孔、通風孔和應急救援孔的快速施工，近年來又拓展其用途于地熱勘探孔鉆進。我國從20世紀末開始引進國外全液壓式車載鉆機，經過近20年的發展，從完全依賴進口逐步實現了國產化。在此期間，國內涌現了多個車載鉆機生產制造廠家并推出多款機型。中煤科工集團西安研究研究有限公司設計生產的ZMK系列車載鉆機主要有ZMK5530TZJ60及ZMK5530TZJ100型2款產品[1-4]。

給進裝置是車載鉆機的主體部分，集成了動力頭、卷揚等功能部件。給進托板導軌與給進裝置下導軌面接觸，旋轉座與底盤支撐架鉸接，兩者需配合完成鉆架立起、加壓鉆進、減壓鉆進、強力起拔、倒桿等工序，涵蓋了鉆進作業的整個過程。作為車載鉆機受力最為復雜部件之一，給進托板的良好性能對保證鉆機工作穩定性及安全性具有重要意義[5-7]。

1 工作原理及受力分析

給進托板工作原理圖如圖1。車載鉆機工作過程中，斜撐油缸伸長推動給進裝置繞托板旋轉座與底盤支撐架鉸接點旋轉，完成立起工序；按孔口布局要求伸縮托板油缸可調整孔口裝置距離地面的高度；鉆機姿態調整完成后將給進托板用楔形銷固定于底盤支撐架上，與斜撐油缸、底盤支撐架配合，穩固給進裝置，保證鉆進過程中的穩定性[8]。

給進托板受力示意圖如圖2。給進裝置立起、下放過程運用了杠桿原理，立起時，給進裝置重力為阻力，斜撐油缸推力為動力，下落時反之。立起初始狀態下，阻力力臂與動力力臂比值最大（式(1)），阻力G為定值，故此時斜撐油缸作用于給進托板上的推力F為最大值。給進裝置集成的機架、動力頭、卷揚、液壓大鉗、孔口裝置等部件總重m約35 t，即mg=3.5×105N。

圖2 給進托板受力示意圖

式中：F為斜撐油缸作用于給進托板上的推力；L1為推力的力距；m為給進裝置總質量；L2為重心與F之間的距離。

對車載鉆機三維模型進行計算，求得給進裝置重心位置，L1=0.9 m，L2=3.63 m。根據式（1）可得F=1.76×106N。

2 失效形式

60 t車載鉆機使用過程中，給進托板出現變形及導軌啃噬損傷的問題，給進裝置立起和調整孔口高度時，托板油缸伸縮推動托板移動速度越來越慢，直至不動，托板調整功能失效。經現場檢測：給進裝置立起過程中，給進托板橫向最大變形量約6 mm，縱向最大變形量約5 mm。

給進裝置下導軌與給進托板導軌配合面損傷，托板左側導軌劃痕長度約1 000 mm，寬度約10 mm，深度約3 mm，斷續不均勻，右側導軌發現2處“凸”點，較大高點外形尺寸約為20 mm×10 mm×7 mm（長×寬×高），較小高點斷續不均勻，長約600 mm。配合縫隙產生鐵屑等夾渣，夾渣呈不規則顆粒狀，最大直徑可達4.2 mm。

3 失效分析

鑒于以上問題，根據給進托板受力與約束情況，利用Abaqus軟件對其進行了有限元分析。60 t車載鉆機給進托板Abaqus分析云圖如圖3。

圖3 60 t車載鉆機給進托板Abaqus分析云圖

由分析結果可知：忽略個別應力集中點，60 t給進托板在工作過程中平均應力為239 MPa，處于正常范圍；最大變形量3.5 mm，出現在斜撐油缸座、油缸座筋板及與底板焊接部位，向底板垂直方向凹陷，迫使托板四周向反方向翹起，因底板尺寸較大體現為橫向和縱向變形放大。托板變形使導軌在運動時受力不均衡，加上給進裝置下導軌與托板導軌均采用結構鋼調質后精加工而成，硬度梯度小，且缺乏潤滑，導致導軌面產生疲勞啃噬。啃噬形成的鐵屑等夾渣，進一步造成導軌配合表面重復損傷，使托板運動阻力增大。

由此可見，給進托板失效主要原因有3點：①托板底板剛性不足及受力點布置不合理；②給進裝置下導軌與托板導軌材料相近，硬度梯度小；③給進裝置下導軌與托板導軌接觸面缺乏潤滑。

以上因素同時存在，相互影響，共同造成了給進托板失效。

4 優化設計

針對失效原因，對給進托板結構進行了優化設計,優化設計后的托板結構如圖4。優化后托板受力和變形云圖如圖5。

將斜撐油缸支座向兩側平移，增大L尺寸，使斜撐油缸推力更均勻地作用于兩側導軌上，避免托板底板局部受力過大導致變形。同時，在底板背面焊接網格形筋板，提高托板縱向和橫向的剛性，避免因局部變形導致托板周邊位移放大，阻礙托板正常滑動。其次，將托板凹槽形導軌設計為可拆解結構，將導軌條用螺栓安裝于托板底板上。增加了托板長度和導軌條寬度，進而擴大了給進裝置導軌與托板導軌條的接觸面積，減小因油缸推力及給進裝置重力等對導軌接觸平面的壓強，減小導軌面疲勞破壞的幾率。另外，托板導軌條采用Tri-Braze高強度耐磨鋼板（硬度高、具備自潤滑功能），給進裝置下導軌材料和熱處理工藝不變，拉開導軌接觸面的硬度梯度，并加工油鋸齒形儲油槽，通過潤滑油加注孔可定期對導軌接觸平面進行強制潤滑[9]。

圖4 托板優化結構

圖5 優化后托板受力和變形云圖

5 試驗驗證

將優化設計后的給進托板結構用于100 t車載鉆機上，并通過實鉆試驗對其性能進行了驗證。試驗地點位于晉煤集團寺河礦三盤區，瓦斯含量高，地層條件復雜，為充分驗證鉆機適應性，鉆孔選址在盤區地層變化最大區域開展。該井采用三開鉆進工藝，一開采用φ311 mm空氣潛孔錘鉆進，井深57.4 m，二開采用φ241.3 mmPDC鉆頭泥漿正循環鉆進，井深801 m，三開采用φ171.5 mmPDC鉆頭泥漿正循環鉆進，終孔深度1 675.39 m[10]。試驗過程中，對給進托板性能進行了全程跟蹤檢測，檢測結果表明：鉆機從入場到開鉆，直至完鉆，給進托板縱向橫向變形量均處于正常范圍；托板導軌潤滑到位，未出現啃噬損傷和夾渣等情況，托板運動順暢。

6 結語

從60 t車載鉆機使用過程中給進托板出現的問題出發，采用Abaqus軟件分析，從理論上闡述了給進托板失效的3個主要影響因素：底板剛度不足及受力點布置不合理、導軌硬度梯度小、導軌基礎面缺乏潤滑。以上因素同時存在，相互影響，共同造成了60 t車載鉆機給進托板失效。

通過有限元分析闡述失效原因，并作針對性優化設計,將優化設計后的給進托板用于100 t車載鉆機上，通過現場試驗進行了驗證，為車載鉆機系列化進程提供了技術支撐，證明了該方法的可行性。