BZT-300 型水井鉆機轉盤結構設計分析

劉暢

山東濱州市鍛壓機械廠 山東濱州 256600

轉盤是水文水井鉆機的重要組成部件，被稱為三大工作機之一，轉盤具有驅動鉆具旋轉、實現切削地層鉆進、懸掛鉆柱、上卸鉆具、處理鉆井事故等功能。由于轉盤安裝在井口中心，泥漿、油漬經常會包裹、浸入轉盤，工作環境非常惡劣，同時轉盤還承受著來自鉆柱的軸向沖擊和振動等不確定性載荷，鉆進作業惡劣的工況對轉盤強度、扭矩、整體密封性、高可靠性提出了較高的技術要求。在鉆機鉆井過程中，轉盤一旦失效，整個鉆井機械將陷于癱瘓，轉盤的可靠性決定著鉆機的鉆進效率和鉆進質量。

1 結構方案選擇

現階段水井鉆機普遍配置的回轉式轉盤，按轉盤減速方案分類，有二級圓柱齒輪傳動和一級圓錐齒輪傳動兩種；按轉盤向主鉆桿傳遞扭矩的方式分類，有補芯式和撥杠式兩種。

二級圓柱齒輪傳動結構如圖（一）所示，其特點是采用一級圓錐齒輪和兩級圓柱齒輪構成三級降速傳動系統，轉盤殼體（18）為雙層同心圓柱整體式鑄件，其內圓柱支撐整個轉臺做回轉運動。兩級圓柱齒輪的顯著優點是結構簡單，容易保證加工精度，裝配簡單效率高，維修方便快捷，承載能力大，穩定性好；缺點是一級圓錐齒輪因載荷大易損壞，增加了立軸A（10）、立軸B（12）和兩端的支撐軸承，導致結構復雜化。另外，轉臺最上面的副軸承（16）和轉臺齒圈（19）僅靠兩級圓柱齒輪嚙合時沿齒面擠射出去的油液進行潤滑，易因潤滑不足導致過早磨損。

一級圓錐齒輪傳動結構如圖（二）所示，其轉臺總成（13）的主、副軸承設置在錐齒輪盤（11）下部，主軸承（推力球軸承A）離錐齒輪盤（11）較近，設置裝配間隙的副軸承（推力球軸承B）距錐齒輪盤（11）較遠，當主、副軸承磨損后，錐齒輪盤（11）在承受徑向力作用下因副軸承（推力球軸承B）使轉臺總成（13）不易過量偏斜，自潤滑效果好，減少摩擦磨損，延長齒輪使用壽命。該方案與二級圓柱齒輪傳動結構相比，主、副軸承安裝距離相對較小，受力情況稍差。

撥杠式轉盤如圖（一）所示，最突出的特點在于提升鉆具時，撥杠（3）與主動鉆桿成一體提升至轉盤上方，讓開轉盤中間通孔使鉆具通過，減輕操作者勞動強度。補芯式轉盤如圖（二）所示，使用過程中易出現不流暢和使用后出現難以拆卸等問題。

根據上述分析，BZT-300 型水井鉆機轉盤采用了一級圓錐齒輪傳動、撥杠式結構方案，該鉆機轉盤如圖（三）所示，動力經萬向軸輸入錐齒輪軸（11），錐齒輪軸（11）端部為花鍵，安裝錐齒輪（6），轉盤的錐齒輪盤（2）用平鍵和螺釘固定連接于轉臺（1）上，并與小錐齒輪嚙合。在轉臺（1）上用平鍵和螺釘固定安裝2 個撥柱（3），以帶動撥杠（5）回轉。撥杠（5）的中心部分為方形孔，相應的方形斷面的主動鉆桿插于其中，從而驅動鉆具回轉。轉臺（1）由上推力球軸承（4）、下推力球軸承（12）支承于轉盤殼體（15）上，當上下軸承間隙增大后，可打開托油盤（13），通過轉動大螺母（14）來調節上下軸承間隙。該鉆機轉盤具有體積較小，輸出扭矩較大，密封可靠等優點。

2 上卸管裝置

該轉盤上卸管裝置如圖（四）所示，包括轉盤支架、卡板、墊叉、撥叉、卸管油缸等組成。卡板由卡板氣缸驅動沿轉盤支架導軌開合，卡板不僅承受井下鉆具的重量，卡板還可以平衡鉆桿接頭上卸扣時產生的扭矩。卸主鉆桿時，首先提升鉆具接頭至轉盤上方，操縱控制閥使卡板氣缸推動卡板閉合，然后將墊叉卡入下接頭的方扁內，撥叉卡入上接頭的方扁內，下落鉆具保證墊叉落在卡板的兩檔銷之間，操縱轉盤反轉，通過墊叉、撥叉的相對運動，卸開鉆桿接頭，從而實現加接鉆桿或提出鉆桿的功能。圖（五）是該轉盤搓扣機構，卸管油缸活塞桿前端的棘爪（2）推動轉臺外圓棘輪（1）反轉，通過墊叉、撥叉的相對運動，卸開接頭第一扣，有效解決了水文水井鉆桿接頭第一扣卸扣難的問題。

3 專用軸承設計

如圖（三）所示，該轉盤主軸承（上推力球軸承4）的作用是：承受錐齒輪副嚙合產生的徑向力，鉆桿下滑產生的軸向力，起下鉆時承受最大靜載荷，故主軸承的承載力應該大于額定鉤載。副軸承（下推力球軸承12）的作用是：一方面承受鉆桿鉆頭帶來的徑向載荷，另一方面防止轉臺擺動，起扶正轉臺的作用。軸承磨損間隙增大后，通過轉動大螺母（14）來調節間隙。

主軸承和副軸承結構如圖（六）所示。軸承內外圈上具有限制滾珠移動的曲面滾道。兩相鄰滾珠（4）之間使用尼龍球架（3）隔開，避免兩相鄰滾珠（4）直接接觸。為了便于加工，保證加工精度，減小當量曲率，降低接觸應力，避免滑動摩擦的發生，曲面滾道的曲率半徑（R）與鋼球直徑（d）之間的關系為R/d=0．55，滾珠采用國家標準鋼球。由于轉盤工作環境惡劣，以及應對井下鉆具的振跳沖擊等復雜工況，轉盤主、副軸承應有足夠的強度和工作壽命，其軸承工作壽命一般不低于3000 小時。

4 密封性能

轉盤工作環境惡劣，在轉盤工作過程中，為了防止鉆井液及污物進入轉臺損壞軸承和齒輪，需要將轉臺與轉盤殼體之間密封起來。該轉盤在轉臺和轉盤殼體上部形成環槽實現動密封，下部轉臺與托油盤之間采用迷宮O形橡膠密封圈密封。由于轉臺直徑比較大，這種O形橡膠密封圈需由專門廠家生產，O形密封圈是易損件，在使用時應該加以保護。錐齒輪軸伸出端的密封采用剖分式油封，這種密封裝置結構簡單，價格低廉，密封可靠，磨損后可以隨時更換，隨時調整軸套與油封表面的壓力，以保持密封性。

5 結語

（1）通過查閱文獻、轉盤產品資料確定基本參數，最終確定其總體結構方案，繪制了轉盤總裝配圖以及主要零部件圖。

（2）卸管油缸前端的棘爪推動轉盤轉臺外圓的棘輪，有效地解決了鉆桿接頭第一扣卸扣難的問題，保證操作的安全可靠性。

（3）當主、副軸承磨損間隙增大后，通過調節大螺母來調整間隙。有效解決因間隙過大導致轉臺不正偏斜、擺動等問題。

（4）根據轉盤的結構確定了主、副軸承結構，進行了強度分析，探討了主軸承壽命的計算方法，壽命計算符合轉盤工作要求。

（5）對轉盤密封結構進行設計，提高了轉盤的使用壽命。

本文針對BZT-300 型水井鉆機轉盤結構方案選擇、上卸管裝置、專用軸承設計、密封性能等問題進行了探討。實踐證明，該轉盤緊密結合我國具體國情，設計合理，性能可靠，是水井鉆機較為理想的轉盤，該轉盤的研制成功并推廣應用，取得了良好的經濟效益和明顯的社會效益。