一種滾輪起拔器的研制

郭 強(qiáng)，劉廣治，盧 猛

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

取樣裝備的輕便性、易拆解性、易組裝性和易操作性是實(shí)現(xiàn)淺鉆勘查技術(shù)的重要考核指標(biāo)。作為取樣裝備的重要部件，起拔器的性能是關(guān)系到取樣能否成功的關(guān)鍵因素。在實(shí)際土壤取樣過程中，尤其是在5～10 m 深孔的起拔過程中，由于縮孔比較嚴(yán)重，所需起拔力較大，往往需要大于10 kN，傳統(tǒng)的桅桿和人力絞車達(dá)不到上述要求，而采用液壓絞車又會增加鉆機(jī)的重量，使得鉆機(jī)的機(jī)動能力大大下降。目前，國內(nèi)對于淺鉆設(shè)備尤其是輔助性機(jī)具研究涉及較少，因此研制一種新的輔助性起拔器具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

新研制的起拔器采用三點(diǎn)定位，液壓提供動力，滾珠夾緊的結(jié)構(gòu)，將液壓力經(jīng)導(dǎo)向槽傳至滾輪，從而改變力的傳導(dǎo)方向，達(dá)到夾持和放松的目的。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 結(jié)構(gòu)

該起拔器由夾持裝置、起拔液壓缸和底托三部分組成，如圖1所示。其中，夾持裝置(圖2)和底托分別由螺栓固定在起拔液壓缸的兩端，夾持裝置隨起拔液壓缸的升降帶動鉆桿的夾持、起拔和放松。

圖1 滾輪起拔器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of roller pulling-out device

圖2 夾持裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of clamping device

1.2 起拔器工作原理

起拔器工作時，液壓缸內(nèi)腔供油，活塞上移，同時帶動起拔裝置上移，滾輪在重力的作用下向下移動，在導(dǎo)向槽的引導(dǎo)下，滾輪下移使得夾持直徑變小，夾持器抱緊鉆桿，鉆桿在夾持器的作用下上移，完成一次起拔。隨后，液壓缸泄油，液壓缸活塞下移，此時鉆桿因卷揚(yáng)連接處于固定狀態(tài)，滾輪在鉆桿摩擦力的作用下上移，在導(dǎo)向槽的引導(dǎo)下，夾持直徑逐漸加大，鉆桿由夾持狀態(tài)轉(zhuǎn)為放松狀態(tài)，隨后液壓缸降至底端極限位置，即完成一個工作循環(huán)。由于鉆桿的起拔速度完全受控于液壓缸的伸縮距離和工作頻率，因此，液壓缸的行程理論上越大越好，但行程太長會增加整個起拔器的重量，從而制約整套設(shè)備的機(jī)動性。因此，本次液壓缸參數(shù)設(shè)計(jì)如下：工作壓力12 MPa，最大壓力21 MPa；最短安裝距350 mm，工作行程210 mm；缸筒外徑65 mm，活塞直徑50 mm，活塞桿直徑30 mm。

1.3 起拔器設(shè)計(jì)原理

起拔器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部件為上部加持裝置，夾持裝置主要由頂板、導(dǎo)向槽、滾輪、支撐架和底板五部分組成，內(nèi)設(shè)三個導(dǎo)向槽，均勻分布在保持架上，相對于原起拔器兩個加持部件的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可提高工作過程中的中心定位精度，而且，與一些多點(diǎn)位加持定位的裝置相比，該設(shè)計(jì)不僅降低了加工成本，還在很大程度上精簡了結(jié)構(gòu)，降低了起拔器的重量。為了保持導(dǎo)向槽與支撐架之間的相對位置精度，本次設(shè)計(jì)將兩個零件采用燕尾槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，如圖3和圖4所示。

圖3 滾輪擠壓組件Fig.3 Roller extrusion assembly

圖4 燕尾槽結(jié)構(gòu)支撐架Fig.4 Dovetail groove structure support frame

由于導(dǎo)向槽與支撐架之間的連接采用的是燕尾槽結(jié)構(gòu)，對裝配精度要求較高，為了避免加工誤差導(dǎo)致裝配互換性差的問題，該起拔器制造過程中摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械加工制造工藝，采用整體線切割，最大程度上保證了產(chǎn)品的裝配精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證該工藝在起拔器制造中具有較高可行性。在導(dǎo)向槽滑道角度的設(shè)計(jì)上，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般不高于15°，如果角度過高，會導(dǎo)致鉆桿與滾輪之間擠壓力降低；相反，如果角度過小，夾持范圍會大大降低，達(dá)不到夾持的目的，本次按照實(shí)際需求，經(jīng)過計(jì)算，夾持極限點(diǎn)位置尺寸確定為10°，為了避免滾輪在極限位置從導(dǎo)向槽脫落，參照鉆桿尺寸(本次鉆桿直徑為42 mm)，兩端極限位置長度上各預(yù)留10 mm。按照設(shè)計(jì)原則，滾輪弧度應(yīng)與所加持鉆桿直徑相一致，但考慮到鉆桿在使用過程中會附著黏泥，如果弧度與鉆桿直徑完全一致的話會導(dǎo)致兩種情況：一種是無法保證完全線性接觸，致使摩擦力降低；另一種情況是，鉆桿為鋁合金材料，硬度較低，所以會導(dǎo)致鉆桿表面損壞，降低鉆桿使用壽命。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

本次選擇距離河邊100 m處作為試驗(yàn)場地，為第四系黏土層，地下5 m處含水量較大，因此黏性較大，極易卡鉆。本次選用設(shè)備為北京探礦工程研究所研制的TGQ-30型鉆機(jī)，整機(jī)參數(shù)如下：鉆機(jī)功率13.4 kW，主軸轉(zhuǎn)速150 r/min，扭矩600 N·m，液壓絞車起拔力10 kN，鉆桿外徑42 mm，整機(jī)質(zhì)量90 kg。

此次實(shí)驗(yàn)深度為10 m，以往鉆探采用傳統(tǒng)液壓絞車難以起拔，深度達(dá)到8 m時候曾發(fā)生絞車支撐架變形現(xiàn)象，值得一提的是，本次采用滾輪起拔器順利地完成了鉆桿起拔。

3 結(jié)語

實(shí)踐證明，滾輪起拔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不僅能有效減輕整個鉆探設(shè)備的重量，提升鉆探的機(jī)動性，而且大大降低了勞動者的工作強(qiáng)度，具有一定的推廣價值。