黃俊才

上世紀80年代中期，全國有數十家煤田地質勘探隊裝備了原煤炭部石家莊機械廠參照日本同類產品研制的TK-3型液壓立軸巖芯鉆機，并以此機型作為主要的鉆探設備，運用于煤炭地質鉆探金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的試驗。但在使用中發(fā)現，該機型的液壓卡盤及操縱機構，操作稍有不當，極易產生液壓卡盤失靈、卡死主動鉆桿的故障，且現場難以修復，必須更換設備才能恢復生產。即使是技術相當熟練的操作人員也難以避免。由于事故頻繁發(fā)生，嚴重影響了鉆探施工效率的提高和施工安全。因此，大多數煤田地質勘探隊因該機型存在的上述問題而棄置不用，造成巨大的浪費，甚至中止了金剛石鉆進、繩索取芯技術新工藝的推廣應用。如何解決這一技術難題，重新啟用TK-3型鉆機，我局組織技術攻關，提出了兩套改造方案。

一、故障分析

1、故障產生及狀況

TK-3型鉆機在進行變速、取芯、倒桿、加接鉆桿等操作時都必須停車。此時，當立軸轉動未完全停穩(wěn)時，如操作液壓卡盤，瞬間即發(fā)生主動鉆桿被液壓卡盤的卡瓦卡死的故障。要恢復回轉功能，只有松開回轉器頂部壓套，取下蝶形彈簧才能松開卡瓦。但此時因蝶形彈簧被壓縮，其壓力為374．78KN，該壓力通過卡瓦導向座的斜面而產生增力，作用在卡瓦的徑向卡緊力約500KN左右。如此巨大的壓力，在現場是無法處理的，只有拆下回轉器，連同6米多長的主動鉆桿，運回隊部機修車間用專用機械才能修理。由此，既增加了修理難度、造成安全隱患、拖延工期還導致生產成本上升。

2、故障原因分析

由回轉器結構及工作原理可知，當鉆機停止鉆進，液壓卡盤內卡瓦與六方鉆桿側面保持一定間隙，此時若離合器帶車或其它原因使立軸轉動，立軸帶動卡盤體、卡瓦同時轉動，即使只轉過很小的角度(小于30°)，卡瓦也會在極短的時間內與六方鉆桿最大外徑接觸，鉆桿棱邊緊緊頂住并推動卡瓦，卡瓦被迫偏離正常的工作位置位移，卡瓦的斜面再推動導向座上升，使導向座超出正常高度而離開卡盤油缸的控制范圍，導致液壓卡盤失效。而導向座上升又迫使蝶形彈簧進一步壓縮，在蝶形彈簧的巨大強力作用下，卡瓦咬死鉆桿，此時液壓卡盤已失效，操作液壓卡盤已不能使卡瓦動作。

根據以上過程分析表明，故障的根本原因在于：卡瓦與六方鉆桿的平面位置不能相對固定并同步轉動，一旦卡瓦與鉆桿平面錯位，故障即發(fā)生，且時間極短暫，假定立軸每秒僅轉動一圈，那么相對鉆桿轉動30°角度僅十二分之一秒。根據測算，僅需轉動12°30′，鉆桿就能完全被擠死，其時間小于十二分之一秒，操作人員措手不及。TK-3型鉆機的使用說明書要求：“松緊卡盤時，立軸必須停止運轉”。由此可見，發(fā)生此類故障，人為的誤操作僅是外因，內因是該設備客觀存在事故隱患。因此，要杜絕此類事故，只能消除設備內部存在的缺陷，才能實現本質安全。

二、改進措施

方案A：根據回轉器結構及工作原理，只要確保立軸與主動鉆桿同步轉動，故障就不會發(fā)生。采取的措施是：在卡盤體與鉆桿之間加一個內六方固定套，六方套與卡盤以花鍵配合，鉆桿通過內六方套，三者形成一個整體，實現同步轉動。原卡盤體底部內圓為一組內花鍵，花鍵上方有約80mm的空間，按原花鍵的幾何尺寸向上延伸，與六方套外圓的花鍵配合，利用該空間即可裝配內六方套。六方套材料為45#鋼，經調質處理，硬度達32度。

方案B：根據原地質礦產部探礦機械廠生產的XY-5型鉆機立軸回轉器的工作原理，即在立軸上部裝有油壓卡盤，上卡盤油壓活塞上下移動，通過托架帶動齒條上下移動，再通過卡瓦座實現卡瓦的徑向移動，從而實現卡緊鉆桿或松開鉆桿的目的。采用整體XY-5型鉆機的立軸頭換下TK-3型鉆機蝶形彈簧的回轉器。在改造中應注意：

2、把TK-3型鉆機活塞軸采用焊接方式，改變成階梯軸，實現TK—3型鉆機兩個油缸活塞階梯軸與XY-5型鉆機橫梁螺栓聯(lián)接一體。

3、改變分配閥油路，原TK-3型鉆機的卡盤上下腔油管分別與XY-5型鉆機的兩個卡盤油缸上下腔油管聯(lián)接。

三、技術改造試驗效果

1、方案A試驗效果

(1)用方案1改進后的TK，3型鉆機通過車間空載試車成功。

(2)野外現場鉆進驗證，施工了兩個鉆孔，經質量驗收均為特級孔。終孔深度分別為690．09米、567，72米。但施工中當鉆桿在高速回轉時，如果立軸垂直度較差，在鉆桿離心力加上孔內其他力的作用下，鉆桿極易產生劇烈擺動，此時鉆桿連接立軸并帶動卡瓦使整個卡盤體擺動，造成卡盤體底部與固定圈的聯(lián)接緊固螺栓被反復拉動而滑絲，個別螺栓甚至被拉斷，使卡盤體與固定圈分離。此時操作卡盤欲松開卡瓦時，油缸不是推動導向座向上，而是推動整個卡盤向上位移，因而使卡瓦打不開。說明改進后雖然未頻繁發(fā)生故障，但仍存在一定的缺陷?？蛇M一步將12個螺栓由原直徑為10mm加大至12mm，并采用機械強度較高的機床專用內六角螺栓，在立軸下端加裝一個內六方定位套，用以限制鉆桿的擺動。

2、方案B試驗效果

(1)用方案2改進后的TK-3型鉆機通過車間空載試車成功。

(2)野外現場鉆進驗證，在不同的三個礦區(qū)施工六個鉆孔，終孔深度分別為918．3米、602．93米、257米、386.86米、527.82米、593．72米，經質量驗收均為特、甲級孔。完全符合金剛石鉆進、繩索取芯鉆探工藝技術要求。

四、結束語

通過對兩個改造方案實際施工對比，證實兩個方案都是可行的，但方案?改進效果比方案1更理想。且具有技術改造簡單易行、成本底的優(yōu)點，盤活了多年閑置的固定資產，發(fā)揮出較好的經濟效益。