盧春陽，歐陽志強，李明星

（衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司，湖南 衡陽421002）

1 概述

機械傳動立軸式巖心鉆機的發(fā)展已具有上百年的歷史，因其具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、維修方便，鉆探工藝適應(yīng)性強等優(yōu)點，在我國廣泛使用。隨著鉆探技術(shù)和工藝水平的不斷提升和完善，國內(nèi)生產(chǎn)的立軸巖心鉆機經(jīng)各廠家的不斷改進和優(yōu)化，出現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)，總的發(fā)展目標(biāo)就是節(jié)能高效，減輕勞動強度等，吸取全液壓鉆機的優(yōu)點，相繼出現(xiàn)了不停車倒桿式、長給進行程式等特色鉆機。在鉆探施工中，鉆塔是鉆探設(shè)備的重要組成部分，它在鉆進過程中用于安放和懸掛天車、游動滑車、提引器等，以起下鉆具和套管。衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司開發(fā)的XY－4L鉆機和XY－4 HA鉆機，設(shè)計成巖心鉆機自帶鉆塔，鉆機與鉆塔一體式，實現(xiàn)真正意義上的塔機一體，降低了購買鉆塔所需的成本。自帶液壓起落鉆塔，安裝快捷，輕便靈活，縮短了裝拆鉆塔的工作周期，能實現(xiàn)整機移動，搬遷方便，大大減輕了工作者的勞動強度，鉆機配套性強，施工方便。

2 塔機一體式鉆機天車形式的優(yōu)缺點分析

塔機一體式鉆機的工作方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu)形式，鉆塔是通過塔座安裝在分動箱體和水剎車殼體上，鉆機在下放和提升鉆具時，回轉(zhuǎn)器立軸需要后退400mm左右，以讓開孔口，滿足鉆進工藝的要求，這勢必造成整個鉆塔也跟著鉆機向后移動400 mm左右，為保證鉆塔上天車滑輪與孔口中心垂直，必須給鉆塔有補償裝置。如圖1是固定式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài)，目前，塔機一體式鉆機較常用的補償裝置，主要由塔座、起塔油缸、擺塔油缸、銷軸A、銷軸B、塔體、天車組成，其工作原理是：驅(qū)動起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機垂直的位置，完成起鉆塔動作。裝上銷軸B，卸下起塔油缸，裝上擺塔油缸，拆下銷軸A，鉆塔處于鉆進工作狀態(tài)。當(dāng)鉆機需要后退讓開孔口時，鉆塔隨鉆機后退，為保證鉆塔上天車滑輪與鉆孔中心垂直，驅(qū)動擺塔油缸伸出，使鉆塔向前傾斜一定的角度，實現(xiàn)鉆機利用鉆塔起放鉆具，當(dāng)鉆機完成起放鉆具后，讓開的回轉(zhuǎn)器立軸需要復(fù)位，驅(qū)動擺塔油缸縮回，使鉆塔復(fù)位。

此鉆塔的天車是固定式，在讓開孔口提升鉆具時，是依靠擺塔油缸伸出，使鉆塔處于傾斜狀態(tài)，擺塔油缸幾毫米的伸縮量可以讓鉆塔產(chǎn)生幾十倍的擺動力，嚴(yán)重影響鉆機的穩(wěn)定性，鉆塔的提升能力也不能完全發(fā)揮，給施工現(xiàn)場留下安全隱患。現(xiàn)場操作時，傾斜的角度也難以控制，當(dāng)鉆塔的傾斜角度稍大時，天車已超過孔口中心，塔體有可能碰到主動鉆桿而損傷鉆桿；當(dāng)鉆塔的傾斜角度過小時，天車到不了孔口中心，達(dá)不到讓開孔口的效果，這樣就大大增加了斜塔時的操控難度，鉆塔的安裝過程也比較繁鎖，拆裝頻繁，費時費力。

為解決固定式天車鉆塔穩(wěn)定性差、能力不能完全發(fā)揮、安全隱患、操作困難等弊端，我們對鉆塔和天車進行了改進設(shè)計。圖2是變位式天車鉆塔的初始和工作狀態(tài)，改進后將固定式天車鉆塔的天車拆分為主天車與副天車，將用來斜塔的擺塔油缸改到驅(qū)動副天車的位置，鉆塔的聯(lián)接也由銷軸B改為螺栓加以緊固，這樣就成了變位式天車鉆塔，其工作原理是：驅(qū)動起塔油缸，將塔體撐起到與鉆機垂直的位置，裝上螺栓，鉆塔處于鉆進工作狀態(tài)，當(dāng)鉆機需要讓開孔口時，驅(qū)動擺塔油缸伸出，將副天車傾斜到一定的角度，保證天車滑輪與孔口中心垂直；當(dāng)鉆機復(fù)位時，驅(qū)動擺塔油缸縮回，鉆塔處于正常鉆進狀態(tài)，改進后鉆機需要落塔時，拆下螺栓，驅(qū)動起塔油缸，可讓鉆塔處于落塔狀態(tài)。為控制天車的伸出量與讓開孔口的位置相當(dāng)，只需要控制擺塔油缸的行程，改進后，天車操作方便，只需把擺塔油缸控制閥推拉到極限位置即可。

改進后的變位式天車鉆塔與原固定式天車鉆塔相比具有明顯的優(yōu)勢：

（1）鉆機起落鉆塔方便快捷，不須更換油缸和拆裝銷軸；

（2）起塔后，塔體與塔座用螺栓緊固聯(lián)接，無需傾斜，從而使鉆塔的工作狀態(tài)更穩(wěn)定；

（3）大大降低了操作者對鉆塔傾斜角度的操控難度。

圖1 固定式天車鉆塔

圖2 變位式天車鉆塔

3 塔機一體式鉆機變位天車的有限元分析

為保證變位式天車的副天車和擺塔油缸滿足鉆機的提升能力和設(shè)計要求，我們應(yīng)用Autodesk Inventor軟件對天車進行了有限元分析計算：

首先對零件進行三維建模，組裝后對整個部件進行應(yīng)力分析，所有材質(zhì)都選擇為低碳鋼，將耳座與鉆塔的接觸面設(shè)為固定約束。根據(jù)鉆機的設(shè)計性能要求，卷揚機的提升能力為45k N，將卷揚機上鋼絲繩的拉力作用于副天車滑輪之上，方向如圖3所示，一個為豎直向下，一個沿兩滑輪的切線方向，通過軟件的有限元分析，最大應(yīng)力出現(xiàn)在油缸與滑輪架的結(jié)合處，為Smax＝159．3MPa。圖4為安全系數(shù)分析圖，從兩圖并根據(jù)鉆機卷揚的提升能力和對鉆具的重量計算，擺塔油缸和副天車的受力完全能滿足鉆機的要求。

圖3 等效應(yīng)力分析圖

圖4 安全系數(shù)分析圖

4 塔機一體式鉆機變位天車的生產(chǎn)應(yīng)用情況

新型變位式天車鉆塔試驗初期裝在衡探公司生產(chǎn)的XY－4 HA型塔機一體式鉆機上，在公司鉆機試驗臺上，我們對該鉆機進行了50k N重物的提升試驗（見圖5）。試驗過程中，鉆機鉆塔穩(wěn)定可靠，擺塔油缸伸縮利索，完全達(dá)到設(shè)計要求。通過推廣應(yīng)用，此新型變位式天車裝在XY－4L型鉆機上，鉆機出口4臺在印度尼西亞一礦山施工，單臺鉆機總進尺達(dá)3200m，最深孔630m，鉆機使用性能穩(wěn)定可靠，變位式天車和擺塔油缸均無故障，施工單位使用滿意，經(jīng)工地實踐證明，變位式天車能滿足工地施工要求。

圖5 變位天車的出廠試驗

5 總結(jié)

新型變位式天車通過合理的、巧妙的機構(gòu)設(shè)計，融合塔機一體式鉆機其雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)、應(yīng)用基礎(chǔ)和自身優(yōu)勢，真正實現(xiàn)了鉆機、鉆塔一體，方便了鉆探人員對鉆機的操作，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目的，提高了生產(chǎn)效率，為施工單位帶來了較好的經(jīng)濟效益。生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場的需要和工地的使用情況，不斷完善、優(yōu)化、豐富立軸式巖心鉆機的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品的功能，必將為其發(fā)展帶來更廣闊的市場前景。可以預(yù)測，立軸式巖心鉆機在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)其主導(dǎo)地位仍是不可替代的。

［1］ 彭一江等．新型高效節(jié)能立軸巖心鉆機的開發(fā)應(yīng)用．探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（10）．

［2］ 王義質(zhì)等．工程力學(xué)．重慶：重慶大學(xué)出版社，1994．

［3］ 楊惠明．鉆探設(shè)備．北京：地質(zhì)出版社，1988．

［4］ 張永勤．新型高效實用巖心鉆機的研發(fā)及應(yīng)用．第十六屆全國探礦工程（巖土鉆掘工程）技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會論文集．北京：地質(zhì)出版社，2011．