和國磊，許本沖，秦如雷，劉曉林，馮起贈，劉家譽

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 概述

傳統(tǒng)車載鉆機接卸鉆桿依靠人力將鉆桿放置到小車上，由鉆工把小車推到孔口位置，再由卷揚將鉆桿吊至豎直狀態(tài)，鉆工用手扶住鉆桿進行上扣;卸鉆桿時，由鉆工將鉆桿下端放在小車上，配合卷揚機下放將鉆桿至于水平狀態(tài)。這種接卸鉆桿的方式存在著效率低、工人勞動強度大、具有安全隱患等缺點。

為了解決上述問題，研制設(shè)計了BG型鉆桿排放設(shè)備。BG型鉆桿排放設(shè)備是配合SDC系列全液壓車載動力頭鉆機研制的，具有排放、舉升、運移、夾緊等功能，主要配合鉆機使用，達到自動上卸鉆具的目的，同時可作為現(xiàn)場輔助吊裝設(shè)備使用。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿接卸、擺放、夾持的機械化，可大大減少工人的勞動強度。目前該設(shè)備已經(jīng)完成了樣機，并配合SDC1500型鉆機進行了初步的試驗，取得了一定的應(yīng)用效果。

2 設(shè)備的研究設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

BG型鉆桿排放設(shè)備(見圖1)由底座、行走架、行走裝置、機械手、夾持器、操控臺等6部分組成。底架由4個支腿固定支撐在地面上;行走架與底座焊接成一體，行走裝置通過馬達驅(qū)動在行走架的導軌上移動;機械手通過一個回轉(zhuǎn)軸承連接在底座上，可實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，機械手由大臂、小臂、抓手組成;夾持器通過法蘭安裝在行走架的前端，由油缸驅(qū)動實現(xiàn)夾持動作。

圖1 BG型鉆桿排放設(shè)備圖

BG型鉆桿排放設(shè)備采用全液壓驅(qū)動，油源取自車載鉆機，所有動作均由一個泵供油實現(xiàn)，設(shè)備操控采用電液控制，由電控手柄以及液控閥集成控制。

2.2 設(shè)備的主要部件設(shè)計

2.2.1 機械手

機械手為該設(shè)備排放鉆桿的最終執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計有抓放、升降、回轉(zhuǎn)等功能。其設(shè)計形式見圖2。

圖2 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

機械手由機械結(jié)構(gòu)件與液壓部件組成。結(jié)構(gòu)件包括機座體、變幅臂、小臂和抓手活動臂;液壓部件包括動臂油缸、斗桿油缸、回轉(zhuǎn)驅(qū)動和抓手油缸。該機構(gòu)通過多種油缸伸縮組合驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)，將地上的鉆桿擺放到鉆桿擺放架上。

機械手的作用是抓取排放鉆桿，在其變幅、伸縮機械臂的同時，鉆桿與變幅臂等部件的自重對安裝在機座體下部的回轉(zhuǎn)驅(qū)動產(chǎn)生的傾覆力矩也會產(chǎn)生變化。因此，需要分析其力矩變化時回轉(zhuǎn)驅(qū)動的安全性，以確定設(shè)備整體的性能。

傾覆力矩計算公式:

式中:M——力矩;F——總載荷;L——力作用點與回轉(zhuǎn)中心的距離。

根據(jù)機械手結(jié)構(gòu)件尺寸和材料性質(zhì)，可得變幅臂、斗桿油缸、小臂、抓手油缸和抓手活動臂及銷軸組件總質(zhì)量m1=423 kg，機座體質(zhì)量m2=181 kg。按照最大載荷原則，按抓取159 mm鉆鋌做計算，鉆鋌質(zhì)量m3=1.3 t?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動所承受總軸向力Fα'=19 kN，徑向力Fr=0。驗證回轉(zhuǎn)驅(qū)動的安全性，需要計算其在最大傾覆力矩情況下的狀態(tài)，由于總載荷為設(shè)定的定值，則需要選擇鉆桿與機座體最遠距離處。機械手圍繞機座體為軸線轉(zhuǎn)動，可以據(jù)圖2分析，斗桿油缸縮至最短，鉆桿與機座體上鉸軸在同一水平面時，鉆桿與機座體產(chǎn)生最遠距離，如圖3所示。該距離實測值為L1=2312 mm。此距離只為鉆桿與機座體距離，結(jié)構(gòu)件需應(yīng)用重心法。由于結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量較小，可以當做沿長度方向上均勻的實體，因此重心取其中位，則重心到機座體的水平距離L2=1156 mm。據(jù)上分析，最大傾覆力矩為33.54 kN·m。

由于本設(shè)備非高負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此采用靜態(tài)工況校核。按照廠家提供的單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)驅(qū)動靜態(tài)設(shè)計方法，校核應(yīng)按承載角α=45°和60°兩種工況進行，兩種工況下安全系數(shù)fs均選取為1.25。

圖3 機械手最長狀態(tài)簡圖

承載角 α=45°時的校核公式[1]為:

計算得:Fα'=23.8 kN，M'=44.3 kN·m。

承載角α=60°時的校核公式為:

計算得:Fα'=29 kN，M'=54.2 kN·m。

回轉(zhuǎn)驅(qū)動兩種工況下的軸向力和傾覆力矩計算出之后，又根據(jù)回轉(zhuǎn)驅(qū)動承載曲線圖(圖4)，可以將計算出的數(shù)值在圖中描出兩點，若有一點處于承載曲線之下，那么該回轉(zhuǎn)驅(qū)動的選用是合適的。

圖4 四點接觸球式回轉(zhuǎn)驅(qū)動承載曲線圖

從圖4中可以看出，機械手在抓取最大重物并將機械臂伸至最長時，其載荷繪制的點仍在曲線下方，因此機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，回轉(zhuǎn)驅(qū)動的選用是合適的。

2.2.2 夾持器

夾持器起到夾持鉆具，為鉆桿提供反扭矩的作用，以便動力頭反向回轉(zhuǎn)卸扣。夾持器設(shè)計形式見圖5。

夾持器由安裝在保持架上的夾持體、卡瓦和夾持油缸組成。通過夾持油缸的伸縮，驅(qū)動夾持體夾緊與松開，而與夾持體連接的卡瓦通過安裝的牙板抱緊鉆桿。夾持器夾緊鉆具狀態(tài)見圖6。

圖5 夾持器設(shè)計圖

圖6 夾持器工作狀態(tài)圖

夾持器的主要作用是為鉆桿在動力頭反轉(zhuǎn)時提供反扭矩以完成卸扣。在設(shè)計時卡瓦牙板需達到一定的硬度才能夠保證該機構(gòu)起到作用并能長久使用。經(jīng)過多次試驗，確定牙板材質(zhì)選取為35CrMo，并經(jīng)調(diào)制、滲氮處理;采用圓弧面鋸齒形布置，牙板布齒結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于工作中卡瓦牙板有壓入鉆桿的可能，查閱資料得知，該種材質(zhì)和牙形與114 mm外平鉆桿的摩擦系數(shù)μ為0.8[2]。

圖7 卡瓦牙板布齒結(jié)構(gòu)圖

牙板硬度達到使用要求的同時，夾持器需達到一定的夾持力，才能夠保證夾持器為鉆桿提供足夠大的反扭矩，以保持卸扣時不隨動力頭轉(zhuǎn)動。夾持力由夾持油缸提供、夾持體傳遞，夾持器夾緊鉆桿時力的作用如圖8所示。

圖8 夾持器工作受力圖

根據(jù)夾持器的設(shè)計尺寸，L1=320 mm，α=72°，L2=380 mm，β =52°，F(xiàn)2是油缸推力，結(jié)合力矩平衡公式可以推導出施加在鉆桿上的合力F1為:

將F1分解為徑向力和切向力后，可知徑向力Fr為鉆桿的最終有效作用力。由于牙板間隔90°分布，F(xiàn)r可以按下述公式計算:

此時可以根據(jù)徑向力、摩擦系數(shù)以及鉆桿直徑計算夾持反力矩:

式中:T——反力矩;f——牙板與鉆桿間摩擦力;D——鉆桿直徑;μ——牙板與鉆桿間摩擦系數(shù)。

只要式中T值接近動力頭的反轉(zhuǎn)力矩，那么夾持器就能夾緊鉆桿正常卸扣。

SDC1500型鉆機動力頭最大扭矩為16000 N·m，根據(jù)該值推算的油缸夾持力為25.64 t，BG型布管機的主要作用是鉆具的固定和擺放，實際使用中最大上、卸扣扭矩不能超過該值，因此油缸選擇為推力F2為25 t。按照以上步驟計算得出夾持器能夠提供的最大反力矩T為15600 N·m，該值足以保證應(yīng)用于1500 m深孔鉆探的接卸鉆桿工作。

2.2.3 液壓控制系統(tǒng)

BG型鉆桿排放設(shè)備采用全液壓驅(qū)動，油源取自車載鉆機定量高壓齒輪泵，工作壓力20 MPa，由3根油管通過快速接頭與車載鉆機連接，并從鉆機取24 V控制電源。

設(shè)備液壓系統(tǒng)采用電、液先導控制:位于鉆桿排放平臺上的小車的浮動與行走、機械手動臂的正反轉(zhuǎn)及鉆桿夾持器的夾緊與松開由電磁換向閥控制，操作者操作位于設(shè)備操作臺雙軸手柄上的電氣按鈕即可實現(xiàn)上述動作的便捷控制;動臂油缸、斗桿油缸和抓手油缸的動作由位于設(shè)備操作臺上的雙軸手柄控制。

當需要設(shè)備工作時，連接好液壓油管快速接頭及電氣航空插頭，操作者只需操作位于操作臺上的兩個雙軸手柄前后左右推動，并配合按下或松開位于其上的電氣按鈕，即可實現(xiàn)機械手臂、小車及夾持器的所有控制。

3 應(yīng)用試驗

BG型鉆桿排放設(shè)備組裝完成后，進行了野外生產(chǎn)試驗。試驗地點為山西省臨汾市賈得鄉(xiāng)五礦集團鐵礦勘探項目現(xiàn)場，配套試驗鉆機為SDC1500水井鉆機。該鉆機扭矩16000 N·m，提升力700 kN，動力頭可抬頭，鉆井使用的鉆桿為114 mm外平鉆桿、127 mm外平鉆桿及159 mm鉆鋌。

加接鉆桿時，先把鉆桿滾動到機械手初始位置，有機械手的抓手抓住鉆桿，抬動臂、收斗桿，將鉆桿水平抓放到行走裝置上，行走裝置由馬達帶動將鉆桿送到孔口位置，此時夾持器將鉆桿夾住，動力頭正轉(zhuǎn)，完成上扣、緊扣動作。動力頭由水平位置調(diào)整到豎直位置，鉆桿遠端壓在行走機構(gòu)隨動部分，配合底座上的定滑輪以及鉆機頂部的卷揚吊臂將鉆桿立起，完成加接鉆桿動作。卸鉆桿時，夾持器夾住鉆桿近端，動力頭反轉(zhuǎn)完成卸扣，鉆桿由行走機構(gòu)送到行走架中間，由機械手將鉆桿抓取放到地面上。整個接卸鉆桿的過程中，由鉆工在操作臺獨立控制完成，大大減小了工人的勞動強度，在操作熟練的情況下，加接一根鉆桿需要約2 min時間。

4 結(jié)語

(1)BG型鉆桿排放設(shè)備設(shè)計合理，前期設(shè)計時進行了科學的計算與校核，保證了其使用性能的可靠性;

(2)與SDC1500型全液壓鉆機配合使用，表現(xiàn)出全液壓設(shè)備機械化程度高的優(yōu)勢，極大減少了人力成本;

(3)在以后的設(shè)計中，會繼續(xù)拓展其能力，使其能夠應(yīng)用于更重鉆具的排放工作。

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