传统机械钻机的改造

发布时间：2022-03-13 15:11:24 浏览数：次

(1.内蒙古科技大学机械学院，内蒙古包头 014010；2. 内蒙古煤田地质局151队，内蒙古包头 014040)
摘要：文章就传统机械钻机改造过程中的若干问题进行了论述，对改造其他类型的钻机具有一定的指导意义。
关键词：钻机；技术改造；液压系统
中图分类号：TH137 文献标识码：B 文章编号：1007—6921(2008)15—0102—01

针对传统机械钻机使用较普遍，在施工过程中钻机卡紧需要人力，不能实现前后移车和加压或减压钻进，只能靠自重钻下，整个设备成为一体，占地面积较大，适应的钻探区域有限，拆装复杂、搬迁困难，施工过程劳动强度高，危险性大，效率低，不能进行自动升降等问题，对其设备进行了改造。改造后的钻机是机械液压钻机，重量轻、可拆性好、结构紧凑、通用化程度高，回转器承载能力高，可适应各种地质条件的钻探工作。工作人员的劳动条件得到了很大的改善，提高了工作效率和经济效益。
1 钻机的设计
1.1 技术要求
钻孔深度：1000mm
立轴行程：500mm
立轴最大起重量：120KN
立轴最大压力：80KN
钻机系统压力：8MPa
钻机前后移动行程：360mm
1.2 设备布置 

改造后钻机设备布置工艺流程见图1所示。


1.3 主要装置的设计

改造后的钻机是一种机械液压钻机，主要由回转器、变速箱、卷扬机、机架、动力系统、制动系统和液压装置等构成。
1.3.1 塔架

为了加大提升能力，钻机塔架采用四方交接立柱。塔架主要由三大部分组成：即钻塔底座、塔架主体和滑轮组。钻塔底座是底座和塔架主体的过渡机构，它的底端安放在底座上，作为整个塔架的回转中心，其上端面与塔架的底部相连，用以承受整个塔架部分的重量以及卷扬机工作时的外载荷；塔架主体部分由两个方笼型的立柱，顶端交接组成，塔架主体总高10m 。塔架截面为四方，下端有20°锥度的一段。塔架的最上端为三组定滑轮，工作时可根据需要来调节卷扬机的提升能力。整个架体的起落由液压系统控制，升起和落下只需几秒钟。塔架竖起后，考虑到工作时的稳定性问题，需对塔架增设两根辅助支撑，辅助支撑的两端采用销轴连接，其长度可调整，以保证两支撑点受力均匀。
1.3.2 液压系统

液压系统主要用来实现钻机立轴升降，钻机前后移动，钻具称重，调整孔底压力，事故处理，下套管、起拔套管，油压卡盘卡紧、松开等动作。钻机配有给进油缸2个、卡盘油缸2个、移动油缸1个，通过这些油缸可以实现钻机立轴升降，下套管、起拔套管，油压卡盘卡紧、松开，钻机前后移动等动作的控制。钻机配有两个油泵，一个是齿轮泵，通过带轮和动力机连接；另一个是手动柱塞泵，当动力机或油泵发生故障关闭时，利用手摇油泵供油，可将钻具提离孔底，防止发生埋钻事故。
2 分析与计算
2.1 滑轮组受力分析

塔架的设计必须考虑其承载能力。按设计要求，卷扬系统起吊能力为90KN（单绳为30KN），滑轮组固定在塔架的顶端，其着力点分布如图2所示。
根据受力平衡原理，可得：

由计算可知：卷扬系统工作时，其工作载荷主要作用在塔架的过梁中部。因此，横梁中部在设计时采取减力绗架结构，以保证该部具有足够的强度和刚度。正常工作时工作载荷最终落在了两个交接的塔架中心点上，受力稳定，支撑牢固。
2.2 支撑杆受力分析

在塔架起吊重物过程中，若起架油缸长时放置失压或控制系统失灵，全部载荷将作用在支撑杆上，对支撑杆进行稳定性分析见图3所示。

顶杆为碳素结构钢钢管，规格为φ108mm×φ92mm，每米质量19.73kg，6.5m长的杆质量约为 128.3kg，所以人力抬起安装即可。屈服强度为σ_s＝245MPa，许用屈服强度为：


A—构件的截面面积（mm2）。
得σ＝3.43MPa，则σ＜〔σ〕，杆的强度足够。

按设计要求，塔架部分的总载荷约为150KN，故支撑杆的强度是足够的。此外，在塔架的交接处前、后两侧又增设了两个辅助支块，从而使塔架系统的安全性得到了进一步的保障。

如果长时间定点钻探，为了更安全，可以在塔架立起之前顶端系上预拉钢丝绳，同时在地面打桩，通过紧绳器拉紧钢丝，螺丝扣头锁紧，这样会使设备起吊更安全。
3 结束语

改造后的钻机具有如下特点：

①机架起落灵活、可靠，安装、搬迁非常方便。若需转移施工场地，塔架可迅速解体为3个部分，即塔架底座、塔架主体和滑轮组，其中最重的部件为塔架主体。当需要组装时，通过各部件之间的定位销、螺栓又可将各部件迅速组装为一个整体，再通过液压控制系统将塔架提升到所预定的位置，使整个钻机机组在很短的时间内组装为一体，并可进入工作状态，从而大大减少了施工的辅助时间。

②钻机具有可靠的液压系统，工作平稳、灵敏。由于将控制手柄集中在了控制盘上，工作人员的操作更方便，工作效率较得到提高，劳动强度也大幅度降低。

目前改造后的钻机运行正常，工作人员的劳动条件得到了很大的改善，工作效率提高了20% 。
［参考文献］
［1］方桂花．液压传动［M］．北京：地震出版社，2002.5.
［2］周庆固.工程钻探技术及施工方法［M］.北京：地质出版社,1987.7.
［3］焦生杰.工程机械机电液一体化［M］.北京：人民交通出版社，2000.

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