岩心钻机卡盘的结构与设计

马福江,高杉,卢斌

(1.中国地质装备总公司,北京 100102;2.北京海光仪器公司,北京 100027)

金刚石取心钻进是目前岩心钻机适用的主要工艺,由于金刚石钻头的碎岩机理与取心钻进的工艺特点,要求钻机的操作规程必须是高转速、钻压稳定,而卡盘——岩心钻机上带有钻杆夹持通道的卡盘,其功能正是:传递回转运动与扭矩;传递轴向运动和给进(起拔)力。能否牢固地卡紧钻杆,稳定地将主机的转速、扭矩、钻压传递到钻杆、钻具和孔底钻头上;能否迅速彻底地松开钻杆,进行快速倒杆,都将直接影响钻进能否顺利进行以及钻探效率的高低。对于传统的机械立轴式岩心钻机和先进的全液压动力头式岩心钻机,卡盘作为一个独立的核心部件,其能力大小、运行可靠性以及拆卸方便性都显得非常重要。

当前,随着国内岩心勘探的不断加深,对于深孔岩心钻机,尤其是对于其卡盘能力提出了越来越高的要求。2008年以来,在河北、山东、安徽等省区许多2000m以深的取心钻探项目,最终没有达到预定的目标深度,并不是主机回转、提升、功率、地层等方面的障碍,而恰恰是因为卡盘不能有效地传递扭矩和给进(起拔)力,而不得不终止钻探施工。同时,一些深孔岩心钻机的卡盘在拆装高弹性碟簧的过程中不断传出人身伤害的消息。岩心钻机在其不断发展过程中,卡盘的结构和设计始终是工程设计人员关注的核心内容。本文就卡盘的要求,结构以及设计计算等三方面给予阐述。

1 卡盘的基本要求

(1)夹紧时,自动定心,确保钻杆与立轴的回转同心度要好;

(2)回转部分重量轻,转动惯量小,回转质量分布均匀,动平衡要好;

(3)有足够的稳定的夹持力,钻杆不能发生轴向和周向的相对滑动;

(4)卡盘通径要足够大,需要通过相应的钻杆及接头;

(5)卡盘的夹紧机钩应该有自锁性能;

(6)卡盘夹持与松开钻杆要迅速,松开完全彻底;

(7)夹持力分布均匀,夹紧时不应损伤钻杆表面;

(8)卡瓦硬度适当,耐磨,摩擦系数大;

(9)密封性好,不漏油,使用安全,操作方便,便于维修。

从以上要求可以看出,卡盘是一种有足够夹持能力、与钻杆适配、结构独特的安全传动装置。

2 卡盘结构分析

岩心钻机的液压卡盘,其结构型式主要有三种类型:

(1)弹簧夹紧液压松开常闭型卡盘,优点是结构紧凑,工作可靠,液压系统发生故障时不影响卡盘的夹持能力;缺点是弹簧质量不稳定,容易破裂失效。常闭式卡盘有楔面式和连杆式两种,楔面夹紧式卡盘径向位移小,卡瓦磨损或钻杆直径变小时,会导致夹紧力急剧下降。

采用楔面夹紧机构卡盘(图1)的有传统立轴钻机 XY-2、XY-4以及长年-44、YL-10型钻机,以及大多数的全液压岩心钻机以及新研制的深孔立轴钻机。不同点在于弹簧选择的不同,XY-2、XY-4以及其他立轴钻机采用的是一组大碟形弹簧(图2),长年-44、YL-10及部分全液压钻机采用多组小碟形弹簧(图3),长年LF-90、阿特拉斯 CS1000P6等机型采用多组氮气弹簧(图4),国内部分全液压岩心钻机采用多组高弹性矩形模具弹簧(图5和6),另有外置油缸松开结构(图7)。采用连杆增力夹紧机构卡盘的钻机有 TXL-1E型和 TK-4型钻机(图8)。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

(2)液压夹紧弹簧松开常开型卡盘(图9)。这种卡盘的优点是夹紧力可以根据钻具重量等情况的变化进行液压调节;卡瓦径向位移大,体积小,重量轻。缺点是推力轴承在较大负荷下长期工作,高转速下容易发热;由于液压阀和液压缸的泄露,将引起油压下降,夹持力不稳定;弹簧复位时,往往由于液压夹持太紧,卡瓦不容易松开。胶囊式液压夹紧卡盘属于常开式卡盘,用于钻石系列及原泰美克系列钻机(图10)。

图10

图11

(3)液压紧松式卡盘(图11),优点是径向力大,可以使用不带尖齿的卡瓦,卡瓦与钻杆接触面大,卡瓦磨损小,也可以保护主动钻杆;夹紧力可以按照负载大小进行调节。缺点是结构复杂,工作可靠性差,长时间夹紧常常因油的泄露而松动;有时两个齿条不同步,对中性不好。如 XY-5型钻机的卡盘(图12)。

图12

岩心钻机的机械卡盘,常用于某些小型岩心钻机的上卡盘或深孔岩心钻机的下卡盘。这种卡盘结构简单,加工方便,工作可靠,操作简单,但是不能集中控制。主要有手动卡槽式卡盘(图13)、机械自动定心卡盘(图14)、顶丝卡盘等结构型式。

图13

图14

3 卡盘的设计计算

岩心卡盘最常用的机构为液压松开弹簧夹紧常闭式液压卡盘,利用液压缸提供作用力直接或间接地驱动夹紧元件来执行对钻杆的夹紧、松开动作。我们以楔面式常闭液压卡盘为例,简化成以下力学模型(图15):

以钻杆为研究对象,做受力分析:

式中:G——为作用在钻杆上的综合载荷;

Py——为作用在钻杆上的圆周力;

图15

Pz——为作用在钻杆上的轴向力;

N——为卡瓦作用在钻杆上所必须的夹持力;

f——为卡瓦与钻杆的摩擦系数;

M——作用在钻杆上的扭矩,N·m;

d——钻杆外径,m。

注意:摩擦系数 f值与卡瓦齿实际所受到的单位压力有关。当单位压力大于120～200M Pa时,f为0.2～0.45;单位压力为1000～1500M Pa时,f为0.9。高压下,卡瓦齿吃入钻杆,因此其摩擦系数大大增加,在夹紧能力的计算中,卡瓦与钻杆表面的摩擦系数一般取0.5。

以卡瓦为研究对象,做受力分析:

式中:N′——座板对卡瓦的支撑力;

N″——卡圈对卡瓦的正压力;

f′——钢对钢平面摩擦系数;

α——卡瓦斜面角;

以卡圈为研究对象,做受力分析:

式中:F——弹簧的预紧力。

由上述(1)(2)(3)(4)(5)公式推导得出:

根据上述公式,我们不难看出,卡瓦斜面角α是整个卡盘结构设计中的一个重要参数。α的大小取决于三方面因素:第一,α减小时,所需弹簧的预紧力 F也相应减小;第二,要保证卡盘松开时钻杆通过空间和卡盘夹紧时夹持余量,卡瓦受液压活塞系统推动的轴向距离也要加大;第三,要考虑夹紧机构的自锁性能要好,α不可过小。因此卡瓦斜面角α的选择,要综合考虑尺寸空间和夹持力的平衡关系,因为不同厂家相同规格的钻杆接头尺寸差别较大,在使用过程中钻杆磨损情况严重,卡盘设计要为钻杆通过时留有足够的夹持余量。综上分析,卡瓦斜面角α不宜取过小,一般α=6～9°,建议取大值。

通过以上的分析,可以看出,典型的中深孔岩心钻机所采用的是弹簧夹紧液压松开常闭式卡盘;立轴钻机多用一组大直径碟簧,全液压钻机为多组氮气弹簧、小直径碟簧或模具弹簧。无疑,后者在安装和检修时简单方便,以及满足卡盘夹持能力和大直径卡盘通径方面优于大直径碟簧,而孔口泥浆容易造成氮气弹簧的损坏也是一个现实。在设计计算中,卡瓦接触面积,f摩擦系数的设定,α的选定,都会影响卡盘的夹持能力。当然,卡盘油缸的加工精度,卡盘外壳的动平衡检测,卡盘多个内锥度的一致性,也同样重要,直接决定了钻杆和立轴的同心度,回转的平稳性以及卡盘油缸的泄露和串油,也决定了卡盘运行的稳定性和安全性。

本文只是对于岩心钻机卡盘的各种结构型式和其适用主机进行了汇总说明,同时也会持续关注各种卡盘在施工过程中的安全性、效率以及维修便利性,以期对岩心钻机的卡盘设计提供更多的思路。