塔机一体式钻机钻塔的设计与应用

卢春阳，欧阳志强，李明星

（衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南 衡阳421002）

1 概述

机械传动立轴式岩心钻机的发展已具有上百年的历史，因其具有传动效率高，结构简单、操作容易、维修方便，钻探工艺适应性强等优点，在我国广泛使用。随着钻探技术和工艺水平的不断提升和完善，国内生产的立轴岩心钻机经各厂家的不断改进和优化，出现百花齐放的状态，总的发展目标就是节能高效，减轻劳动强度等，吸取全液压钻机的优点，相继出现了不停车倒杆式、长给进行程式等特色钻机。在钻探施工中，钻塔是钻探设备的重要组成部分，它在钻进过程中用于安放和悬挂天车、游动滑车、提引器等，以起下钻具和套管。衡阳中地装备探矿工程机械有限公司开发的XY－4L钻机和XY－4 HA钻机，设计成岩心钻机自带钻塔，钻机与钻塔一体式，实现真正意义上的塔机一体，降低了购买钻塔所需的成本。自带液压起落钻塔，安装快捷，轻便灵活，缩短了装拆钻塔的工作周期，能实现整机移动，搬迁方便，大大减轻了工作者的劳动强度，钻机配套性强，施工方便。

2 塔机一体式钻机天车形式的优缺点分析

塔机一体式钻机的工作方式决定了其结构形式，钻塔是通过塔座安装在分动箱体和水刹车壳体上，钻机在下放和提升钻具时，回转器立轴需要后退400mm左右，以让开孔口，满足钻进工艺的要求，这势必造成整个钻塔也跟着钻机向后移动400 mm左右，为保证钻塔上天车滑轮与孔口中心垂直，必须给钻塔有补偿装置。如图1是固定式天车钻塔的初始和工作状态，目前，塔机一体式钻机较常用的补偿装置，主要由塔座、起塔油缸、摆塔油缸、销轴A、销轴B、塔体、天车组成，其工作原理是：驱动起塔油缸，将塔体撑起到与钻机垂直的位置，完成起钻塔动作。装上销轴B，卸下起塔油缸，装上摆塔油缸，拆下销轴A，钻塔处于钻进工作状态。当钻机需要后退让开孔口时，钻塔随钻机后退，为保证钻塔上天车滑轮与钻孔中心垂直，驱动摆塔油缸伸出，使钻塔向前倾斜一定的角度，实现钻机利用钻塔起放钻具，当钻机完成起放钻具后，让开的回转器立轴需要复位，驱动摆塔油缸缩回，使钻塔复位。

此钻塔的天车是固定式，在让开孔口提升钻具时，是依靠摆塔油缸伸出，使钻塔处于倾斜状态，摆塔油缸几毫米的伸缩量可以让钻塔产生几十倍的摆动力，严重影响钻机的稳定性，钻塔的提升能力也不能完全发挥，给施工现场留下安全隐患。现场操作时，倾斜的角度也难以控制，当钻塔的倾斜角度稍大时，天车已超过孔口中心，塔体有可能碰到主动钻杆而损伤钻杆；当钻塔的倾斜角度过小时，天车到不了孔口中心，达不到让开孔口的效果，这样就大大增加了斜塔时的操控难度，钻塔的安装过程也比较繁锁，拆装频繁，费时费力。

为解决固定式天车钻塔稳定性差、能力不能完全发挥、安全隐患、操作困难等弊端，我们对钻塔和天车进行了改进设计。图2是变位式天车钻塔的初始和工作状态，改进后将固定式天车钻塔的天车拆分为主天车与副天车，将用来斜塔的摆塔油缸改到驱动副天车的位置，钻塔的联接也由销轴B改为螺栓加以紧固，这样就成了变位式天车钻塔，其工作原理是：驱动起塔油缸，将塔体撑起到与钻机垂直的位置，装上螺栓，钻塔处于钻进工作状态，当钻机需要让开孔口时，驱动摆塔油缸伸出，将副天车倾斜到一定的角度，保证天车滑轮与孔口中心垂直；当钻机复位时，驱动摆塔油缸缩回，钻塔处于正常钻进状态，改进后钻机需要落塔时，拆下螺栓，驱动起塔油缸，可让钻塔处于落塔状态。为控制天车的伸出量与让开孔口的位置相当，只需要控制摆塔油缸的行程，改进后，天车操作方便，只需把摆塔油缸控制阀推拉到极限位置即可。

改进后的变位式天车钻塔与原固定式天车钻塔相比具有明显的优势：

（1）钻机起落钻塔方便快捷，不须更换油缸和拆装销轴；

（2）起塔后，塔体与塔座用螺栓紧固联接，无需倾斜，从而使钻塔的工作状态更稳定；

（3）大大降低了操作者对钻塔倾斜角度的操控难度。

图1 固定式天车钻塔

图2 变位式天车钻塔

3 塔机一体式钻机变位天车的有限元分析

为保证变位式天车的副天车和摆塔油缸满足钻机的提升能力和设计要求，我们应用Autodesk Inventor软件对天车进行了有限元分析计算：

首先对零件进行三维建模，组装后对整个部件进行应力分析，所有材质都选择为低碳钢，将耳座与钻塔的接触面设为固定约束。根据钻机的设计性能要求，卷扬机的提升能力为45k N，将卷扬机上钢丝绳的拉力作用于副天车滑轮之上，方向如图3所示，一个为竖直向下，一个沿两滑轮的切线方向，通过软件的有限元分析，最大应力出现在油缸与滑轮架的结合处，为Smax＝159．3MPa。图4为安全系数分析图，从两图并根据钻机卷扬的提升能力和对钻具的重量计算，摆塔油缸和副天车的受力完全能满足钻机的要求。

图3 等效应力分析图

图4 安全系数分析图

4 塔机一体式钻机变位天车的生产应用情况

新型变位式天车钻塔试验初期装在衡探公司生产的XY－4 HA型塔机一体式钻机上，在公司钻机试验台上，我们对该钻机进行了50k N重物的提升试验（见图5）。试验过程中，钻机钻塔稳定可靠，摆塔油缸伸缩利索，完全达到设计要求。通过推广应用，此新型变位式天车装在XY－4L型钻机上，钻机出口4台在印度尼西亚一矿山施工，单台钻机总进尺达3200m，最深孔630m，钻机使用性能稳定可靠，变位式天车和摆塔油缸均无故障，施工单位使用满意，经工地实践证明，变位式天车能满足工地施工要求。

图5 变位天车的出厂试验

5 总结

新型变位式天车通过合理的、巧妙的机构设计，融合塔机一体式钻机其雄厚的技术基础、应用基础和自身优势，真正实现了钻机、钻塔一体，方便了钻探人员对钻机的操作，达到了设计的预期目的，提高了生产效率，为施工单位带来了较好的经济效益。生产企业根据市场的需要和工地的使用情况，不断完善、优化、丰富立轴式岩心钻机的结构形式和产品的功能，必将为其发展带来更广阔的市场前景。可以预测，立轴式岩心钻机在相当长的一段时间内其主导地位仍是不可替代的。

［1］ 彭一江等．新型高效节能立轴岩心钻机的开发应用．探矿工程（岩土钻掘工程），2008（10）．

［2］ 王义质等．工程力学．重庆：重庆大学出版社，1994．

［3］ 杨惠明．钻探设备．北京：地质出版社，1988．

［4］ 张永勤．新型高效实用岩心钻机的研发及应用．第十六届全国探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集．北京：地质出版社，2011．