对立轴式岩心钻机常闭式液压卡盘漏油问题的探讨

杨苏昌

（陕西核昌机电装备有限公司，陕西咸阳712000）

对立轴式岩心钻机常闭式液压卡盘漏油问题的探讨

杨苏昌

（陕西核昌机电装备有限公司，陕西咸阳712000）

目前使用的立轴式岩心钻机，大多是斜面增力机构卡瓦夹紧式卡盘，采用液压压紧碟簧松开卡瓦。但是这种卡盘往往在使用一段时间后卡盘容易漏油，且维修不便。针对液压卡盘漏油情况，作者对其进行了分析并提出改进措施。

液压卡盘；碟簧；漏油；密封

从20世纪70年代中期起推广普及的机械传动液压给进立轴式岩心钻机，因其性能接近国际水平而成为我国地质岩心钻探的主要设备。直到现在，尽管出现了全液压动力头式岩心钻机，但是立轴式岩心钻机以其价格低廉、维修方便、性能稳定等优势，仍然拥有我国乃至东南亚地质钻探市场的主要份额。但是该类钻机在使用过程中常出现液压卡盘漏油现象，导致卡盘不能及时打开，钻进过程中液压油飞溅，影响施工等现象。本文从卡盘的工作原理、结构和受力情况等方面进行了分析，对液压卡盘漏油问题提出了一些建议。

1 常闭式液压卡盘的工作原理

目前大多数立轴式岩心钻机卡盘采用的是碟簧夹紧、液压松开、斜面增力的常闭式结构来实现加压、减压钻进和强力起拔的功能，采用补心方式来实现回转的功能。这种卡盘通过弹簧力的作用来夹紧钻杆而油压力仅用来克服弹簧力松开卡瓦，所以对钻具的夹紧力不会受液压系统影响，一旦液压系统发生故障，停止供油，不会发生“跑钻”等事故，工作比较安全可靠。

卡盘一般有三个组成部分：夹紧元件，中间传力机构和夹紧动力装置

夹紧元件指直接与钻杆接触，向钻杆施加力的元件。常用夹紧元件有两种形式：卡瓦式和柱销式（或卡球式）。

中间传力机构的作用是将力从动力装置传给夹紧元件。多数中间传力机构还具有增力和自锁作用。中间传力机构有三种形式：斜面机构、螺旋机构和连杆机构。

夹紧动力装置是给夹紧元件提供动力的装置。卡盘动力装置一般为液压缸推力、弹簧力或手动力（人力）。

碟簧夹紧、油压松开式卡盘主要由夹紧元件、中间传力机构、碟簧、油缸等部分组成。其工作原理如图1所示，当卡盘油缸回油时，油缸力F为零，卡圈在弹簧张力T的作用下向上移动，在斜面增力中间机构的作用下卡瓦径向内移，实现夹紧钻杆；当油缸进油且油压力F大于弹簧张力T时，油压力克服弹簧力并压缩弹簧，使卡圈下移，卡瓦径向外移，实现松开钻杆。

图1 闭式液压卡盘工作原理

2 常闭式液压卡盘漏油的影响

卡盘是岩心钻机中独立而不可或缺的部件，其作用是夹持机上钻杆，向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现回转和给进完成加减压钻进，悬吊和提动钻具，以及处理事故时的辅助动作，在必要时能实现强力提拔，以免钻具被卡埋。液压卡盘作为钻机的一个部件至关重要，液压卡盘的性能直接影响到钻进的效率和质量。

卡盘漏油会有以下几点影响：

（1）卡盘不能及时打开并拉伤钻杆

卡盘松开钻杆，给进油缸活塞杆伸出，带动卡盘移动，卡盘夹紧钻杆，进行二次钻进，这一过程在施工中不停的重复，松开夹紧动作非常之频繁。若卡盘漏油，不能提供足够的油压使卡盘完全打开，那么就不能实现二次钻进，影响钻进效率；若是在卡盘没有完全打开的情况下，卡瓦的径向外移不够，此时给进油缸加压，强行使卡盘移动，卡瓦和钻杆将出现摩擦，容易拉伤钻杆，钻杆拉伤会出现夹持不牢，钻杆“打滑”等现象，严重影响施工。

（2）油液飞溅影响施工

由于卡盘漏油，钻机在钻进过程中回转器卡盘摆动，钻具旋转，在离心力的作用下，漏油严重时，油液飞溅，使操作者难以接近钻机进行施工。

（3）影响钻机液压系统正常工作、浪费液压油增加成本

液压油由于卡盘漏油而外泄，造成液压油的缺失，影响钻机整个液压系统的正常工作，必须及时补加液压油，从而增加了成本。

（4）维修不便并影响卡盘使用寿命

一般情况下，在工地上解决卡盘漏油问题的途径就是更换密封件，但是工地上条件恶劣，风沙大，工具不全，工人水平不一，在更换密封件的时候很容易划伤活塞与壳体的接触面，并损坏密封件沟槽，即使新装密封件也用不久就会漏油。这样拆装数次，活塞与壳体接触面以及密封件沟槽严重损坏，卡盘将很容易失效。

如图2为HXY－6B钻机施工图。

3 常闭式液压卡盘漏油原因

勘探工作的环境非常复杂，有在温差比较大的荒漠地区，有在长年潮湿树木林立的山区，且施工工艺也不相同，常闭式液压卡盘漏油主要由以下几点原因

图2 连云港黄海机械公司HXY－6B钻机施工图

3．1 油封早期磨损

活塞受力不好，有径向力使活塞和壳体之间有偏载荷，使油封早期磨损，造成漏油。如图3所示为核昌HXY－2000C钻机施工图，施工过程中，油缸给进时卡盘偏摆，油缸给进行程越长偏摆越严重，在打深孔和硬岩层时这种情况尤其明显。

图3 陕西核昌机电公司HXY－2000C钻机施工图

3．2 油封所处温度较高，油封老化快

钻机在施工过程中，油封长期处于高温高压环境下，油封出现变型，Y型油封（如图1中）变型后出现密封唇口无张力，导致漏油。如果施工地温差较大，就算是密封件不用，温度太高或者温度过低密封件都会有老化现象。

3．3 施工环境恶劣，空气中灰尘、砂粒大

工作时会有大量的灰尘杂质附着在活塞上，防尘油封可以防止灰尘杂质进入缸体，防止对油缸和油封的损伤。在防尘油封破损的情况下，杂质灰尘直接进入缸体，直接伤害油封和油缸，在灰尘量大的情况下不用几十小时油封就会磨损，出现内唇明显磨损。

3．4 液压油清洁度不够

活塞和壳体拉毛了，观察活塞表面状况，表层若有破损，这类损伤一般是由于液压油的清洁度不够，里面有杂质引起的。

3．5 安装时，损坏油封

选用正确的密封型式和密封件材料，在安装时特别注意O型圈不能“打滚”，特别是一些O型圈是合模压制的一条合模线。

3．6 不合理的设计和加工精度不能保证

由于不合理的设计和加工精度不能保证，活塞与壳体同心度差，配合公差不正确，使得密封效果不理想，而且活塞直径越大密封难度越大。

4 改进常闭式液压卡盘漏油措施

（1）根据液压卡盘结构、受力及施工条件等，正确设计合理的密封型式，选择合适的密封材料；加工过程中严格控制加工质量。

（2）装配时设计安装密封件的工装。这样在装配时可保证密封件安装无误，在施工地利用工装更换密封件，不仅可以提高安装质量，还可以节省时间。

（3）合理设计钻机整体结构，使得钻机在施工中运转平稳，消除或减小钻进过程中钻机整体震动，回转器加支撑，使卡盘旋转稳定。

（4）在钻进时严格按照钻机使用说明，正确使用钻机，严禁野蛮操作，钻进时合适选用转速及给进量；保持液压油清洁。

（5）选用其他型式的卡盘，如：齿轮齿条螺旋增力式（张探基本都是这种卡盘）或者柱销式（卡球式）。

5 结语

通过对核昌公司HXY－2000C岩心钻机液压卡盘的改进，有效地解决液压卡盘漏油问题，使用安装密封件工装有效地提高工作效率，并延长了液压卡盘使用寿命。

［1］ 冯德强．钻机设计［M］．武汉：中国地质大学出版社，1993．

［2］ 赵大军．索忠伟．岩土钻凿设备［M］．长春：吉林大学出版社，2004．

［3］ 李世忠．钻探工艺学［M］．北京：地质出版社，1989．

P634．49

：A

：1009－282X（2014）02－0017－03

2013－09－11

杨苏昌（1982－），男（汉族），陕西杨凌人，陕西核昌机电装备有限公司（原核工业西北二一零厂）助理工程师，机械设计制造及自动化专业，从事岩心钻机的设计与开发工作，陕西省咸阳市人民西路59号，Tel：15929285515，E－mail：fxx320＠163．com。