水文水井钻机转盘的结构设计分析

刘艳丽

(天津市地质工程勘察院，天津　300191)



水文水井钻机转盘的结构设计分析

刘艳丽

(天津市地质工程勘察院，天津300191)

摘要：本文以SPC-300H型水文水井钻机的转盘为例，着重介绍了该转盘在结构选择、卸管机构、密封性能、轴承设计上应注意的问题及相应的整改措施。

关键词:水文水井；钻机；转盘；设计

0引言

目前国内使用的水文水井钻机多为转盘钻机，转盘是这种钻机直接用于钻进作业的重要部件。它的机械结构虽然不甚复杂，但在钻进中，转盘驱动主动钻杆、钻具旋转，对地层切削钻进，承受难以预料的不稳定负荷。

从钻进工艺的角度对转盘提出如下要求：

(1)必须具备足够的承载、抗振和抗腐蚀能力；

(2)中心通孔直径应能满足通过粗径钻具的要求(目前国内多为大转盘，对伸缩式小转盘另论)；

(3)由于国内水文水井钻探不使用大钳，所以转盘应该具有拧、卸钻杆的能力，即要配备拧、卸管机构；

(4)结构上应该有良好的密封、润滑、散热性能；

(5)较大的转速范围，并能正、反旋转。

本文仅以SPC-300H型水文水井钻机转盘为例，对其结构方案、卸管机构、密封性能、专用轴承设计等问题进行探讨。

1结构方案的选择

当前水文水井钻机使用的多种结构型式的转盘，根据传动来分，一种是二级传动结构；另一种是一级圆锥齿轮传动结构。根据驱动主动钻杆的方式可分为补芯式和拨杠式。

两种传动形式的结构方案如图1所示。(a)是二级传动结构，其特点是将制造比较困难的一对大圆锥齿轮传动变为一对小圆锥齿轮和一对圆柱齿轮的二级传动，这种结构突出优点是制造工艺简单，容易保证制造精度；缺点是增加了一根立轴和相应的支撑轴承，结构比一级传动复杂，小圆锥齿轮因受力过大而容易损坏。另外，它的转台轴承虽然布置合理，受力较好，但最上面的主轴承一般应强制润滑，使结构进一步复杂化。(b)是应用较广泛的一级传动转盘结构，其转台的主、副轴承布置在大圆锥齿轮下边，主轴承离大圆锥齿轮较近，带有一定间隙的副轴承离大圆锥齿轮较远，轴承磨损后，转台不易过量偏斜，另外，齿轮副和各轴承的润滑条件都较好，能减轻磨损增长使用寿命；该方案与二级传动结构相比，主、副轴承安装距离略有减小，受力情况稍差。

转盘驱动主动钻杆实现钻进的方式有补芯式和拨杠式。补芯式转盘是一种传统结构，而拨杠式转盘是近几年才由岩心钻机发展来的新型结构。比较起来虽各有优缺点，但拨杠式转盘最突出的特点在于它能大大减轻体力劳动强度，因为拨杠可以随主动钻杆一起提离孔口，很方便的让开转盘通孔，以便钻具自由通过；而补芯式转盘需要人工搬动笨重的补芯。

拟定转盘新方案和设计时应综合分析各种结构的优缺点，一般要考虑下面几个问题：(1)传动齿轮应能满足蹩钻、跳钻、处理井内事故等所需要的强度及耐磨要求；(2)转台的主、副轴承应使其不易偏斜、受力较好；(3)密封性能好，应能严格防止润滑油外漏和泥浆渗入；(4)传动齿轮副和各轴承必须有良好的润滑条件；(5)结构简单，操作、维修方便。

1.横轴; 2.齿轮副; 3.减速齿轮; 4.转盘; 5.补心; 6.转筒; 7. 箱壳(a) 壳体定位式转盘示意图

1.横轴; 2.齿轮副; 3.卡筒; 4.回转梁; 5.转盘; 6.箱壳; 7.心管(b) 心管定位式转盘示意图

1.小锥齿轮; 2.转台; 3.大锥齿轮; 4.拨柱; 5.拨杠; 6.底架; 7.油缸;8.支承板; 9.支承千斤顶; 10.圆螺母; 11.下轴承; 12.上轴承; 13.转盘体图2　SPC-300H钻机转盘(采用了一级传动、拨杠式)结构方案

根据上述分析，在SPC-300H钻机转盘设计中，采用了一级传动、拨杠式结构方案。其具体结构如图2，动力输入至小圆锥齿轮1而带动用螺钉和平键固定在转台2上的大圆锥齿轮3旋转，在转台2上还用螺钉及平键固定着两个拨柱4，通过这两个拨柱可推动拨杠5回转，以实现钻进；转台2由下轴承11和上轴承12支承在转盘体13上，转台与上下轴承用圆螺母10锁紧；底架6上装有两个油缸7，可控制两块井口支承板8沿底架导轨开合，支承板8用来支承钻具，并在拧、卸钻杆时承受反扭矩。

2卸管机构

国内的水文水井钻机都不使用大钳来拧、卸钻杆接头，这是和国外钻机不同之处。目前国内由于卸管方式不同，存在着两种结构不同的钻杆接头，一种是卡块式接头，另一种是切口式接头。两种接头的卸管方法对转盘的要求基本相同，只是卡块式接头不需要垫叉。两种接头虽各有优缺点，比较起来切口式接头仍是应用较广泛的一种。

为了拧、卸钻杆接头，通孔直径较大的转盘除了能反向旋转以外，还应具有孔口支承板机构和卸开接头第一扣用的卸管油缸机构。图3是SPC-300H型钻机转盘实物，可以看到底部的孔口支承板装置，两块支承板由两个油缸分别驱动沿导轨开合(图2)，支承板不仅能支承全部钻具的重量，而且承受拧卸钻杆接头时所产生的反扭矩。图3中也显示出来卸管油缸和转台上的大棘轮，卸管油缸的活塞杆前端是一个棘爪，使用时压力油推动活塞，通过棘爪、棘轮使转台旋转，再经过上下垫叉的作用，卸开接头第一扣后，转盘反转把钻具卸开。

图3　SPC-300H型钻机转盘实物

由于SPC-300H型钻机上使用了液控井口支承板和卸管油缸，受到使用者的普遍欢迎。在此以前，卸钻杆接头第一扣是一大难题，因为水文水井钻机一般口径较大(大都在300~500 mm之间)，使用的钻具也较大(多用Φ89mm钻杆),钻进扭矩也大，因此卸钻杆接头第一扣非常困难，往往需要工人用大锤多次打击接头才能卸开，而且容易损坏机件。SPC-300H型钻机通过广泛使用证明这一卸管方法是行之有效的。

SPC-300H型钻机上的卸管机构，以及其他型号钻机上的类似机构，是我国水文水井钻机不同于国外钻机的一个突出特点，是适合国情，简单易行的拧、卸钻杆接头的方法。

3密封性能

转盘的密封性能好坏将影响润滑油的外漏和泥浆的渗入，也就直接影响着转盘的使用寿命，由图2可看到在转台的内外径有两处迷宫式密封。采用此种密封是因为转盘直径较大，密封处线速度较高，而且受到位置限制，使用其他形式密封的可能性很小。

在SPC-300H型钻机转盘的设计过程中，开始将迷宫密封的间隙控制在很小的范围内，结果在使用中甩油严重。经过分析研究，认为密封间隙过小，再加之转盘旋转中偏心运动和转盘体的刚性不足等原因，造成迷宫密封的局部间隙极小(例如20μm)，结果形成缝隙泵油作用，促使飞溅的油液外漏。

图4　迷宫密封间隙示意图

在迷宫密封处取一小段极小的间隙如图4，由于缝隙高度很小，因此润滑油在间隙里属于层流状态。缝隙内油液无外加压力作用，所以切应力到处相等，并且速度梯度为一常数，亦即在垂直于缝隙高度的截面内油液速度按直线规律变化。

(1)

式中：v0——下平面(或上平面)运动速度；

h——迷宫密封处的极小间隙。

由于油液具有黏性及附着力，故当下平面运动时，要受到上平面的阻力(或相反)，产生压力为(牛顿内摩擦定律)

(2)

式中：l——缝隙长度；

b——密封宽度(垂直于纸面方向)。

由于油流速度从上至下是呈直线增加的，故在缝隙内油流的平均速度为下平面运动速度v0的二分之一，因此油流的流量为：

(3)

这是在没有外来压力的作用下油液通过缝隙的流量，由于迷宫密封的局部间隙里有油流存在，而且转台是不停的转动，就会造成甩油不止。这样甩油将消耗一定的能量P。

(4)

通过上述分析，防止甩油的办法不只是加强密封部位的密封，更重要的是从转盘的整体结构出发来提高其密封性能。下面是为此所采取的主要措施：

(1)适当加大迷宫密封的间隙，并且设计了缓冲卸荷槽和回油孔(见图2)，使之不易形成缝隙泵油作用。

(2)加强转盘体的结构刚性。为减轻钻机重量，该转盘体为一焊接结构，修改中除增加了个别部位的钢板厚度以外，主要是增加了一些加强筋板。

(3)提高转盘的回转同心度，为此除适当提高某些部位的加工和装配精度以外，最主要的是修改了转台专用轴承的设计，以提高其定心性能，并延长使用寿命。经过这些修改解决了甩油问题，也使转盘使用寿命大大提高。

4专用轴承的设计

SPC-300H型钻机转盘的转台支座中使用了一对专用的单向推力向心球轴承，这是为了提高转盘的回转同心度，并使其结构紧凑而专门设计的非标准轴承，图5是结构图。

图5　专用单向推力向心球轴承结构图

这种轴承由四种元件组成：内圈、外圈、滚珠、隔离棒(图中未示出)。内外圈上具有曲面的滚道，曲面滚道的作用一方面是限制滚珠移动而具有导轨的性质，另一方面还减小了滚珠与套圈之间的当量曲率，因此降低了接触应力。为了避免发生滑动摩擦，曲面滚道的曲率半径应稍大于滚珠的半径，推荐曲率半径R=0.55d(式中d为滚珠直径)。滚珠采用国家标准钢球。隔离棒的作用是隔开两个相邻滚珠，起标准轴承保持架的作用，防止两相邻滚珠直接接触，因此在接触点处，两相邻滚珠表面运动方向是相反的，摩擦速度是滚珠表面速度的二倍，这样将很快的磨损。

制造内、外圈材料是轴承钢GCr15，淬火硬度HRC55-65。隔离棒是用尼龙制成的，耐磨性能很好。

专用轴承主要参数的选定和设计程序大体如下：

(1)根据转盘结构确定轴承的主要安装尺寸；

(2)依据转盘的设计能力初步求出轴承的计算载荷Q；

(3)按照转盘的使用要求初步选定轴承工作寿命h；

(4)初步计算轴承工作能力系数C。

(5)

式中：Q——计算载荷；

h——轴承工作寿命；

n——轴承转速。

4.1确定压力角α(法向载荷倾角)

如图5所示，H1H2为轴承的回转轴心线，O为滚珠中心，A为滚珠与内圈滚道的接触点，B为滚珠与外圈滚道的接触点，AH2为由A点所作的切线，AH1为载荷压力线。

为了提高轴承的定心性能，推荐取角β=40°，也就是取压力角α=50°。

转盘在运动过程中，内圈随转台旋转，其上A点的切线速度vA(图5中垂直于纸面)，此时，滚珠上A点的切线速度亦为vA；因为外圈固定，滚珠瞬间转动中心为接触点B，故此时B点的切线速度必为零。由此可知，滚珠一方面绕轴承轴心线H1H2公转，一方面还要绕OH2自转。为了从理论上保证滚珠与座圈滚道之间是纯滚动而无相对滑动，就应使由A、B点所作的切线相交于轴承轴心线上的一点H2(如图5)。在设计轴承内外圈时必须根据上述原则来确定滚道的加工尺寸。

4.2确定滚珠(钢球)的数量和直径

标准轴承的基本额定动荷载C可在轴承尺寸表中查得，对于非标准轴承，可根据公式近似计算出来。

(6)

式中：Z——滚珠数目；

d——滚珠直径(mm)。

根据上述公式和轴承主要尺寸试求出滚珠数目及直径，当然在试求过程中轴承工作寿命也是可以作适当调整的。轴承内外圈曲面滚道的曲率半径R=0.55d,并决定出轴承各件的其他结构尺寸。隔离棒的设计以能在滚道内自由运动而不致翻转为原则。

4.3最后对轴承进行较为详细的全面校核

(1)轴承的选择

根据受力要求，轴承将承受较大的径向力和轴向力，采用稀油润滑和润滑脂润滑,极限转速为130r/min；

(2)计算轴承受力：求轴承径向载荷、轴向荷载；

(3)轴承的当量荷载P；

(4)轴承的实际寿命：

5结论

(1) SPC-300H型水井钻机转盘轴承间隙增大后可用调整螺母调节。转盘转台由上、下两盘球轴承支承于壳体上，并用螺母锁紧。为了防止螺母松动，采用螺钉固定于转台上。当转盘使用后，出现轴承间隙增大时，可先拧掉固定螺钉，在拧动螺母，以调节轴承间隙。

(2) 转盘配套完善，配有井口板，支承钻具方便。在转盘底座上装有两个油缸，用于控制两块井口板的开合。井口板的作用是支承钻具。底座上还安装有支承转盘的千斤顶，以增加转盘工作的稳定性。

(3) 转盘搓扣结构解决了钻杆卸扣问题。转盘卸扣经常遇到强力拧卸也卸不开的情况，如果一味强力撞击拧卸，就会造成转盘损坏。SPC-300H型水井钻机转盘转台的外圆铣有棘齿，通过油缸活塞上的棘爪推动，用于拧卸钻杆接头时搓扣，有效地解决了钻杆卸扣难的问题，提高了钻杆拧卸效率，保证了在施工中操作安全可靠。

(4) 通过对密封性的调整，使甩油问题得以解决，从而提高了转盘的使用寿命。

(5) 转盘设计了专用非标单向推力向心球轴承，并设计了滚珠隔离棒，保证滚珠与座圈滚道之间是纯滚动而无相对滑动，提高了轴承的性能和使用寿命。

参考文献：

[1]夏惠斌, 吴连生. 对油压转盘甩油的分析和改进意见[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 1974(4).

[2]关蜀军. 钻机转盘用大型推力轴承淬火工艺分析及改进[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2000(6):43-44.

[3]杨春旺. 水井钻机转盘结构的改进[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 1983(4):53-53.

[4]许刘万, 王艳丽, 刘 江, 张进. 影响水井钻探效率的因素及提高钻井速度的关键技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程), 2014(4):18-21.

[5]许刘万, 王艳丽, 左新明. 我国水井钻探装备的发展及应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2012(4):1-7.

[6]吕光辉, 罗礼辉, 敖春来. 国产转盘钻机钻进系统改进研制[J].探矿工程(岩土钻掘工程), 2013(8):54-56,60.

The Analysis and Design of Turntable for Water Well Drilling Machine

Abstract：This paper introduces the structure and selection of a turntable for SPC-300H water well drilling machine, puts forward some problems in its design of sealing and bearing which have to be paid attention to and also the appropriate remedial measures.

Key Words：water well; drilling machine; turntable; design

作者简介：刘艳丽(1978-)，女(汉族)，天津人，天津市地质工程勘察院助理工程师，机电专业，从事地质机械设计、绘制、制造与技术管理工作，天津市南开区红旗南路261号，Tel：13212257751，E-mail：825740138@qq.com。

收稿日期：2015-12-04

中图分类号:P634.31

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)01-0015-05