低矮型反井钻机主机钻架制造装配工艺

涂伟，陈云，孔进

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，银川 753001）

0 引言

低矮型反井钻机主要适用于井下煤仓、暗立斜井、管路孔、电缆孔、溜煤孔、通风孔等施工作业。该钻机整体结构紧凑，整机外形尺寸小，质量轻，钻机运输方便，便于井下运输，在工作面钻井时不用开拓峒室。主要特点是工作高度低、可整体搬运、刚性好、承载能力大、稳定性好、装卸钻杆机械化。

钻机的主机钻架是钻机的主框架部件，它不仅起支撑动力头的作用，更重要的是承受来自钻头的反转矩和反钻压，钻架整体几何形状要求较高，两侧立柱的加工和拼装精度要求较高。主要包括底座、立柱、横梁及其附件等，这些部件全部由板件焊接而成，焊后应力较大，因此需要对各部件的加工工艺过程进行深入研究，确保各部件能满足使用及组装的要求，在后期装配过程中，为保证钻架的整体性能和运行质量，工艺员在对钻架组装过程中的装配过程和施工工艺进行了反复交流论证，并结合实际装配分厂的装配条件和装配技术，研究制定了结合实际切实可行的钻架装配工艺方案。

低矮型反井钻机钻架主要有底座、立柱、横梁三大部件组成，因此其制造加工和装配方案也主要对这3个部件进行研究。

1 主机钻架结构和工艺方案

主机架是由底座和两个立柱、横梁形成的刚性框架结构，如图1所示，立柱是主机架关键承力部件，强度要求较高，立柱采用焊接结构，上有动力头导向滑动的导轨，通过装配保证两立柱上的导轨的相对位置，控制动力头与导轨之间的滑动间隙，最终控制推力油缸上下推动动力头沿立柱导轨平稳移动[1]。

图1 主机钻架结构图

底座与立柱用螺栓和定位销连接，立柱上的导轨相对底座都有垂直度要求，因此底座与立柱的连接定位面平行度和垂直度通过精加工控制。横梁与立柱用螺栓和定位销连接；立柱和横梁两端的连接面平行度通过精加工控制，两立柱导轨连接座面的高度差通过调整垫补偿。

针对钻机关键零部件主机架各部件加工工艺从主机架功能、精度要求、装配工艺等多个方面分析确定工艺加工方案。

为控制钻机整体质量和精度等，钻机所有铸件粗加工后进行时效处理，所有结构件焊后进行时效处理。

立柱导轨与底座用螺栓和定位销连接，相对底座都有垂直度要求，因此底座与立柱导轨的连接定位面平行度和垂直度通过精加工控制。

横梁与立柱导轨用螺栓和定位连接；立柱导轨和横梁两端的连接面平行度通过精加工控制，两立柱导轨连接座面的高度差通过调整垫补偿。

动力头箱体与油缸固定连接，动力头油缸安装孔与油缸定位面有同轴度要求，动力头油缸安装孔与输出轴要有平行度要求，从而控制输出轴安装的钻具与油缸和立柱导轨平行；油缸活塞杆与底座通过销轴连接，位置度偏差通过偏心套调整，动力头与导轨间的间隙根据实际测量尺寸用精加工的衬板调整，最终控制推力油缸上下推动动力头沿立柱导轨平稳移动。

加工底座与立柱连接的定位面时，要保证其余接卸钻杆U型插板导轨面的垂直度和平行度，控制U型插板中心与动力头输出轴中心的同轴度。

2 制造加工工艺

主机架包括底座、立柱、横梁及其附件等，这些部件全部由板件焊接而成，焊后应力较大，要进行热时效去应力处理，为控制加工面精度，各部件分粗加工和精加工2道工序，粗加工后进行二次热时效消除焊接残余应力和粗加工应力。同时严格控制精加工进刀量，避免精加工应力，控制部件加工成成品后内应力造成的变形。

2.1 底座

底座是固定和支撑钻架的部件，不仅要承受整体钻架和钻杆的质量，还要承受来自扩孔时的钻架承受的转矩。整体分几个部件连接，全部由板件焊接而成，如图2所示，序号1是底座与立柱连接主板，同时也是与底梁连接主板，是底座主受力面，材质选用HG785高强板。焊接后先进行热时效处理，消除焊接应力，再进行粗加工，然后进行二次热时效处理，消除焊接残余应力和粗加工应力。底座所有灰色面和孔是精加工面，A面是装卸钻杆用U形插板导向、定位面，B面是立柱安装定位面，C面是动力头输出轴定位面，因此精加工各面时，要保证各平行面之间的平行度和各垂直面之间的垂直度。

图2 底座的结构图

2.2 立柱

立柱是主机架的关键部件，毛坯全部由板件焊接而成，导轨面选用MN360耐磨板，其他板件选用HG785高强板，既保证立柱导轨的整体强度，又保证导轨面有较高的耐磨性。立柱焊接后要进行热时效处理，消除焊接应力，才能粗加工，并进行二次热时效处理消除焊接残余应力和粗加工应力后再进行精加工，如图3所示。立柱所有灰色面和孔是精加工面，动力头上下滑动导向面A的弯曲量、立柱安装面C的垂直度及齿面A的位置度等对动力头沿立柱导轨滑移都有非常大的影响，而且立柱是细长件，A面和C面按一次装卡、小进给量、多次精加工，保证各加工面的制造精度。B面是横梁连接面，定位销孔和螺纹连接孔配装后加工[3]。

图3 立柱的外形图

2.3 横梁

横梁是连接两立柱的连接件，全部板件选用HG785高强板，保证横梁的整体强度，横梁焊接后要进行热时效处理，消除焊接应力，才能粗加工，并进行二次热时效处理消除焊接残余应力和粗加工应力后再进行精加工[1]。

3 主机钻架的装配

如图1所示，两个立柱上导轨式动力头上下移动的导向体，行程为2 m左右，导轨长度超过2.5 m，两立柱各导轨面的平行度不大于0.1 mm，要求非常高。而立柱上导轨面的平行度与立柱和底座及横量连接定位面的位置精度有直接的关系。考虑到各个部件在焊接加工过程中存在着各种误差因素，为达到钻架的安装精度要求，工艺员对钻机主机装配工艺及装配零部件作了多次分析、论证，最终确定了如下主机钻架的装配工艺方案[1]：

1）检验主机钻架底座与立柱连接的连接侧面和上定位面的平行度，并进行整体研平，在组装过程中再进行测量，将平行度控制在图样规定的公差范围内。

2）检验立柱与导轨连接面和定位面的垂直度和平行度，在组装过程中再进行测量，进行调平，将平行度控制在图样规定的公差范围内。

4）检验立柱导轨与横梁连接面的平行度，并进行调平，将垂直度控制在允许范围内。

5）横梁连接面的平行度，并进行调平，将垂直度控制在允许范围内。

6）将立柱组装在底座上，检测立柱导轨面底座的垂直度，通过研磨底座上部的平面，将垂直度控制在0.1 mm范围内；主视图方向两立柱导轨面的平行度通过辅助工装控制立柱上端导轨面的距离，导轨面平行度控制在0.1 mm范围内，在将横梁点焊固定在立柱上。

7）加工主机架立柱与底座和横梁之间的定位销孔及立柱与横梁之间的连接螺栓孔，组装定位销和连接螺栓，去掉立柱找正辅助工装。检测立柱导轨面到C面中心孔的距离，记录数据。

图4 主机架架体三维装配爆炸图

4 结语

根据反井钻机钻架的使用，在设计中就充分考虑结构强度和制造工艺性，在满足钻架基本功能的前提下，确保其加工工艺和装配的可靠性，通过实物的装配验证，得出以下结论：图样设计合理的尺寸范围，在加工过程中保证重要的连接尺寸要求，通过装配过程中的测配，按照合理的装配方案，可以快速装配出符合要求的钻架，为后期调配动力头时节约装配时间。该钻架的制造工艺和装配方案。通过我公司2019年出厂的2台低矮型反井钻机进行了研制，现该设备在厂内完成出厂验收后，随用户到施工地进行钻井作业，从现场组装调试到现在进行钻井作业，工作一年多，已钻2组通风井，该设备钻架在钻井和搬运过程中均满足用户使用要求，尤其时在搬运组装过程中，用户反映该结构拆卸组装方便快捷，达到钻架设计的目标。