巖心鉆機卡盤的結構與設計

馬福江,高杉,盧斌

(1.中國地質裝備總公司,北京 100102;2.北京海光儀器公司,北京 100027)

金剛石取心鉆進是目前巖心鉆機適用的主要工藝,由于金剛石鉆頭的碎巖機理與取心鉆進的工藝特點,要求鉆機的操作規程必須是高轉速、鉆壓穩定,而卡盤——巖心鉆機上帶有鉆桿夾持通道的卡盤,其功能正是:傳遞回轉運動與扭矩;傳遞軸向運動和給進(起拔)力。能否牢固地卡緊鉆桿,穩定地將主機的轉速、扭矩、鉆壓傳遞到鉆桿、鉆具和孔底鉆頭上;能否迅速徹底地松開鉆桿,進行快速倒桿,都將直接影響鉆進能否順利進行以及鉆探效率的高低。對于傳統的機械立軸式巖心鉆機和先進的全液壓動力頭式巖心鉆機,卡盤作為一個獨立的核心部件,其能力大小、運行可靠性以及拆卸方便性都顯得非常重要。

當前,隨著國內巖心勘探的不斷加深,對于深孔巖心鉆機,尤其是對于其卡盤能力提出了越來越高的要求。2008年以來,在河北、山東、安徽等省區許多2000m以深的取心鉆探項目,最終沒有達到預定的目標深度,并不是主機回轉、提升、功率、地層等方面的障礙,而恰恰是因為卡盤不能有效地傳遞扭矩和給進(起拔)力,而不得不終止鉆探施工。同時,一些深孔巖心鉆機的卡盤在拆裝高彈性碟簧的過程中不斷傳出人身傷害的消息。巖心鉆機在其不斷發展過程中,卡盤的結構和設計始終是工程設計人員關注的核心內容。本文就卡盤的要求,結構以及設計計算等三方面給予闡述。

1 卡盤的基本要求

(1)夾緊時,自動定心,確保鉆桿與立軸的回轉同心度要好;

(2)回轉部分重量輕,轉動慣量小,回轉質量分布均勻,動平衡要好;

(3)有足夠的穩定的夾持力,鉆桿不能發生軸向和周向的相對滑動;

(4)卡盤通徑要足夠大,需要通過相應的鉆桿及接頭;

(5)卡盤的夾緊機鉤應該有自鎖性能;

(6)卡盤夾持與松開鉆桿要迅速,松開完全徹底;

(7)夾持力分布均勻,夾緊時不應損傷鉆桿表面;

(8)卡瓦硬度適當,耐磨,摩擦系數大;

(9)密封性好,不漏油,使用安全,操作方便,便于維修。

從以上要求可以看出,卡盤是一種有足夠夾持能力、與鉆桿適配、結構獨特的安全傳動裝置。

2 卡盤結構分析

巖心鉆機的液壓卡盤,其結構型式主要有三種類型:

(1)彈簧夾緊液壓松開常閉型卡盤,優點是結構緊湊,工作可靠,液壓系統發生故障時不影響卡盤的夾持能力;缺點是彈簧質量不穩定,容易破裂失效。常閉式卡盤有楔面式和連桿式兩種,楔面夾緊式卡盤徑向位移小,卡瓦磨損或鉆桿直徑變小時,會導致夾緊力急劇下降。

采用楔面夾緊機構卡盤(圖1)的有傳統立軸鉆機 XY-2、XY-4以及長年-44、YL-10型鉆機,以及大多數的全液壓巖心鉆機以及新研制的深孔立軸鉆機。不同點在于彈簧選擇的不同,XY-2、XY-4以及其他立軸鉆機采用的是一組大碟形彈簧(圖2),長年-44、YL-10及部分全液壓鉆機采用多組小碟形彈簧(圖3),長年LF-90、阿特拉斯 CS1000P6等機型采用多組氮氣彈簧(圖4),國內部分全液壓巖心鉆機采用多組高彈性矩形模具彈簧(圖5和6),另有外置油缸松開結構(圖7)。采用連桿增力夾緊機構卡盤的鉆機有 TXL-1E型和 TK-4型鉆機(圖8)。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

(2)液壓夾緊彈簧松開常開型卡盤(圖9)。這種卡盤的優點是夾緊力可以根據鉆具重量等情況的變化進行液壓調節;卡瓦徑向位移大,體積小,重量輕。缺點是推力軸承在較大負荷下長期工作,高轉速下容易發熱;由于液壓閥和液壓缸的泄露,將引起油壓下降,夾持力不穩定;彈簧復位時,往往由于液壓夾持太緊,卡瓦不容易松開。膠囊式液壓夾緊卡盤屬于常開式卡盤,用于鉆石系列及原泰美克系列鉆機(圖10)。

圖10

圖11

(3)液壓緊松式卡盤(圖11),優點是徑向力大,可以使用不帶尖齒的卡瓦,卡瓦與鉆桿接觸面大,卡瓦磨損小,也可以保護主動鉆桿;夾緊力可以按照負載大小進行調節。缺點是結構復雜,工作可靠性差,長時間夾緊常常因油的泄露而松動;有時兩個齒條不同步,對中性不好。如 XY-5型鉆機的卡盤(圖12)。

圖12

巖心鉆機的機械卡盤,常用于某些小型巖心鉆機的上卡盤或深孔巖心鉆機的下卡盤。這種卡盤結構簡單,加工方便,工作可靠,操作簡單,但是不能集中控制。主要有手動卡槽式卡盤(圖13)、機械自動定心卡盤(圖14)、頂絲卡盤等結構型式。

圖13

圖14

3 卡盤的設計計算

巖心卡盤最常用的機構為液壓松開彈簧夾緊常閉式液壓卡盤,利用液壓缸提供作用力直接或間接地驅動夾緊元件來執行對鉆桿的夾緊、松開動作。我們以楔面式常閉液壓卡盤為例,簡化成以下力學模型(圖15):

以鉆桿為研究對象,做受力分析:

式中:G——為作用在鉆桿上的綜合載荷;

Py——為作用在鉆桿上的圓周力;

圖15

Pz——為作用在鉆桿上的軸向力;

N——為卡瓦作用在鉆桿上所必須的夾持力;

f——為卡瓦與鉆桿的摩擦系數;

M——作用在鉆桿上的扭矩,N·m;

d——鉆桿外徑,m。

注意:摩擦系數 f值與卡瓦齒實際所受到的單位壓力有關。當單位壓力大于120～200M Pa時,f為0.2～0.45;單位壓力為1000～1500M Pa時,f為0.9。高壓下,卡瓦齒吃入鉆桿,因此其摩擦系數大大增加,在夾緊能力的計算中,卡瓦與鉆桿表面的摩擦系數一般取0.5。

以卡瓦為研究對象,做受力分析:

式中:N′——座板對卡瓦的支撐力;

N″——卡圈對卡瓦的正壓力;

f′——鋼對鋼平面摩擦系數;

α——卡瓦斜面角;

以卡圈為研究對象,做受力分析:

式中:F——彈簧的預緊力。

由上述(1)(2)(3)(4)(5)公式推導得出:

根據上述公式,我們不難看出,卡瓦斜面角α是整個卡盤結構設計中的一個重要參數。α的大小取決于三方面因素:第一,α減小時,所需彈簧的預緊力 F也相應減小;第二,要保證卡盤松開時鉆桿通過空間和卡盤夾緊時夾持余量,卡瓦受液壓活塞系統推動的軸向距離也要加大;第三,要考慮夾緊機構的自鎖性能要好,α不可過小。因此卡瓦斜面角α的選擇,要綜合考慮尺寸空間和夾持力的平衡關系,因為不同廠家相同規格的鉆桿接頭尺寸差別較大,在使用過程中鉆桿磨損情況嚴重,卡盤設計要為鉆桿通過時留有足夠的夾持余量。綜上分析,卡瓦斜面角α不宜取過小,一般α=6～9°,建議取大值。

通過以上的分析,可以看出,典型的中深孔巖心鉆機所采用的是彈簧夾緊液壓松開常閉式卡盤;立軸鉆機多用一組大直徑碟簧,全液壓鉆機為多組氮氣彈簧、小直徑碟簧或模具彈簧。無疑,后者在安裝和檢修時簡單方便,以及滿足卡盤夾持能力和大直徑卡盤通徑方面優于大直徑碟簧,而孔口泥漿容易造成氮氣彈簧的損壞也是一個現實。在設計計算中,卡瓦接觸面積,f摩擦系數的設定,α的選定,都會影響卡盤的夾持能力。當然,卡盤油缸的加工精度,卡盤外殼的動平衡檢測,卡盤多個內錐度的一致性,也同樣重要,直接決定了鉆桿和立軸的同心度,回轉的平穩性以及卡盤油缸的泄露和串油,也決定了卡盤運行的穩定性和安全性。

本文只是對于巖心鉆機卡盤的各種結構型式和其適用主機進行了匯總說明,同時也會持續關注各種卡盤在施工過程中的安全性、效率以及維修便利性,以期對巖心鉆機的卡盤設計提供更多的思路。