宋海燕,李旭文,何宗常,馮兆輝

(1.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司,河北張家口075026;2.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東招遠(yuǎn)264209)

XY-6N型鉆機(jī)的前身是XY-6B型鉆機(jī)。XY-6B型鉆機(jī)在中深孔地質(zhì)勘探中,使用非常廣泛,發(fā)揮了重要作用,曾創(chuàng)下了使用S71鉆具鉆深2410.12m的國(guó)內(nèi)巖心鉆探鉆深記錄。但隨著勘探深度的逐步加深,XY-6B型鉆機(jī)在使用中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題,如在超負(fù)荷使用情況下,出現(xiàn)變速箱有二、六跑檔現(xiàn)象,出現(xiàn)上橫梁、托架軸承發(fā)熱、使用壽命低的現(xiàn)象及在使用S75鉆具鉆深超過(guò)1200m時(shí)主動(dòng)鉆桿有打滑現(xiàn)象。為了徹底解決這些問(wèn)題,我們對(duì)XY-6B型鉆機(jī)進(jìn)行了認(rèn)真的分析計(jì)算,對(duì)變速箱、上橫梁、上卡盤(pán)進(jìn)行改進(jìn),改型為 XY-6N型鉆機(jī)。2011年在山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn),使用 S95鉆具鉆深1370m,鉆具重量 14t,使用S71鉆具鉆深1640m。鉆機(jī)未出現(xiàn) XY-6B型鉆機(jī)出現(xiàn)過(guò)的現(xiàn)象,完全滿足了用戶的要求,用戶給予了很高的評(píng)價(jià)。

1 變速箱的改進(jìn)

XY-6B型的變速箱是一個(gè)典型的平面三軸變速箱。該變速箱有四個(gè)正檔,一個(gè)反檔。

二、六檔脫檔就是掛和齒輪序5與齒輪序6嚙合時(shí)在遇到較大負(fù)荷時(shí)容易脫開(kāi),俗稱“跑檔”。通過(guò)分析研究,我們認(rèn)為造成跑檔的主要原因是軸的剛度不足所致,而上述兩個(gè)齒輪嚙合時(shí),是軸上剛度最差的位置。當(dāng)上述兩個(gè)齒輪嚙合時(shí),傳遞速度和扭矩。而齒輪傳動(dòng)會(huì)對(duì)軸產(chǎn)生徑向力,使軸產(chǎn)生彈性變形,從而產(chǎn)生使齒輪滑移的軸向力,當(dāng)負(fù)荷較大時(shí),齒輪傳動(dòng)使軸產(chǎn)生彈性變形而形成的軸向力超過(guò)了檔位銷定機(jī)構(gòu)的控制力,再加上鉆機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng),很容易造成齒輪序5與齒輪序6的脫開(kāi),造成跑檔。

具體改進(jìn)方案(見(jiàn)圖1),參考對(duì)XY-5型變速箱成功改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn),加大了輸入軸、輸出軸和副軸直徑,花鍵軸由原來(lái)的8-60×52×10花鍵改為8-68×62×12花鍵,軸的抗彎截面模量由原來(lái)的14.7cm3增大為24.3cm3,抗彎截面模量增加了65%,在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下,抗彎截面模量是決定軸剛度的唯一要素,這就表示軸的剛度增加了65%。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的彈性變形量減少了40%。減少了齒輪嚙合時(shí)由于軸彈性變形產(chǎn)生的軸向力,解決了變速箱二、六檔跑檔問(wèn)題。同時(shí)將軸承序3,由原兩套106單列向心球軸承改為4074106滾針軸承。經(jīng)計(jì)算,改進(jìn)后的軸承的使用壽命是原有軸承使用壽命的12倍,延長(zhǎng)了變速箱的大修時(shí)間。

圖1 變速箱

2 上橫梁的改進(jìn)

上橫梁在回轉(zhuǎn)器的上部,與兩個(gè)給進(jìn)油缸聯(lián)接,中間裝有立軸,立軸上部與上卡盤(pán)聯(lián)接,在給進(jìn)油缸作用下立軸、上卡盤(pán)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)并上下移動(dòng)。XY-6B型鉆機(jī)的橫梁結(jié)構(gòu)(圖2)是一組推力軸承序4、一組向心球軸承序6和一組角接觸球軸承序3安裝在立軸序1上和橫梁殼體序5內(nèi)。鉆具的重量以及起拔力全部作用在橫梁的推力軸承序4上。加壓力靠角接觸球軸承序3承受。推力軸承的型號(hào)為8228,額定動(dòng)載荷為205kN,極限轉(zhuǎn)速為800 r/min(脂潤(rùn)滑),只能承受軸向力;向心球軸承不承受軸向力。鉆機(jī)立軸最大起拔力為200kN,接近推力軸承所承受的額定軸向載荷;鉆機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)速度為1000 r/min,超過(guò)推力軸承脂潤(rùn)滑時(shí)的極限轉(zhuǎn)速。在孔深較淺時(shí),由于孔內(nèi)鉆具重量較輕,軸承所受負(fù)荷較小,軸承的壽命基本能滿足要求。但隨著孔深的逐漸加深,鉆具重量越來(lái)越大,軸承所受的負(fù)荷也越來(lái)越大,導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)橫梁容易發(fā)熱,軸承易壞等問(wèn)題。

圖2 XY-6B鉆機(jī)橫梁

根據(jù)實(shí)際使用情況分析,橫梁發(fā)熱是由于軸承承載力偏小,極限轉(zhuǎn)速偏低造成,其結(jié)果就是造成軸承損壞。通過(guò)研究對(duì)比,選用了圓錐滾子軸承,圓錐滾子軸承既可以承受軸向力,又可以承受徑向力,而且極限轉(zhuǎn)速較高(圖3)。兩組圓錐滾子軸承序3和序5安裝在立軸序1上,圓錐滾子軸承序3額定動(dòng)載荷為255kN,圓錐滾子軸承序5額定動(dòng)載荷為340kN,極限轉(zhuǎn)速為1900r/min,該軸承承受鉆具重量。通過(guò)計(jì)算軸承所能承受的軸向力增大了3倍多,軸承設(shè)計(jì)壽命是原來(lái)的15倍,完全滿足使用要求。選用圓錐滾子軸承支點(diǎn)距離增大,穩(wěn)定性增強(qiáng),保證了立軸轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),又因?yàn)檩S承的額定極限轉(zhuǎn)速超過(guò)了鉆機(jī)的立軸最高轉(zhuǎn)速,從而使軸承的發(fā)熱問(wèn)題得到了解決。以上種種結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)點(diǎn),保證了軸承的使用壽命,也解決了上橫梁發(fā)熱問(wèn)題。

圖3 XY-6N鉆機(jī)橫梁

3 上卡盤(pán)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

上卡盤(pán)為液壓油缸驅(qū)動(dòng)齒條齒桿式卡盤(pán),多年以來(lái),XU 1000鉆機(jī)、XY-5型鉆機(jī)除部分零件改進(jìn)外,一直采用與XU 600-3型鉆機(jī)相同的卡盤(pán)油缸。在鉆探過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)鉆深超過(guò)1200m,卡盤(pán)夾持能力不足,出現(xiàn)卡瓦與主動(dòng)鉆桿打滑現(xiàn)象,明顯該卡盤(pán)油缸不適合XY-6B型鉆機(jī)鉆進(jìn)深孔的需要。

改進(jìn)措施如下,加大卡盤(pán)油缸缸徑,使夾持能力增大到原夾持能力的1.5倍。在生產(chǎn)試驗(yàn)中,該卡盤(pán)完全滿足了用戶的需求,未出現(xiàn)主動(dòng)鉆桿打滑及夾持能力不足現(xiàn)象。

4 實(shí)際使用效果

XY-6N型鉆機(jī)完成廠內(nèi)試驗(yàn)后,赴山東招遠(yuǎn)進(jìn)行實(shí)際勘探鉆孔。設(shè)計(jì)孔深1640m,φ95繩索取心鉆深至1370m,φ71繩索取心鉆深1640m,圓滿完成鉆探任務(wù)。在使用過(guò)程中,沒(méi)有出現(xiàn)變速箱跑檔問(wèn)題,回轉(zhuǎn)器橫梁以及托架沒(méi)有軸承損壞現(xiàn)象,而且溫度正常;鉆桿夾持沒(méi)有出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,使用效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

在全液壓巖心鉆機(jī)全面推廣之時(shí),立軸式巖心鉆機(jī)在市場(chǎng)上仍占有重要地位。結(jié)合用戶的意見(jiàn)反饋和鉆機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行大膽的改進(jìn)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、贏得用戶信賴,提高市場(chǎng)占有率的重要手段。