李旭文，李欣，呂祥利，宋海燕，賈秋躍

(1.張家口中地裝備探礦工程機械有限公司，河北 張家口 075026；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

巖心鉆機卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向的改進(jìn)

李旭文1，李欣2，呂祥利1，宋海燕1，賈秋躍1

(1.張家口中地裝備探礦工程機械有限公司，河北 張家口 075026；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

作者結(jié)合XY-8型鉆機的改進(jìn)，對巖心鉆機卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向進(jìn)行了研究分析。研究分析認(rèn)為，在深孔巖心鉆機中，硬質(zhì)合金塊橫向排列具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不易脫落，可以在深孔巖心鉆機研制時采用。

巖心鉆機；卡盤；卡瓦；硬質(zhì)合金

0 引言

卡盤是巖心鉆機的重要部件，其作用是卡緊主動鉆桿或直接卡緊機下鉆桿，通過孔內(nèi)鉆桿將動力傳遞到孔底鉆頭使其回轉(zhuǎn)切削巖石，同時通過加減壓裝置增加或減少孔底鉆頭對巖石的鉆壓以使鉆進(jìn)以正確的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行?？ūP的夾緊元件分為卡瓦式和柱銷式，分別應(yīng)用于無缺口主動鉆桿和有缺口主動鉆桿。

本文只討論卡瓦式的卡盤(以下稱卡盤皆為卡瓦式卡盤),而卡盤卡緊主動鉆桿或直接卡緊機下鉆桿的元件就是卡瓦，卡瓦上一般鑲嵌硬質(zhì)合金塊做為卡緊主動鉆桿或直接卡緊機下鉆桿的元件。以下對硬質(zhì)合金塊在卡瓦上的排列方向做一探討。

1 巖心鉆機卡盤工作情況

巖心鉆機在鉆進(jìn)巖石的過程中要求鉆頭有合適的鉆壓和轉(zhuǎn)速以刻劃、磨削巖石完成鉆進(jìn)。這些功能都靠卡瓦夾持主動鉆桿或機下鉆桿通過孔內(nèi)鉆桿、鉆頭來完成。為達(dá)到合適的鉆進(jìn)速度和控制鉆孔質(zhì)量，就需要用卡瓦夾持主動鉆桿或機下鉆桿進(jìn)行加減壓作業(yè)和提供合適的鉆頭轉(zhuǎn)速及扭矩。淺孔時一般需加壓給進(jìn)，深孔時要進(jìn)行減壓鉆進(jìn)。

以S75鉆具為例，一般情況下需要鉆壓為7～15 kN，而S75鉆具單位重量81.4 N/m，100 m鉆具重量達(dá)到8.14 kN，很淺的孔深就達(dá)到了某種地層所需要的鉆壓。因此在深孔鉆進(jìn)過程中，大部分時間處于減壓狀態(tài)。以S75鉆具鉆進(jìn)3000 m孔深為例，3000 m鉆具重量為244.2 kN，除去鉆進(jìn)所需要的鉆壓及鉆井液對鉆具產(chǎn)生的浮力等因素，大部分重量要靠卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊卡緊主動鉆桿或直接卡緊機下鉆桿并通過減壓裝置來調(diào)節(jié)鉆壓。據(jù)有關(guān)資料記載，鉆機的扭矩不是隨著孔深的增加以直線形式增加，而是增加的較為平緩，克服隨著孔深的加深而增加的鉆具重量是深孔巖心鉆機研制中要解決的主要問題之一。

2 現(xiàn)有卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向及特點

現(xiàn)有卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊一般為縱向排列，即與鉆機給進(jìn)方向一致。如圖1為六方主動鉆桿卡瓦，用于卡緊六方主動鉆桿；圖2為圓主動鉆桿卡瓦，用于卡緊圓或兩方主動鉆桿或機下鉆桿。

圖1 六方主動鉆桿卡瓦

圖2 圓主動鉆桿卡瓦

硬質(zhì)合金塊縱向排列，與卡瓦體之間用銅焊焊住。所用硬質(zhì)合金塊規(guī)格一般為25 mm×10 mm×5 mm，與主動鉆桿接觸面制有尖牙。用于卡緊六方主動鉆桿的硬質(zhì)合金塊接觸面為平面，用于卡圓或兩方主動鉆桿或機下鉆桿的硬質(zhì)合金塊接觸面為圓弧面。硬質(zhì)合金的硬度很高，常溫下一般可達(dá)HRA 80以上，最高可達(dá)HRA 93，是巖心鉆機卡盤卡瓦理想的夾緊元件。硬質(zhì)合金加工方式為硬質(zhì)合金粉末與粘結(jié)劑壓制成型后燒結(jié)而成，一般不再進(jìn)行機械加工，因此硬質(zhì)合金塊尺寸精度不高。硬質(zhì)合金塊與卡瓦體之間留有一定的間隙，用銅焊焊接。

圖1和圖2為我公司為XY-8型鉆機上卡盤改進(jìn)前設(shè)計的卡瓦，每個上卡盤有兩塊或三塊卡瓦，每個卡瓦有3個硬質(zhì)合金條，每個硬質(zhì)合金條由4塊硬質(zhì)合金用銅焊焊接在卡瓦體的凹槽內(nèi)。

3 改進(jìn)后的卡盤卡瓦硬質(zhì)合金排列方向及特點

改進(jìn)前每個硬質(zhì)合金條由4塊硬質(zhì)合金塊組成，總長100 mm。由于硬質(zhì)合金塊在燒結(jié)后不再進(jìn)行機械加工，尺寸精度不高，為了硬質(zhì)合金塊能在卡瓦體的凹槽內(nèi)鑲嵌，卡瓦體的凹槽與硬質(zhì)合金塊之間留有較大的間隙，間隙用銅焊填充。由于深孔時，鉆具的重量大加上鉆進(jìn)時鉆具的振動，很可能超出了銅焊的強度極限，導(dǎo)致硬質(zhì)合金塊滑移、脫落。

為了解決這一問題，我公司對XY-8型鉆機上卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3和圖4所示，分別應(yīng)用于六方主動鉆桿和圓或兩方主動鉆桿或機下鉆桿。

圖4 改進(jìn)后圓主動鉆桿卡瓦

這樣做的好處是，當(dāng)由于鉆具的重量大或鉆進(jìn)時鉆具的振動導(dǎo)致硬質(zhì)合金塊與在卡瓦體的凹槽之間的銅焊發(fā)生滑移、翻轉(zhuǎn)時，如圖5所示，硬質(zhì)合金塊的A點和B點與卡瓦體的凹槽發(fā)生接觸。由于硬質(zhì)合金塊與卡瓦體的凹槽間隙不是很大，不像硬質(zhì)合金塊縱向排列時會產(chǎn)生累積間隙，它們之間發(fā)生翻轉(zhuǎn)的角度很小。據(jù)推測沒有超出銅焊的屈服強度的變形量，硬質(zhì)合金塊沒有與銅焊分離，這樣就保證了在深孔巖心鉆進(jìn)中硬質(zhì)合金塊不易脫落。

圖5 橫置硬質(zhì)合金塊受力變形示意圖

我公司已在XY-8型鉆機的改進(jìn)中使用了圖3所示的卡瓦，用于六方主動鉆桿。在此項改進(jìn)完成后，XY-8型鉆機未發(fā)生上卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊脫落現(xiàn)象。用于卡圓或兩方主動鉆桿與機下鉆桿硬質(zhì)合金塊卡瓦如圖4所示，由于現(xiàn)階段沒有該規(guī)格的硬質(zhì)合金塊而暫時沒有實施改進(jìn)。

4 結(jié)論

卡盤是巖心鉆機的重要部件，硬質(zhì)合金塊是卡緊主動鉆桿的重要元件，縱向排列是傳統(tǒng)方式，隨著孔深的增加不能滿足全部鉆孔的需要。經(jīng)過研究分析，考慮到使用習(xí)慣和硬質(zhì)合金塊原料的供應(yīng)情況，我們認(rèn)為，在使用S75鉆具鉆深2000 m以淺時，硬質(zhì)合金塊排列方向仍采用縱向排列；在鉆深超2000 m以后，硬質(zhì)合金塊排列方向采用橫向排列。以上是我們對卡盤卡瓦硬質(zhì)合金塊排列方向的一點思考，有不妥或不正確的地方請各位專家、實際使用者批評指正。

[1] 武漢地質(zhì)學(xué)院. 巖心鉆探設(shè)備及設(shè)計原理[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1980.

[2] 王達(dá), 何遠(yuǎn)信. 地質(zhì)鉆探手冊[M]. 長沙:中南大學(xué)出版社, 2014.

2017-08-19

李旭文(1963-)，男，河北香河人，張家口中地裝備探礦工程機械有限公司首席設(shè)計師，教授級高工，探礦工程專業(yè)，主要從事鉆機研發(fā)工作。

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