XY-6N型钻机的改进及使用情况介绍

宋海燕,李旭文,何宗常,冯兆辉

(1.张家口中地装备探矿工程机械有限公司,河北张家口075026;2.山东省第六地质矿产勘查院,山东招远264209)

XY-6N型钻机的前身是XY-6B型钻机。XY-6B型钻机在中深孔地质勘探中,使用非常广泛,发挥了重要作用,曾创下了使用S71钻具钻深2410.12m的国内岩心钻探钻深记录。但随着勘探深度的逐步加深,XY-6B型钻机在使用中也出现了一些问题,如在超负荷使用情况下,出现变速箱有二、六跑档现象,出现上横梁、托架轴承发热、使用寿命低的现象及在使用S75钻具钻深超过1200m时主动钻杆有打滑现象。为了彻底解决这些问题,我们对XY-6B型钻机进行了认真的分析计算,对变速箱、上横梁、上卡盘进行改进,改型为 XY-6N型钻机。2011年在山东省第六地质矿产勘察院进行生产试验,使用 S95钻具钻深1370m,钻具重量 14t,使用S71钻具钻深1640m。钻机未出现 XY-6B型钻机出现过的现象,完全满足了用户的要求,用户给予了很高的评价。

1 变速箱的改进

XY-6B型的变速箱是一个典型的平面三轴变速箱。该变速箱有四个正档,一个反档。

二、六档脱档就是挂和齿轮序5与齿轮序6啮合时在遇到较大负荷时容易脱开,俗称“跑档”。通过分析研究,我们认为造成跑档的主要原因是轴的刚度不足所致,而上述两个齿轮啮合时,是轴上刚度最差的位置。当上述两个齿轮啮合时,传递速度和扭矩。而齿轮传动会对轴产生径向力,使轴产生弹性变形,从而产生使齿轮滑移的轴向力,当负荷较大时,齿轮传动使轴产生弹性变形而形成的轴向力超过了档位销定机构的控制力,再加上钻机正常运转时的振动,很容易造成齿轮序5与齿轮序6的脱开,造成跑档。

具体改进方案(见图1),参考对XY-5型变速箱成功改进的经验,加大了输入轴、输出轴和副轴直径,花键轴由原来的8-60×52×10花键改为8-68×62×12花键,轴的抗弯截面模量由原来的14.7cm3增大为24.3cm3,抗弯截面模量增加了65%,在结构尺寸相同的情况下,抗弯截面模量是决定轴刚度的唯一要素,这就表示轴的刚度增加了65%。通过简单计算,齿轮啮合时产生的弹性变形量减少了40%。减少了齿轮啮合时由于轴弹性变形产生的轴向力,解决了变速箱二、六档跑档问题。同时将轴承序3,由原两套106单列向心球轴承改为4074106滚针轴承。经计算,改进后的轴承的使用寿命是原有轴承使用寿命的12倍,延长了变速箱的大修时间。

图1 变速箱

2 上横梁的改进

上横梁在回转器的上部,与两个给进油缸联接,中间装有立轴,立轴上部与上卡盘联接,在给进油缸作用下立轴、上卡盘带动钻杆旋转并上下移动。XY-6B型钻机的横梁结构(图2)是一组推力轴承序4、一组向心球轴承序6和一组角接触球轴承序3安装在立轴序1上和横梁壳体序5内。钻具的重量以及起拔力全部作用在横梁的推力轴承序4上。加压力靠角接触球轴承序3承受。推力轴承的型号为8228,额定动载荷为205kN,极限转速为800 r/min(脂润滑),只能承受轴向力;向心球轴承不承受轴向力。钻机立轴最大起拔力为200kN,接近推力轴承所承受的额定轴向载荷;钻机高速运转时速度为1000 r/min,超过推力轴承脂润滑时的极限转速。在孔深较浅时,由于孔内钻具重量较轻,轴承所受负荷较小,轴承的寿命基本能满足要求。但随着孔深的逐渐加深,钻具重量越来越大,轴承所受的负荷也越来越大,导致钻进过程中出现横梁容易发热,轴承易坏等问题。

图2 XY-6B钻机横梁

根据实际使用情况分析,横梁发热是由于轴承承载力偏小,极限转速偏低造成,其结果就是造成轴承损坏。通过研究对比,选用了圆锥滚子轴承,圆锥滚子轴承既可以承受轴向力,又可以承受径向力,而且极限转速较高(图3)。两组圆锥滚子轴承序3和序5安装在立轴序1上,圆锥滚子轴承序3额定动载荷为255kN,圆锥滚子轴承序5额定动载荷为340kN,极限转速为1900r/min,该轴承承受钻具重量。通过计算轴承所能承受的轴向力增大了3倍多,轴承设计寿命是原来的15倍,完全满足使用要求。选用圆锥滚子轴承支点距离增大,稳定性增强,保证了立轴转动平稳,又因为轴承的额定极限转速超过了钻机的立轴最高转速,从而使轴承的发热问题得到了解决。以上种种结构和性能上的优点,保证了轴承的使用寿命,也解决了上横梁发热问题。

图3 XY-6N钻机横梁

3 上卡盘的改进设计

上卡盘为液压油缸驱动齿条齿杆式卡盘,多年以来,XU 1000钻机、XY-5型钻机除部分零件改进外,一直采用与XU 600-3型钻机相同的卡盘油缸。在钻探过程中,发现钻深超过1200m,卡盘夹持能力不足,出现卡瓦与主动钻杆打滑现象,明显该卡盘油缸不适合XY-6B型钻机钻进深孔的需要。

改进措施如下,加大卡盘油缸缸径,使夹持能力增大到原夹持能力的1.5倍。在生产试验中,该卡盘完全满足了用户的需求,未出现主动钻杆打滑及夹持能力不足现象。

4 实际使用效果

XY-6N型钻机完成厂内试验后,赴山东招远进行实际勘探钻孔。设计孔深1640m,φ95绳索取心钻深至1370m,φ71绳索取心钻深1640m,圆满完成钻探任务。在使用过程中,没有出现变速箱跑档问题,回转器横梁以及托架没有轴承损坏现象,而且温度正常;钻杆夹持没有出现打滑现象,使用效果良好。

5 结束语

在全液压岩心钻机全面推广之时,立轴式岩心钻机在市场上仍占有重要地位。结合用户的意见反馈和钻机设计的实际经验,对钻机进行大胆的改进是提高产品质量、赢得用户信赖,提高市场占有率的重要手段。