带自动报警装置的导轨式液压钻架设计研究

曾永耀

摘要：钻架承载着地质钻机各部件的重量，因此钻架的稳定性、合理性，决定了钻机的性能。钻进时钻机会对钻架施加一定的作用力，致使钻架表现出复杂的动力学状态。目前市场上的钻架如锚柱式、立柱式、圆盘式等，针对现有钻架的不足，结合工程实际，根据钻架工作时的力学机制，我们提出的带自动报警装置的导轨式液压钻架设计思路，由液压驱动导轨式钻架，可以根据实际需要调节钻架的长度和角度，以适应不同场地的开钻要求。同时还安装自动报警装置以避免钻架安全事故。除此之外，该设备还装配了滚轮以方便钻机的整体快速移动。

Abstract： The drill frame bears the weight of the mine drill. So the rationality and stability of the drill frame can decide the function of the mine drill. In the process of working， the mine drill will give a force to the drill frame， which will lead the drill frame in the complicate mechanical state. At present， there are a lot of drill frame including lock pillar， upright pillar， disk pillar. we release a new drill frame with automatic alarm driving by hydraumatic in consideration of the shortcomings of the mine drill based on the mechanism of the drill frame.  The new drill frame driving by hydraumatic can adjust the length and angle in order to adapt the different working enviroment. Besided， automatic alarm is installed in order to avoid accident. And idler wheel is also installed in order to fastly move.

关键词：自动报警;导轨;液压;地质钻机;钻架

Key words： automatic alarm;guide rail;hydraumatic;mine drill;drill frame

中图分类号： P532                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0047-02

0  引言

钻探是岩土工程勘查、区域地质调查和矿产资源勘查等工程地质与资源勘查工作最直接、最有效的技术手段，地质钻机是实现钻探工作最重要的物质载体。地质钻机的机型主要有TXJ - 1600型，广泛用于垂直或者倾斜度小于45°的矿产资源、油气资源、地下水以及市政岩土工程勘查的钻孔工作，其最大钻进深度一般为1200（Φ 60钻杆）- 1600 m（Φ 50钻杆）[1]。

钻架是地质钻机的关键部件，承载着钻机各部件的重量，因此钻架的稳定性、提升能力以及结构的合理性，直接决定了地质钻机的性能和适用范围[2]。钻架看似结构简单，其实在钻进过程中，钻机会对钻架施加一定的作用力，因此钻进时钻架会表现出复杂的动力学状态[3]。然而目前市场上现有的钻架如锚柱式、立柱式、圆盘式等，主要存在以下不足：①结构简易致使钻架的安全性无法保证;②钻架不具有可伸缩性不利于钻机整体移动;③钻架与钻机之间多为滑板连接，频繁搬动使得钻架磨损严重、缝隙变大，导致钻机定位不准[4]。

鉴于现有钻架的诸多不足，结合工程实际，根据钻架工作时的力学机制，我们通过改进生产技术和工艺，研发了带自动报警装置的导轨式液压钻架，该设备由液压驱动导轨式钻架，可以根据实际需要调节钻架的长度和角度，以适应不同场地的开钻要求。同时该设备还安装自动报警装置以避免钻架安全事故。除此之外，该设备还装配了滚轮以方便钻机的整体快速移动。正因为本设计的创造性与先进性，获得了国家实用新型专利授权（专利号：ZL 20172 0966440.1）。

1  设备的组成和结构

1.1 设备的组成

我们设计的带自动报警装置的导轨式液压钻架，主要由底座1、导轨2和伸缩杆Ⅰ（7）、伸缩杆Ⅱ（11）、伸缩杆Ⅲ（12）组成（图1和2）。底座、导轨和伸缩杆的具体组成为，底座1主要包括：滚轮18、气缸16、固定板17、报警器15、转动筒13、加固座9;导轨2主要包括：保护座10、连接座Ⅰ（3）、连接座Ⅱ（4）、钢丝绳14;伸缩杆主要包括：伸缩杆Ⅰ（7）、伸缩杆Ⅱ（11）、伸缩杆Ⅲ（12）（图1）。

1.2 设备的结构

底座1的下端四角共设置两对滚轮18和两对由气缸16和固定板17组成的固定机构（图1）;底座1的上端左部设置固定座Ⅰ（5）、固定座Ⅱ（6）和支撑杆8（图2），固定座Ⅰ（5）和固定座Ⅱ（6）上分别铰接伸缩杆Ⅱ（11）和伸缩杆Ⅲ（12）（图2）;为了避免移动时导轨倒塌，在底座1的上端中部设置加固座9，并在加固座9内配备一个电机驱动的转动筒13，转动筒上缠绕钢丝绳14，钢丝绳的另一端连接在导轨2上（图1和2）;为了防止导轨向右侧过分倾斜而倒塌，在底座1的上端右部设置保护座10，保护座10的上部与导轨2铰接、下部和底座1相连，并且保护座10与导轨2的接触面上装置压力感应片，压力感应片通过导线与报警器15连接（图1），最后在底座1的上端右部还设置伸缩杆Ⅰ（7），其顶端铰接在連接座Ⅱ（4）上（图1和2）。

导轨2的左侧上下两端分别间隔设置连接座Ⅰ（3）和连接座Ⅱ（4）（图1）;导轨2的下端左部设置支撑杆8，支撑杆8的底端铰接在底座1上，顶端通过支撑托19和导轨2相连（图2）;伸缩杆Ⅰ（7）顶端铰接在连接座Ⅱ（4）上，底端固定在底座1上（图1）;伸缩杆Ⅱ（11）顶端铰接在连接座Ⅰ（3）上，底端铰接在固定座Ⅰ（5）上（图1）;伸缩杆Ⅲ（12）底端固定在固定座Ⅱ（6）上（图1），当导轨水平放置时，伸缩杆Ⅲ（12）的顶端和连接座Ⅰ（3）铰接（图2）。

2  设备技术原理及性能指标

设备的工作原理为：施工时通过调节液压支撑来改变伸缩杆Ⅰ（7）和伸缩杆Ⅱ（11）的长度和角度，改变导轨2的倾斜角度，進而满足钻机不同开孔角度的开钻要求。

具体工作过程为：①钻机工作时，为保证安全先启动钻架底座1上的气缸16使固定板17伸出，支撑在地面上，保证钻机稳定（图1和2）;②施工时通过改变伸缩杆Ⅱ（11）的长度，使其在导轨2的连接座Ⅰ（3）和连接座Ⅱ（4）之间移动，从而改变导轨2的角度，以适应不同地形坡度、不同工作环境的开钻要求（图1）;③当导轨2垂直时，若继续伸长伸缩杆Ⅱ（11），会使导轨2下部挤压保护座10，压力感应片接收挤压信号后传递给报警器15，发出警报提醒操作人员注意，避免安全隐患（图1）;④在底座1的下端四个角设置两对滚轮18，以方便钻机整体快速移动（图1和2）;⑤当钻架移动时，垂直放置的导轨2也会移动，安全隐患增加，为避免安全隐患，通过缩短伸缩杆Ⅱ（11），使导轨2逐渐趋于水平（图1），当导轨2接近水平时，调整支撑杆8，使支撑托19作用在导轨2上，然后拆卸伸缩杆Ⅱ（11）使其与连接座Ⅰ（3）分离，并将伸缩杆Ⅲ（12）与连接座Ⅰ（3）铰接，再调节伸缩杆Ⅰ（7）和伸缩杆Ⅲ（12）的长度，使导轨2保持水平（图2）。

3  技术的创造性与先进性

我们设计的带自动报警装置的导轨式液压钻架，克服了目前市场上，钻架结构简易安全性无法保证、钻架不具有可伸缩性不利于钻机整体移动、以及钻架与钻机之间多用滑板连接，频繁搬动使得钻架磨损严重、缝隙变大，导致钻机定位不准的缺点，填补了目前带自动报警装置的导轨式液压地质钻机钻架的技术空白。该设备具有自动报警装置可以避免钻架安全事故、该设备由导轨式液压驱动可以根据实际需要调节钻架的长度，并且该设备在使用过程中具有适用范围广、安全高效有利于推广的优点。

主要创造性与先进性在于：①在底座下端四个角设置两对滚轮，以方便钻机整体快速移动（图1和2）;②为保证安全，钻机工作时同时启动钻架底座的气缸，伸出固定板支撑在地面上，保证钻机稳定（图1和2）;③通过液压支撑来改变伸缩杆Ⅰ和伸缩杆Ⅱ的长度，从而简便的改变导轨的倾斜角度，以适应不同地形坡度的开钻要求（图1）;④当导轨垂直时，若继续伸长伸缩杆Ⅱ，会使导轨下部挤压保护座，压力感应片接收挤压信号后传递给报警器，发出警报以提醒操作人员注意，避免安全隐患（图1）。

4  技术的成熟程度、适用范围和安全性

4.1 技术的成熟程度

我们提出的带自动报警装置的导轨式液压钻架结构示意图，从设计思路来看，本设备的技术成熟度较高、具备一定的推广价值。

4.2 适用范围

本钻架可广泛应用于岩土工程勘查、地质调查、矿产资源勘查和寻找地下水资源等地勘行业的地质钻机。

4.3 安全性

本设备有三重安全防护装置，具体为：①钻机工作时先启动钻架底座1上的气缸16，伸出固定板17支撑在地面上，保证钻机安全稳定（图1和2）;②为了避免钻机移动时导轨2倒塌，在底座1上端中部设置加固座9，在加固座9内配备电机驱动的转动筒13，转动筒上缠绕钢丝绳14，钢丝绳14的另一端连接在导轨2上（图1）;③为了防止导轨2向右侧过度倾斜而倒塌，在底座1上端右部设置保护座10，保护座10的上部与导轨2铰接、下部和底座1相连，并且保护座10与导轨2的接触面上装置压力感应片，压力感应片通过导线与报警器15连接（图1）。理论上，本设备不存在由于设计缺陷可能造成的安全事故。

参考文献：

[1]赵宏强，陈庆，傅斯龙，周茂贤.液压钻机钻架可靠性设计研究[J].矿山机械，2016，44（2）：10-14.

[2]徐锁庚.软岩巷道底板液压钻机设计理论及关键技术研究 [D].中国矿业大学博士学位论文，2014.

[3]郭勇，周振华.潜孔钻机的应用现状与发展趋势[J].矿业快报，2008，24（4）：13-15.

[4]易辉成，刘海燕，王杏芳.潜孔钻机钻架结构的有限元分析[J].工程机械，2013，44（3）：15-18.