XY-8钻机为适应3000米科钻的改进介绍

李 宽，苏厚斌

（山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队，山东 招远 265400）

1 XY-8型岩心钻机主要特点

XY-8型钻机是由张家口中地装备探矿工程机械有限公司研发并生产的一种大通径深孔钻机，主要用于金属及非金属固体矿床小口径钻进，也可用于水文、油气田的勘探及工程钻孔，分布广泛，操作简单[1，2]。相较全液压钻机XY-8钻机具有低耗高效、实用可靠、维修方便、价格低廉等特点，相比其他机械立轴式钻机XY-8钻机具有设计功率大（电动机90kW、柴油机130kW）、立轴通径大（通径φ118）、卡盘加持力大、卷扬机提升力大等特点。

2 在实际使用中暴露出的问题

随着XY-8钻机在钻探施工中的不断使用，尤其是深孔工程不断增多，钻孔深度不断加深，原始XY-8钻机的缺点也不断地暴露出来，有些甚至影响到正常生产。有些矿区反应在使用XY-8钻机钻进深孔时，钻机震动幅度变大，导致变速箱档位自锁装置失灵，引发跳档现象；变速箱设定的传动比不合理，档位钻机转速总体偏低，达不到金刚石钻进中所需要的高转速，而强行升挡提高钻速则会导致回转阻力显著升高，钻机运转电流过大；同样随着回转阻力不断增加，卡盘夹不住主动钻杆现象时有发生，急剧磨损主动钻杆和卡盘卡瓦；水刹车连接轴质量不可靠，随着水刹车轴传递扭矩不断增加，易出现扭断现象；除此以外，随着液压油温度随着钻机长时间工作而不断变高，粘度将会降低，出现液压系统失灵现象。2017年，由山东第六地质大队承揽施工的河南省洛宁县上宫金矿深部普查项目ZK322000钻孔中使用XY-8钻机，设计孔深2000米。当钻进至1700以深时，出现上下卡盘夹不住主动钻杆现象，主动钻杆及上卡盘卡瓦由于发生滑动摩擦而磨损剧烈，使用寿命变短，需勤换主动钻杆及上卡盘卡瓦，增加辅助时间且增加生产成本。

3 改进措施

3.1 变速箱的改进

由于XY-8型钻机原本使用东风汽车产17LYG1-00030型三轴式顶轴传动变速器，有四个正转档位和一个反转档位，集成度高，对变速箱本身改进难度大，为了解决出现的问题需要只有通过更换新型变速箱。但由于只能在原有XY-8钻机骨架上更换，受到安装定位尺寸及齿轮传动配合的种种限制，在新变速箱的选择上存在很大的局限性。通过各种变速箱对比，最终选择同系列的17LYG3-00030型变速箱。该变速箱为原17LYG1-00030型变速箱的升级型号，在总体尺寸变化不大的基础上提高传动比，使得钻机转速及卷扬转度相应提高，从而增加钻进效率。新变速箱随着材料、工艺方面的改变，其可靠性也有一定提高，跳档问题有所解决。使用新旧变速箱的钻机参数对比见表1和表2。

表2 第三层卷筒线速度（米/秒）

3.2 水刹车连接轴改进

原厂所使用的水刹车连接轴直径为φ60.2mm，新连接轴将直径为扩大为φ70.1mm。通过计算实心圆截面扭转系数公式

可知新轴的圆截面扭转系数是旧轴的1.59倍。又根据公式

相同材料下，最大许用切应力[τ]相同，所以新轴的抗扭强度是旧轴的1.59倍。为了安装新连接轴，需将钻机骨架扩孔，将原水刹车连接轴使用的6312轴承更换为6314轴承。

3.3 上卡盘改进

原厂钻机使用上卡盘结构为碟簧卡紧油缸松开结构。这种结构原理为：上卡盘油缸活塞下移，卡瓦座压缩弹簧来实现卡瓦径向移动从而松开钻杆；上卡盘油缸卸油，碟簧推动卡瓦座带动卡瓦移动从而卡紧钻杆。从原理上看，上卡盘卡紧主动钻杆时所能提供的径向压力完全是碟簧提供的弹力所转化的，当钻孔中钻具长度不断增加，回转阻力不断加大，但碟簧其自身随着使用时间长，出现疲劳破坏情况下，所能提供的弹力就不足以支持上卡盘卡瓦完全压住主动钻杆。压力一旦减弱，就会出现主动钻杆打滑现象，主动钻杆和上卡盘卡瓦之间产生滑动摩擦，急剧磨损上卡盘卡瓦和主动钻杆，降低接触面摩擦系数，如果不及时更换主动钻杆和上卡盘卡瓦，则需要更大的压力来满足所需，碟簧显然无法提供更大的压力，这是碟簧卡紧油缸松开结构自身的缺陷，通过更换碟簧、主动钻杆及上卡盘卡瓦来暂且缓解问题，不仅无法达到平稳生产需求还会增加施工成本，降低生产效率。

解决办法是将上卡盘更换为液压齿条齿滚卡盘。上卡盘托架通过油缸活塞作上下运动而同向运动，从而带动齿条整体上下运动，并使齿杆旋转。齿杆两段的左右丝扣通过螺帽连接到卡瓦座上，在带动卡瓦座移动的同时实现卡瓦的径向移动，最终达到卡紧钻杆或松开钻杆的目的。如此更改，卡瓦对主动钻杆的压力由液压油缸的推力转化而来，不存在碟簧的疲劳破坏现象。对于液压油缸所产生的推力也可通过随时加大油泵压力或增加油缸缸径来增加，杜绝主动钻杆打滑或夹持能力不足的现象出现。

3.4 液压油路的改进

油路系统中的压力油，应用20#机械油，代号HJ-20(GB443-64)旧牌号为3#锭子油，虽另可选用其他液压油，但需保证再油温50℃的运动粘度在17～23(m^2)/s。但随着孔深增加，高压工作时间不断延长，会使液压油温度不断上升，运动粘度急剧减少，齿轮油泵无法产生充足压力。此外，油温过高也会导致液压油本身氧化加速，降低液压油的使用寿命。且随着温度增加，液压元件可移动部位的油膜变薄，增加滑动摩擦阻力，导致元件磨损加剧。橡胶密封件也会因为温度影响，提前失效老化，丧失密封性能，使用寿命显著降低。而时常更换液压油、零件及密封圈就会增加生产成本，降低工作效率。

液压系统中产生的热量由系统各散热面通过热辐射形式散发到外界中，对于钻机来讲，管路散热小，热量主要通过油箱发散出去。当只考虑油箱散热时，钻机液压系统的散热功率为：

式中，Pc为液压系统散热功率；K为散热系数，其值按表4选择选择；A为油箱散热面积；Δθ为油箱温度与环境温度之差。当液压系统中的散热功率小于发热功率，液压油温度就会不断增加。随着Δθ不断增大，散热功率增大到与发热功率相等，液压油才会停止升温，并维持在高温状态。

以往的解决办法只有暂停工作，等自然冷却降温。但由于机台大多配备塔衣，钻机通风较差，只通过空气散热很难尽快将热量散发掉，需要长时间散热才能将油温下降到合理区间，严重耽误生产进度，白白增加辅助时间。且再度工作时，油温又会快速升高，所以此举无异于扬汤止沸，没有解决问题。根据公式可知，为了增加散热功率，可以增加油箱散热面积，我们也尝试在XY-6B钻机上加装散热副油箱。但受钻机本身体积限制，通过增加油箱散热面积来增加散热功率方面提升有限，该XY-6B钻机使用过程中，油温还是维持在相当高位。通过表3可知，通过设置循环水冷却来替换通风冷却，在相同情况下可使散热功率提升12～19倍，能生产满足需求。所以为油缸添加水循环冷却系统，通过两根油管将液压油导入到散热管中，并将散热管置于冷水中，通过不断更换冷水从而带走液压油中的热量，达到降温目的。

表3 散热系数值

4 改进效果

XY-8钻机完成改进后，赴山东招远水旺庄3000米科钻项目施工。该孔是招平断裂带第一深孔，为山东省2018年度公开招标项目，也是山东地矿局重点项目。该孔自2018年8月19日开钻，2019年4月11日终孔，最终孔深3000.58m，效率显著。

该孔设计孔深3000m，φ122绳索取芯钻深至980m，φ98绳索取芯钻深至2114m，Φ71绳索取芯钻深至3000.58m，施工期间，钻机共大修0次，修理油泵3次，更换水笼头轴承4次，圆满完成了钻探任务。相较以往，一定程度上减少维修次数，获得机台的好评。

5 结束语

本次改进后的XY-8型钻机在提供更高转速的同时，跳挡现象及上下卡盘夹不住主动钻杆的现象消失；提下钻过程中，水刹车运转良好；连续高强度操作液压系统也不会使油温升高。钻机在整个施工过程中运转良好，没有发生严重机械事故，极大减少辅助时间。通过此次成功改进，施工作业人员也体验到要跟随时代，时刻改进改善设备，保持设备先进性，谋求高质量发展。也为改装其他同类产品提供思路，起到借鉴、引导意义。