武成路

在我国冶金、建材、煤炭、化工、有色等行业的矿山及水电、铁路、交通、国防和港湾等岩土工程中，广泛使用露天潜孔钻机。特别是在矿山的三角体处理和施工工程中的边坡处理、自然灾害处理、水井等钻凿中，广泛钻凿25～50m甚至更深的岩孔。由于钻机结构的限制，须采用2～10根乃至更多的钻杆进行接杆钻进。为此，钻机制造商们，为使自己的产品畅销，他们本着“好使、好修、好造、成本低”的原则，不断开发研究新产品及其每一个零部件，如原由人工接卸钻杆发展到半机械化接卸钻杆，又由半机械化接卸钻杆发展到全机械化接卸钻杆等。在实现全机械化钻杆接卸中，广泛采用圆盘式储杆器，如果采用圆盘式连杆换位储杆器，不仅可减少辅助时间还可降低维护成本，使钻机发挥更大的经济效益。

圆盘式连杆换位储杆器，只采用一个液压缸作用公转轴旋转，在其送入及退出钻杆工位的同时，由于连杆机构的作用，使所储钻杆的工位顺时针或逆时针方向可依次更换，故称之为圆盘式连杆换位储杆器。

1 结构

圆盘式连杆换位储杆器的结构如图1所示。它由上轴承座1、下轴承座16和24、公转轴2、上转臂4、自转轴7、储杆室9、下转臂12、换位连杆17、公转液压缸22等零部件组成。

该储杆器的上轴承座1、下轴承座16和24，分别用螺栓固定在钻架上、下部的侧壁上。公转轴2为无缝钢管焊接件，其上端、下端及下部分别与其轴承座1、16、24铰接。公转液压缸22活塞杆铰接的耳座20，焊接在下轴承座16与24间的公转轴2上，其缸耳通过销轴23，与焊接在下轴承座24上的耳座铰接。上、下转臂4、12通过键安装在公转轴2的上、下部位。上转臂4为焊接件，其上面有公转轴键孔、自转轴轴承座及开有一个弧形进出杆工位A的圆挡盘5，圆挡盘5以防护所储存的钻杆轴向或径向移动。自转轴7为无缝钢管焊接件，两端分别通过轴承与上、下转臂4和12铰接，其上部焊有储杆盘6、中部焊有支承盘8、下部焊有储杆室9。储杆室9采用六个带孔盛杆座穿焊上、中两圆盘后，与下圆盘焊接，三个圆盘均与自转轴7焊为一体。在储杆室9上、中两圆盘间的各盛杆座外圆，不仅开有与盛杆座内圆相通的矩形孔，还焊有销轴26之耳座，卡块25与销轴26铰接后，在板簧作用下，卡块25的卡牙进入矩形孔，而其边沿部贴紧在盛杆座外圆；卡块25的卡牙在盛杆座的内孔中与所储钻杆下接头的卡槽卡住后，使所储钻杆既不能反转也不能轴向移动，只有此钻杆正转时，卡块25的卡牙与钻杆下接头的卡槽方可脱开，此时钻杆才能轴向移动。

图1 圆盘式连杆换位储杆器结构简图

下转臂12上焊有分度插座11，该座上端装有分度微型液压缸10。因该微型液压缸的活塞杆，在此起到分度定位的销轴作用，故称之为液控分度销，该分度销插装在分度插座11的中心孔中。当分度微型液压缸的无杆腔进油时，其分度液控销下伸穿过分度插座11的滑槽至其底端；当有杆腔进油时，分度液控销缩至滑槽上部。当公转液压缸22作用公转轴2使储杆器送、取钻杆时，储杆室9的下圆盘设有六个分度工位铰接孔，其在分度插座11的滑槽中，通过液控分度销铰接定位或滑转一个工位角度；分度换位板13通过轴承与自转轴7铰接，并安装在下转臂12与储杆室9的下端面间。在分度换位板13的上面焊有分度插座11，其上端也装有微型分度液压缸10，通过该缸的液控分度销，使储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔，在该分度插座11的滑槽中铰接定位或滑转一个工位角度。换位连杆17的一端，通过销轴18与用螺栓固定在钻架侧壁上的换位连杆座12铰接，另一端连接的螺杆耳15，通过销轴14与分度换位板13铰接。换位连杆17连接的螺杆耳15，用来调整其铰接长度，以确保储杆室所储钻杆的工位，在换位或定位时的准确度。

图2所示该储杆器，同时可储存6根钻杆，故储杆盘6、支撑盘8均设六工位弧形开口；储杆室9设六个盛杆座，其下圆盘设有六个循环分度工位铰接孔。

下转臂12和分度换位板13上，分别安装的分度微型液压缸10，其供油原理如图1所示。当PA供油OA回油时，下转臂12上的分度微型液压缸10，其液控分度销在分度插座11的中心孔中下伸，将储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔，在分度插座11的滑槽中铰接定位；与此同时，分度换位板13上的分度微型液压缸10，其液控分度销在其分度插座11的中心孔中上缩，将储杆室9的下圆盘另一分度工位铰接孔，在其分度插座11的滑槽中脱开定位铰接。反之，当PB供油OB回油时，下转臂12上的液控分度销，在分度插座11的中心孔中上缩，从而使储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔，在分度插座11的滑槽中脱开定位铰接；与此同时，分度换位板13上的液控分度销，在其分度插座11的中心孔中下伸，从而使储杆室9的下圆盘另一分度工位铰接孔，在该分度插座11的滑槽中铰接定位。

2 工作原理及工作过程

如图2（其标注的零部件名称和序号均同于图1）为该储杆器的换位工作原理示意图，图示位置为储杆器退出位置。下转臂12上的液控分度销，将储杆室9的下圆盘之分度工位铰接孔与分度插座11处于铰接定位状态，分度换位板13上的液控分度销处于脱开状态，即PA供油OA回油（图1所示）。该储杆器在此退出位置时，也可以PB供油OB回油，使液控分度销处于与上述相反状态。下转臂12和换位板13的液控分度销截面中心，分别绕公转轴2和自转轴7的旋转摆角线成60°夹角，即一个工位夹角。

图2 圆盘式连杆换位储杆器的换位原理示意图

当钻杆钻进孔中，需要接钻杆时，首先使接卸钻杆机构与回转供气机构协作配合，即接卸钻杆机构的下对夹紧块将孔中钻杆上接头夹紧后，回转供气机构反转与孔中钻杆的上接头旋卸下来。此时，在推进提升机构的作用下，将回转供气机构提升至高于储杆器圆挡盘5的上端位置。此后，公转液压缸22的无杆腔进油，使上、下转臂4、12绕公转轴2旋转所需角度β（图2所示），将储杆器进出钻杆工位A所储的钻杆送到位置O。在上、下转臂4、12绕公转轴2旋转所需角度β的同时，分度换位板13在换位连杆17的作用下，以顺时针方向绕自转轴7旋转60°角，即一个工位夹角（图2所示），从而其旋转摆角线与送入位置时的下转臂12的旋转摆角线成120°夹角（图2所示）；这时，回转供气机构边正转边在推进提升机构的作用下向下空推，使回转供气机构与储杆器A工位的钻杆上接头旋接。尔后，推进提升机构再将正转的回转供气机构及其相连之钻杆提升（因钻杆下接头的卡槽，被储杆室9的盛杆座安装的卡块25的卡牙卡住，只有该钻杆正转时，卡块25的卡牙与钻杆下接头的卡槽才会脱开，脱开后可轴向提升），致使钻杆下接头从储杆室9的盛杆座孔中脱开为止。此时，PB供油OB回油，使分度换位板13上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔处于铰接定位状态的同时，下转臂12上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔铰接定位脱开；然后，公转液压缸22的有杆腔进油，使上、下转臂4、12绕公转轴2旋转至退出位置。在上、下转臂4、12旋转至退出位置的同时，由于换位连杆17的作用，使储杆室9的六个盛杆座工位、支承盘8及储杆盘6绕自转轴7的轴线，以逆时针方向旋转60°角（一个工位夹角），即原进出钻杆的A工位盛杆座旋转到C工位、原B盛杆座工位旋转到进出钻杆A的工位上，以便续接。这时，回转供气机构边正转边在推进提升机构的作用下向下推进，将所接钻杆下接头与孔中钻杆上接头旋接后，接卸钻杆机构的下对夹紧块松开孔中钻杆上接头。最后，PA供油OA回油，使下转臂12上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔铰接定位，同时，分度换位板13上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔脱开铰接，以便续接钻杆时续换位，完成全部接杆工序。如此重复上述工序，便可依次旋接储杆器中各根钻杆。

上述是在接钻杆时，储杆器为退出位置，PA供油OA回油时的动作原理和工作过程。当储杆器为退出位置，PB供油OB回油时的动作原理与上述基本相同，所不同的工作过程为：当储杆器为退出位置，PB供油OB回油时，分度换位板13上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔处于铰接定位状态，下转臂12上的液控分度销与储杆室9的下圆盘分度工位铰接孔处于铰接脱开状态。由于公转液压缸22的作用，使储杆器旋转到送入位置的同时，因连杆17的作用，换位板13带动储杆室9的盛杆座工位、支撑盘8和储杆盘6等，以顺时针方向绕其自转轴7的轴线旋转60°角（一个工位夹角），使换位板13工位孔的旋转摆角线，与送入位置时下转臂12的工位孔之旋转摆角线成120°夹角（图2所示），并且换位到进出杆工位A之钻杆被送到送入位置，即C工位在转换到进出钻杆A工位的同时，也被送到送入位置O，以续接钻杆。

当一个岩孔钻完之后，需卸钻杆时，该储杆器的动作原理及工作过程与接钻杆时的基本相同，略述。

此储杆器在公转液压缸22的作用下，使上、下转臂4、12在旋转所需角度β的同时，由于连杆机构的作用，使所储钻杆的六个工位，顺时针或逆时针方向均可依次更换到进出杆A的工位上，且送到送入位置进行钻杆的接卸。因储杆室9的下圆盘的分度工位铰接孔，始终有一个液控分度销，将其定位铰接在下转臂12或分度换位板13上，故在接卸钻杆中，不会因储杆器的半侧未装或未卸钻杆，而重心偏移产生的重力矩使自转轴7自由转动。储杆器的上、下转臂均设有限位调整块3，通过该限位块之调整，以确保储杆器的进出杆工位A与送入位置的对中。

3 机构设计

3.1 机构运动的确定性

当接钻杆时，由图3不难看出，构件9、12、13、16、17、21、22、24构成了一个平面回转（回转角度60°、β）连杆机构，图3为其结构运动简图。

图3 平面回转连杆变幅机构运动简图

由图3可知，连杆变幅机构的总件数为8。储杆室9在每次送入或退出工位工作时，其工位可绕中心D旋转60°角，故可视为连杆构件；液控分度销10将连杆（储杆室）9与连杆（下转臂）12铰接后相互间没有相对运动，故可视为1个构件。根据圆盘式连杆换位储杆器在实际工作中的换位需要，当连杆9与连杆（分度换位板）13被液控销10铰接的同时，则连杆9与连杆12自动脱开，此时，连杆9与13可视为1个构件，而连杆9与连杆12则成为2个构件。构件22的公转液压缸筒与活塞杆有相对运动，故可视为2个构件。构件16、21和构件24均固定不动，故可视为1个构件。此时连杆变幅回转机构的活动件数n=5，其中，低幅（平面回转幅及移动幅）Pd=7，高幅Pg=0，其活动度W=3n-2Pd-Pg=3×5-2×7-0=1。

如上所述，该圆盘式连杆换位储杆器在每次送入或退出工位工作时，机构的原动件数等于机构的活动度数，故有完全确定的运动。

3.2 设计要求

由上述分析可知，该圆盘式连杆换位储杆器在每次送入或退出工位工作时，有完全确定的运动。该储杆器虽是低速间歇运动的组合部件，但其承受着冲击、振动、轴向和径向载荷。故对其设计要求是，在强度和刚度足够的前提下，结构紧凑、简单、重量轻，操纵简便，动作平稳、准确、可靠、寿命长，维修方便。

轮廓及结构尺寸。根据钻杆直径和钻杆长度来确定连杆换位储杆器的轮廓尺寸、上下转臂的长度、储杆室及储杆盘的工位数及其自转轴的直径、公转轴直径、两转臂间的距离等结构尺寸和工作参数。露天潜孔钻机，一般由槽钢或工字钢或方钢管等焊接成箱型桁架结构作为其钻架。因钻机规格型号不一，故其钻架具体结构也不尽相同，除满足设计要求外，还应考虑圆盘式连杆换位储杆器与钻架比例尺寸较为协调为宜。如果各构件的尺寸及角度值选取不当，则会出现比例失调，或因结构不当难以布置。各尺寸或角度可按实际结构予以调整。

最大载荷。因露天钻机规格型号不一，故钻孔角度的范围也不尽相同。一般大型露天潜孔钻机常钻凿与工作地面的夹角为60°～90°之炮孔或工程用孔，而中小型露天潜孔钻机钻凿对工作面的倾角范围甚为广泛。钻架对地面的夹角越小，转臂上的工作载荷力矩就越大；当然，转臂上的载荷力矩随钻架对地面的夹角和转臂转角β的变化而变化，当钻机钻凿水平孔时（一般只有中小型潜孔钻机钻凿水平孔），即钻架对地面的夹角为0°时和βmax时转臂载荷力矩为最大。转臂上的载荷有储杆盘、支撑盘、储杆室、自转轴、挡盘等零部件及所储钻杆。故在设计计算公转液压缸驱动公转轴时，须以最大载荷力矩来设计计算，并能满足送入或退出工位时间的要求，一般送入或退出工位的时间依钻机型号之大小，一般约为6s。当然，公转液压缸在实际工作中，通过调整液压系统对其输入的压力和流量，可使其对公转轴载荷驱动力及送入或退出钻杆时间进行适当调整。

圆盘式储杆器的钻杆储存数量常为6～10根，其钻杆长度常为3～8m，不同型号和不同规格的潜孔钻机，其采用钻杆长度也不尽相同。在接卸钻杆时因公转轴承受着较大的轴向和径向载荷，加之自身重力作用，在钻凿斜孔时，易产生挠度弯曲。为使公转轴重量轻且有足够的刚度，同时保证储杆器动作平稳、准确、可靠，一般在钻杆长度约6～8m时公转轴中部给予回转支撑，其结构和布局方式因钻架的具体结构不同而不同，根据钻架的具体结构和布局，可将该回转支撑座27布置在钻架侧面，如图4所示。

图4 中间支撑座27(序号)的布局示意图

4 圆盘式连杆换位储杆器的特点

（1）双向依次更换钻杆。只采用一个液压缸作用公转轴旋转，在其送入、退出钻杆工位的同时，由于连杆机构的作用，使所储钻杆的工位可实现双向即顺时针方向或逆时针方向依次更换，克服了圆盘式储杆器单一方向依次更换钻杆带来不便的弊病，不仅减少辅助时间，提高生产效率，而且安全、可靠。

（2）经济性好。该机构由于采用焊接件和标准件，不仅加工周期短，而且成本低。

（3）结构新颖。国外钻机常使用连杆换位储杆器，国内还未见过。

（4）应用范围广。该机构均有液压缸直接驱动，故操纵简便，动作平稳、准确、可靠、寿命长，维修方便。因此，该机构不仅用于露天潜孔钻机、露天潜孔切削两用钻机、井下潜孔钻机，也可用于锚固钻机的储杆器。