刘广治，郭强

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

近些年来，我国经济快速发展带来的环境恶化问题突出。土壤和地下水环境的恶化对我国人民身体健康有着直接影响，我国对土壤以及地下水的污染治理也越来越重视。治理污染土壤以及被污染的地下水，首先要勘查污染区域，界定污染范围，探明污染物所在地层的地质条件，了解污染物在土壤中存在状态。根据调查结果制定治理方案，利用物理化学和生物的方法进行污染土壤的修复。在土壤修复过程中以及修复工程结束后对土壤中的污染物进行跟踪监测，了解污染治理工程的进度，检验治理的效果。因此，整个土壤污染治理的工艺流程都需要对污染土壤进行取样调查。

北京探矿工程研究所研发了一套应用于土壤取样的TGQ-30C浅层轻便取样钻机(图1)。TGQ-30C土壤取样钻机模块化设计，拆装方便、操作简单，可满足30 m以内的土壤取样要求。然而在施工过程中发现，在一些缩孔严重，深度超过10 m，大口径的孔中需要非常大的起拔力才能够将钻具提出。如果使用绞车起拔，拉力10 kN的液压绞车质量达到50 kg左右，拉力30 kN以上的液压绞车质量超过120 kg，并且使用拉力大的绞车会使得支撑结构复杂，钻机本身的重量也会加大，这会极大地影响钻机的轻便性，移动过程中增加操作者的劳动强度。因此需要研制一款独立的起拔装置代替液压绞车起拔钻杆。

图1 TGQ-30C土壤取样钻机

1 钢球夹紧液压起拔器主要构成和原理

1.1 钢球夹紧液压起拔器主要构成

钢球夹紧液压起拔器主要包括：上钢球夹紧装置，起拔油缸和下钢球夹紧装置等组成，如图2所示。

图2 钢球夹紧液压起拔器外形及组成

上钢球夹紧装置固定在起拔油缸的活塞杆上端，起拔油缸底部法兰和下钢球夹紧装置均固定在底座上。

1.2 工作原理

钢球夹紧液压起拔器工作原理：钢球夹紧液压起拔器工作时，起拔油缸无杆腔供油，活塞杆带动上钢球夹紧装置向上运动，钢球则相对于上钢球夹紧装置沿着斜孔向下滚动，由于斜孔的作用，钢球越向下滚动则由钢球围成的圆直径越小，因此钢球能够夹住钻杆，并且带动钻杆一起向上。此时固定在底座上的下钢球夹紧装置由于钻杆向上运动，钢球相对于钻杆沿着斜孔滚道也向上滚动，由钢球围成的圆越来越大，因此钻杆可自由的向上被拔出。当起拔油缸活塞杆伸出到极限位置时，切换液压阀的位置使得起拔油缸有杆腔供油，活塞杆带动上钢球夹紧装置向下运动，此时上钢球夹紧装置中的钢球沿着滚道相对于钻杆向上运动，由钢球围成圆逐渐变大，钻杆从被夹紧状态转化为松开状态。钻杆由被上钢球夹紧装置钢球夹紧状态转化为松开状态后，钻杆有下落的趋势，此时下钢球夹紧装置中的钢球相对于下落的钻杆沿着滚道向下运动，从而夹紧下落的钻杆，避免掉钻。当起拔油缸的活塞杆带动上钢球夹紧装置回到下极限位置时，通过液压阀切换到起拔油缸无杆腔供油，然后重复上面动作，从而完成钻杆的起拔。

2 钢球夹紧液压起拔器设计

2.1 上钢球夹紧装置结构设计

上钢球夹紧装置的结构形式如图3所示。

图3 上钢球夹紧装置结构形式

上钢球夹紧装置主要由盖板、钢球安装座以及起拔油缸连接座等组成。钢球安装座中加工有分布均匀6条斜孔滚道，安装6个相同的钢球，钢球安装座通过六条内六角螺钉固定在起拔油缸连接座上，跟随起拔油缸连接座一起运动。盖板用于堵住钢球安装座上的滚道，防止钢球从上面掉出。钢球夹紧钻杆的夹紧力与钢球安装座中的钢球滚道与中心线的夹角有很大的关系，一般情况下夹角不大于8°。钢球安装座中心孔的直径根据适配的钻杆外径设计，一般预留2 mm的间隙量，该间隙可以用于钻杆的导向和刮掉钻杆拔出时粘连在钻杆壁上的湿泥。钢球夹紧装置可适应一定直径范围的钻杆，能够拔起的最小钻杆为钢球滚道最低端的直径。

2.2 下钢球夹紧装置结构设计

下钢球夹紧装置的结构形式如图4所示。

图4 下钢球夹紧装置结构形式

下钢球夹紧装置的结构形式与上钢球夹紧装置的结构形式大致相同，不同之处为下钢球夹紧装置采用尼龙材料，并且采用的是分体结构。设计成分体结构的目的是便于在正常钻进时取出钢球安装座，保证正常钻进。提钻时将钢球安装座放置到固定座中，防止钻杆下落。

2.3 其他结构的设计

起拔油缸底部为法兰固定，为保证钢球夹紧液压起拔器的轻便性，起拔油缸的行程设计为所起拔钻杆长度的25%。起拔器的起拔力主要取决于液压系统的压力和起拔油缸的有效作用面积，以TGQ土壤取样钻机为例，TGQ土壤取样钻机所配液压系统的额定工作压力为10 MPa，额定起拔力为40 kN的起拔器的起拔油缸活塞直径为50 mm，活塞杆直径为36 mm；额定起拔力为60 kN的起拔器的起拔油缸活塞直径为63 mm，活塞杆直径为45 mm。

3 钢球夹紧液压起拔器试验

试验场地选定为临近河边的场地，地层为回填土，地下超过5 m为湿泥，黏性比较大。选用的钻具外径为60 mm，钻杆外径51 mm，实验深度为5 m时，通过液压绞车起拔钻杆顺利提出。实验深度超过8 m时，利用液压绞车难以起拔，绞车的支撑架发生变形。液压绞车额定拉力为10 kN，加装一个动滑轮，使得实际拉力达到20 kN，质量60 kg。实验深度达到15 m时，使用钢球夹紧起拔器起拔钻杆，顺利提出，起拔出来的钻杆裹满黏性湿泥。由于只带了17根钻杆，最终实验深度为17 m。利用钢球夹紧液压起拔器起拔钻杆时，一次可起拔多根钻杆，且省掉桅杆结构，进一步减轻钻机整体重量。

4 结语

钢球夹紧液压起拔器与传统的液压绞车相比，其优势在实际应用中非常明显，主要体现在：

(1)有效地降低了钻机的整体重量，优化了钻机整体结构，降低了操作者劳动强度。同样是输出40 kN 的起拔力，使用液压绞车起拔时，仅液压绞车的质量就达到100 kg左右，如果再算上绞车的支撑架部分，质量可达130 kg，超过钻机整体重量的50%，给操作者移动钻机带来极大的劳动强度。而使用起拔力相当的钢球夹紧液压起拔器，整体质量仅为30 kg，而且还可以省掉桅杆结构，进一步减轻钻机整体重量。

(2)当遇到钻杆被卡住时，使用液压绞车起拔钻杆会有断绳的危险，由于钢丝绳是一个弹性体，一旦出现断绳，会对旁边的操作者带来极大的危险。使用钢球夹紧液压起拔器时，钢球只是钻进钻杆，起拔力由液压油缸提供，不存在危及操作者的危险。