一种滚轮起拔器的研制

2021-06-23刘广治

地质装备 2021年3期

郭强，刘广治，卢猛

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

取样装备的轻便性、易拆解性、易组装性和易操作性是实现浅钻勘查技术的重要考核指标。作为取样装备的重要部件，起拔器的性能是关系到取样能否成功的关键因素。在实际土壤取样过程中，尤其是在5～10 m 深孔的起拔过程中，由于缩孔比较严重，所需起拔力较大，往往需要大于10 kN，传统的桅杆和人力绞车达不到上述要求，而采用液压绞车又会增加钻机的重量，使得钻机的机动能力大大下降。目前，国内对于浅钻设备尤其是辅助性机具研究涉及较少，因此研制一种新的辅助性起拔器具有重大的现实意义。

新研制的起拔器采用三点定位，液压提供动力，滚珠夹紧的结构，将液压力经导向槽传至滚轮，从而改变力的传导方向，达到夹持和放松的目的。

1 结构和原理

1.1 结构

该起拔器由夹持装置、起拔液压缸和底托三部分组成，如图1所示。其中，夹持装置(图2)和底托分别由螺栓固定在起拔液压缸的两端，夹持装置随起拔液压缸的升降带动钻杆的夹持、起拔和放松。

图1 滚轮起拔器结构简图Fig.1 Structural diagram of roller pulling-out device

图2 夹持装置结构简图Fig.2 Structure diagram of clamping device

1.2 起拔器工作原理

起拔器工作时，液压缸内腔供油，活塞上移，同时带动起拔装置上移，滚轮在重力的作用下向下移动，在导向槽的引导下，滚轮下移使得夹持直径变小，夹持器抱紧钻杆，钻杆在夹持器的作用下上移，完成一次起拔。随后，液压缸泄油，液压缸活塞下移，此时钻杆因卷扬连接处于固定状态，滚轮在钻杆摩擦力的作用下上移，在导向槽的引导下，夹持直径逐渐加大，钻杆由夹持状态转为放松状态，随后液压缸降至底端极限位置，即完成一个工作循环。由于钻杆的起拔速度完全受控于液压缸的伸缩距离和工作频率，因此，液压缸的行程理论上越大越好，但行程太长会增加整个起拔器的重量，从而制约整套设备的机动性。因此，本次液压缸参数设计如下：工作压力12 MPa，最大压力21 MPa；最短安装距350 mm，工作行程210 mm；缸筒外径65 mm，活塞直径50 mm，活塞杆直径30 mm。

1.3 起拔器设计原理

起拔器设计的重点部件为上部加持装置，夹持装置主要由顶板、导向槽、滚轮、支撑架和底板五部分组成，内设三个导向槽，均匀分布在保持架上，相对于原起拔器两个加持部件的设计，该设计可提高工作过程中的中心定位精度，而且，与一些多点位加持定位的装置相比，该设计不仅降低了加工成本，还在很大程度上精简了结构，降低了起拔器的重量。为了保持导向槽与支撑架之间的相对位置精度，本次设计将两个零件采用燕尾槽结构进行连接，如图3和图4所示。

图3 滚轮挤压组件Fig.3 Roller extrusion assembly

图4 燕尾槽结构支撑架Fig.4 Dovetail groove structure support frame

由于导向槽与支撑架之间的连接采用的是燕尾槽结构，对装配精度要求较高，为了避免加工误差导致装配互换性差的问题，该起拔器制造过程中摒弃了传统机械加工制造工艺，采用整体线切割，最大程度上保证了产品的装配精度，实验结果也验证该工艺在起拔器制造中具有较高可行性。在导向槽滑道角度的设计上，依据实际设计经验，一般不高于15°，如果角度过高，会导致钻杆与滚轮之间挤压力降低；相反，如果角度过小，夹持范围会大大降低，达不到夹持的目的，本次按照实际需求，经过计算，夹持极限点位置尺寸确定为10°，为了避免滚轮在极限位置从导向槽脱落，参照钻杆尺寸(本次钻杆直径为42 mm)，两端极限位置长度上各预留10 mm。按照设计原则，滚轮弧度应与所加持钻杆直径相一致，但考虑到钻杆在使用过程中会附着黏泥，如果弧度与钻杆直径完全一致的话会导致两种情况：一种是无法保证完全线性接触，致使摩擦力降低；另一种情况是，钻杆为铝合金材料，硬度较低，所以会导致钻杆表面损坏，降低钻杆使用寿命。

2 现场试验

本次选择距离河边100 m处作为试验场地，为第四系黏土层，地下5 m处含水量较大，因此黏性较大，极易卡钻。本次选用设备为北京探矿工程研究所研制的TGQ-30型钻机，整机参数如下：钻机功率13.4 kW，主轴转速150 r/min，扭矩600 N·m，液压绞车起拔力10 kN，钻杆外径42 mm，整机质量90 kg。

此次实验深度为10 m，以往钻探采用传统液压绞车难以起拔，深度达到8 m时候曾发生绞车支撑架变形现象，值得一提的是，本次采用滚轮起拔器顺利地完成了钻杆起拔。