于寶民

大通徑大扭矩液壓擰管機(jī)的研制及應(yīng)用

于寶民

目前，在一些大型水井鉆機(jī)、勘探鉆機(jī)中設(shè)有裝鉆桿、卸鉆桿裝置，但驅(qū)動(dòng)力小，裝鉆桿、卸鉆桿的速度慢；在中小型水井鉆機(jī)、勘探鉆機(jī)中普遍采用人工裝卸，裝鉆桿、卸鉆桿的速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大。市場(chǎng)上已有的液壓擰管機(jī)多為單油泵，通徑小，扭力小，不穩(wěn)定，而且造價(jià)比較高。為了提高裝卸鉆桿的效率，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，筆者經(jīng)過多次試驗(yàn)，成功研制了一種專為水井鉆機(jī)、勘探鉆機(jī)配套使用裝卸鉆桿的大通徑大扭矩液壓擰管機(jī)。該機(jī)已于2015年獲得實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 2015 2 0222878.X）。

技術(shù)方案

大通徑大扭矩液壓擰管機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由底盤、下墊叉、底盤支座、動(dòng)盤、活動(dòng)鉸鏈支座、棘輪、齒輪、驅(qū)動(dòng)蓋板、連接頭、墊叉擋桿、“云”形孔或橢圓形孔、液壓馬達(dá)、止回裝置、油缸、棘爪、空心軸、靜盤、滾珠等組成。

圖1　　大通徑大扭矩液壓擰管機(jī)結(jié)構(gòu)圖

止回裝置有支架和棘爪組成，棘爪通過軸銷固定在支架上，在支架和棘爪之間設(shè)有拉緊彈簧。

棘爪上均設(shè)有一個(gè)銷孔，可通過固定銷將棘爪固定住，使棘爪與棘輪分開，便于齒輪和棘輪的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)施方式

該機(jī)實(shí)施方式如下：在底盤的上面設(shè)有底盤支座和墊叉，在底盤支座上面依次設(shè)有動(dòng)盤、齒輪、棘輪和驅(qū)動(dòng)蓋板，在動(dòng)盤相對(duì)的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)活動(dòng)鉸鏈支座，形成一個(gè)曲軸，在每個(gè)活動(dòng)鉸鏈支座上面設(shè)有一個(gè)棘爪。在每個(gè)活動(dòng)鉸鏈支座的一側(cè)各設(shè)有一個(gè)油缸，油缸的活塞桿與活動(dòng)鉸鏈支座連接。在齒輪的一側(cè)設(shè)有帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)與油缸聯(lián)動(dòng)。在棘輪的一側(cè)還設(shè)有一個(gè)止回裝置，用以防止棘輪倒轉(zhuǎn)。在棘輪、齒輪內(nèi)部設(shè)有空心軸承，棘輪、齒輪可圍繞空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

底盤為中心帶有圓孔的鋼板，周邊有螺栓孔，通過螺栓固定在底座支架上，在圓孔相對(duì)的兩側(cè)設(shè)有底盤支座。底盤支座的上端與靜盤固定在一起，并支撐著套在靜盤外面的動(dòng)盤。

靜盤固定在空心軸下端的外部，在靜盤的表面上均勻地設(shè)有數(shù)個(gè)滾珠槽，在滾珠槽內(nèi)設(shè)有滾珠，在滾珠上面安裝有棘輪和齒輪，使棘輪和齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)更加靈活省力。

齒輪與棘輪固定在一起，套在空心軸的外面，在齒輪與空心軸之間設(shè)有滾珠，使齒輪與棘輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)更加靈活。

油缸采用雙油缸配合棘輪棘爪及液壓馬達(dá)聯(lián)動(dòng)方式，雙油缸的大小相等、方向相反，使作用在動(dòng)盤上的力矩方向一致，作用力大小相等。拆卸方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。消除了單油缸頂推過程中徑向力大且不平衡的問題。解決了鉆桿被頂推第一扣時(shí)軸承受力大的問題，實(shí)現(xiàn)了在大扭矩狀態(tài)下雙油缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)、軸承受力小且徑向力平衡的最佳模式。軸承及擰管機(jī)使用壽命長(zhǎng)，油缸底端通過固定鉸鏈支座安裝在底盤上，前端活動(dòng)鉸鏈安裝在活動(dòng)鉸鏈支座上，靠?jī)杉ψ饔糜诩唭蓚?cè)最大直徑上，使棘輪和齒輪一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上驅(qū)動(dòng)蓋板轉(zhuǎn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)蓋板由固定蓋板和活動(dòng)蓋板組成，固定蓋板為環(huán)狀，通過螺栓固定在齒輪的上端面上，在固定蓋板的上面設(shè)有4個(gè)對(duì)稱分布的凹槽，在凹槽的同一側(cè)（順時(shí)針方向的一側(cè)）設(shè)有防脫板?；顒?dòng)蓋板設(shè)有4個(gè)對(duì)稱分布的外凸式連接頭，通過4個(gè)對(duì)稱分布的外凸式連接頭與固定蓋板上面的4個(gè)凹槽連接，其連接方式為嵌入式連接。在活動(dòng)蓋板中間設(shè)有“云”形孔或橢圓形孔，在“云”形孔或橢圓形孔的兩側(cè)設(shè)有裝機(jī)墊叉擋桿，可配合上墊叉完成安裝拆卸鉆桿。

工作原理及操作過程

提鉆時(shí)，當(dāng)?shù)谝桓@桿的下端卡口提至上蓋板處時(shí)，停止提升，推入下墊叉至第二根鉆桿上端的卡口，卡住第二根鉆桿，然后插入上墊叉至第一根鉆桿的下端卡口處，卡住第一根鉆桿。操作換向閥供壓力油至雙油缸及液壓馬達(dá)，油缸通過活塞桿、曲軸、棘爪、棘輪、上蓋板、上墊叉帶動(dòng)第一鉆桿作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，由于兩油缸前后均與鉸鏈支座活動(dòng)連接，且行程大，推進(jìn)距離遠(yuǎn)，往復(fù)操作次數(shù)少，力矩大，棘輪和棘爪連接可靠，當(dāng)卸開第一扣后，液壓馬達(dá)參與聯(lián)動(dòng)，數(shù)秒內(nèi)即可擰開第一節(jié)，其余依次完成提鉆過程。下鉆時(shí)，先將3個(gè)棘爪與棘輪分離并通過固定銷固定在曲軸上，當(dāng)?shù)谝桓@桿的上端卡口下至底盤處時(shí)，推入下墊叉至第一根鉆桿的上端卡口，卡住第一根鉆桿，然后下第二根鉆桿，當(dāng)?shù)诙@桿的下端與第一根鉆桿的上端接觸時(shí)，插入上墊叉至第二根鉆桿的下端卡口處，卡住第一根鉆桿。操作換向閥供壓力油至液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，快速完成上鉆過程，其余依次完成上鉆過程。

優(yōu)勢(shì)及適應(yīng)條件

該機(jī)結(jié)構(gòu)合理，易于加工制造，操作靈活方便，安全可靠，造價(jià)低，適合安裝在各類大中小型鉆機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了在大扭矩狀態(tài)下雙油缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)，軸承受力小且徑向力平衡的最佳模式。3個(gè)棘爪均設(shè)有定位銷，能使棘輪和齒輪雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，便于安裝、拆卸鉆桿，且安裝、拆卸鉆桿速度快，效率高，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

應(yīng)用和效益

該機(jī)已經(jīng)形成產(chǎn)品投入生產(chǎn)應(yīng)用，目前主要用于水井鉆探，經(jīng)過推廣還可應(yīng)用于野外地質(zhì)勘探、煤田地質(zhì)鉆探和石油鉆探領(lǐng)域。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，可以減輕機(jī)臺(tái)工人勞動(dòng)強(qiáng)度50%，提高鉆探效率30%左右，提高經(jīng)濟(jì)效益約10%，效果非常顯著。

于寶民，山東省棗莊市水資源管理委員會(huì)辦公室，工程師）