梁荣柱;韩燚;张惠
【摘 要】对CZ-22型冲击钻机冲击机构进行改进,用液压油缸代替曲柄,从而实现真正的不停车调节冲击高度,达到降低工人工作强度和增加纯钻进时间,提高钻进效率,降低钻进的成本. 电线印字机
【期刊名称】《机械制造》
【年(卷),期】2010(048)012
【总页数】3页(P34-36)
【关键词】CZ-22型冲击钻机;冲击机构;钻进效率;液压机构
【作 者】梁荣柱;韩燚;张惠
【作者单位】中国地质大学(武汉)岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉,430074;中国地质大学(武汉)岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉,430074;中国地质大学(武汉)岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉,430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TU433
转基因鸡古代劳动人民使用冲击钻井的方法开凿盐井，而科技发展到了今天，冲击钻井仍然是常用的一种钻井方法。以其在钻进硬岩时的独特优势，相比于金刚石回转钻井，其成本低廉;相比于钢粒钻井，其效率较高，故现在仍然广泛应用在钻探施工上。冲击钻井的原理简单，其方法是利用钻机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动改变为往复运动，通过钢丝绳带动冲击钻头上下往复运动，借助钻头的自由下落冲击力将卵石或硬岩破碎，钻渣随泥浆(或用掏渣筒)排出而获得进尺。岩石在动载作用下的破碎强度远小于在静载下的破碎强度，因此，有利于用较小的冲击功实现冲击破碎岩石。
CZ－22型冲击钻机是目前在土木工程施工中广泛应用的钢丝绳冲击钻机，其设备简单、轻便、搬迁方便，操作与管理简单，因此该钻机在土木工程施工中普遍使用。在岩层较硬的施工场地几乎都采用该钻机成孔，冲击碎岩。该钻机在三峡大坝施工中也发挥了重要的作用，受到业内人士的好评。但是CZ－22型钻机也有其本身的缺点，其中最突出的是需要更改冲程时，必须停车，由工人重新铰接曲柄。因而，很有必要对此机构进行改进，使之提
高钻进效率，降低施工成本。
1 冲击运动的实现与冲击能量
道路反光镜1．1 冲击运动的实现
j型密封圈冲击机构如图1所示，主要由冲击齿轮、曲柄、连杆，冲击梁、支撑、压轮、支杆、缓冲弹簧、导向轮钢绳组成。其实现的原理如下：冲击齿轮被驱动后，带动轴和固定在轴上的两个曲柄回转。两根连杆的下端以销轴与曲柄铰接，上端与框架式双臂冲击梁、支臂相铰接。曲柄回转时，通过连杆带动冲击梁、支臂轴上的压轮绕导向轮轴作圆弧形上下摆动。冲击梁向下摆动时，压轮下压钢绳，将冲击钻具提离孔底一定的高度;压轮随冲击梁向上摆动时则松开钢绳，冲击钻具在重力的作用下加速降落而冲击孔底岩石，如此循环往复，实现冲击钻井。
岩石在动载作用下的破碎强度远小于在静载下的破碎。而冲击的能量由两大因素决定，一是钻具的重量，二是冲击高度。CZ－22钻机的主要技术参数如下：钻具行程350～1 000 mm;钻具最大重量1300 kg;冲击次数 40、45、50;电机功率 30 kW。
1．2 冲击能量
由于钻具的下落可近似看作为自由落体，因此可以计算冲击能量为：h=(1/2)at2;v=at;W=(1/2)×mv2。其中，h为冲击高度;a为冲击的加速度，一般为5～6．5 m/s2;v为钻具末速度;m为钻具重量，W为冲击功。
起重机在线
由上可见，冲击功由钻具质量与冲击高度决定。实际工作中，钻具重量通常是固定的，而在作业过程中，只要曲柄铰接位置确定，压轮上下移动的高度也就相对确定，那么冲击高度也就确定了，也就是说冲击能量就固定下来了。但是在实际钻井过程中，不同岩石所需的破碎比功并非一成不变。表1所示为部分岩石的破碎比功[1]。显然，各种岩石的破碎比功不一样，所需要的冲击能量也不一样，因此，遇到坚硬的岩层，必须调整冲击高度，否则会导致钻井速度的严重下降。
表1 部分岩石的破碎比功级别 凿破碎比功 坚硬程度kgm/cm3 J/cm3Ⅰ≤19 ≤190 极软Ⅱ20～29 200～290 软Ⅲ30～39 300～390 中等Ⅳ40～49 400～490 中硬Ⅴ50～59 500～590 硬Ⅵ60～69 600～690 很硬Ⅶ≥70 ≥700 极硬
由此可知，这种冲击钻井方法最大的缺点就是固定的曲柄使调节钻机的冲程变得复杂和麻烦。在钻进破碎比功特别大的岩石时，破碎的效率就极其低下，掘进进尺很少。为了提高钻进能量和效率，就必须停车，或者增加钻头的配重，或者调节曲柄铰接位置，以增大冲程。但是，钻机的提升能力是有限的，因此不可能大幅度地提高钻头重量，所以大多数情况下采用增加冲程的方法，来提高冲击能量。然而这样就势必增加辅助作业时间，而使台月效率显著下降，钻进成本增加。施工现场的数据表明，一个熟练工人，要完成这个调节过程，从停车到开车，至少要20 min。而一天的施工中往往会多次碰到不同岩性的岩层，这就使额外的非钻进时间占了很大的比例，特别是在工期很急的施工中，这种耗费大量时间的缺陷就更加突出。因此，这种传统的浪费钻进时间的方法必须革新。
2 改进方法
2．1 液压冲程调节装置
连续供墨系统
为了增加纯钻进时间，尽量减少不必要的停车作业时间，减轻工人的劳动强度，实现不停车调节冲击高度，笔者设计一个与冲击机构配套的液压冲程调节装置如图2所示。装置就在原机构的基础上改造而成。装置中的曲柄，用一个伸缩油缸代替，曲柄的长度在压力油的
作用下活塞杆可以伸缩长短，从而使曲柄的长度改变，即改变 R值，以达到调节冲程的目的，实现针对不同破碎比功的岩层而调节不同的冲击高度。
由公式 H=(L1/L)× R(1－cosα)[2](L1、L分别为 b、B点与导轮中心 O的距离，R为曲柄的长度。α为曲柄的转角)，可见，在其他3个量不变的条件下，R的值越大，则冲击高度 H就越大，冲击的能量也越大。
具体的实现过程如下：当下腔进油、上腔回油时，油缸伸长，使冲击高度增加。曲柄的长度就是油缸活塞伸长后的长度。长度的控制与进入压力油的大小及钻头的质量有直接关系。在所选用钻具质量一定的前提下，实现曲柄伸缩的压力油是一定的。因此，在施工过程中，如要增加冲击高度，可随时调节输入油的压力，通过液压回路的调节作用，使得曲柄的长度伸长或缩短，实现冲击高度的调节，从而使冲击能量增加或减少。
2．2 液压锁机构
为避免意外泄油对曲柄和冲击机构的动载冲击而造成的损害，采用有保护措施的液压回路，如图3所示。该液压回路中采用液压锁机构，实现即使有泄油的突发情况，也不会因巨
大的下冲力而对整个钻机有很大的冲击作用，保证了运行时设备和人员的安全。另外，在操纵台上安装一个刻度盘，计算出液压输入而使钻具提升的高度，指示操纵杆位置对应的冲击高度，从而量化钻进，有利于操作工人对冲程更直观的选择。
3 油缸的选择
综合对比各种现有油缸的特点，总体上单活塞杆式液压缸是比较合适的，见图4所示。其工作原理如下：缸体和底盖焊接成一体，活塞靠支撑环导向用 Y型密封圈密封，活塞与活塞杆用螺纹连接，活塞杆靠导向套1、2导向，用V型密封圈密封，端盖和缸体用螺纹连接，螺母用来调整V型密封圈的松紧。缸底端盖和活塞杆头部都有耳环，便于铰接。因此这种液压缸在往复运动时，其轴线可随工作需要自由摆动，这正好符合铰接在冲击齿轮和冲击梁上。最重要的是此油缸的稳定性要好，不容易泄油，可以用于冲击力大的场合，适合在冲击机构中使用。
用此液压缸代替曲柄时，要注意到所需油缸的长度，然后设计出长度合适的油缸，不可以生硬地套用。缸底端盖和活塞杆头部的耳环可分别与冲击齿轮和冲击梁铰接，两进出油管在实现时需预留出一定的长度，以防油缸伸长而拉断。另外，要充分注意到高压油管是随
着液压缸作圆周运动的，必须考虑到液压管因转动而缠绕的问题。为此可采用中心回转接头，此接头的特点是油管相对于液压缸是相对不动的，因此可以解决油管缠绕的问题。其他部件如液压锁、油泵、控制阀等，均可与钻机平台安装在一起，成为钻机的一部分，以增加整体性。
4 结束语
采用改进后的冲击机构，其适用范围更广泛，并有机地结合了机械传动与液压两方面的优势，真正实现不停车改变冲程，方便快捷，安全性好。此外，该液压系统是一般性元件，容易购得，钻机的成本不会有很大的提高。因此，改造冲击机构后的CZ－22冲击钻机必定会有更广阔的发展空间。
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