1概述
反井钻机施工方法目前已成为我国竖井施工中的主
要施工方法之一，广泛应用于矿山、
水电、隧道等地下建设工程中的进出口联络通道、通风井等各类竖井、斜井的施
工。反井钻机钻进和普通钻孔方式不同，
其钻井工艺包括导孔钻进和扩孔钻进，首先由上向下钻进导孔，钻进过程
更换上扩孔钻头，再由下向上扩孔，扩孔过程逐渐拆除钻杆，
直到和上水平贯通。采用反井法施工井筒，工作人员不再下井施工，
具有工作环境好、安全、劳动强度较低、
钻进效率高、钻井直径大的优点。
上卡瓦是反井钻机拆卸钻杆时用来限制钻杆与动力头的相对旋转的一种工具，通过卡瓦夹持住钻杆上的扁方而限制钻杆转动，动力头反转松开被夹持钻杆与下一根钻杆之间的螺纹，达到拆卸钻杆的目的。上卡瓦的使用频率 很频繁，每拆卸一根钻杆就要使用一次上卡瓦。
目前，小型号反井钻机配套使用的上卡瓦结构多采用卡块式或液压卡套式结构，也有采用齿圈式卡瓦结构的，但重量相对较轻，主要采用人力搬运的方式装卸。而对于重型反井钻机，由于扭矩大，卡块式和液压卡套式结构的上卡瓦强度无法满足使用要求，须采用齿圈式上卡瓦结构，而配套使用的齿圈式上卡瓦重量达30kg 以上，人力搬运困难，安装和拆
卸费时费力，严重影响劳动效率，
还存在一定的安全隐患。本文设计了一种用于重型反井钻机的上卡瓦自动输送装置，用来将上卡瓦自动输送至工作位置，工人劳动强度很小，而且可大幅提高拆卸钻杆的劳动效率。 2反井钻机上卡瓦的结构形式
反井钻机上卡瓦在拆卸钻杆时使用，通过夹持住钻杆的扁方，限制与动力头的相对旋转，
反转动力头而卸开需拆卸钻杆与下端钻杆间的螺纹。反井钻机上卡瓦的结构形式有以下四种：
①楔形卡块式结构。
此种结构卡盘体固定安装在动力头主轴上，
卡块是楔形结构。使用时将钻杆的扁方对正卡盘体，用手锤打进卡块，利用其斜面的楔紧力夹住钻杆。松卡瓦时，用手锤打出卡块即可。此种结构简单，外形尺寸小，但需要人工打入、
打出卡块，劳动强度较大，拆卸卸杆速度较慢。而且钻杆与
主轴间无轴向浮动空间，装卸钻杆时易顶坏动力头和钻杆间的螺纹。
②手动插板卡块式结构。
此种结构整体安装在动力头下方，采用杠杆原理，
使用时将钻杆扁方对正卡块，通过向外拉动定位板，拨杆推
动卡块向内移动卡进钻杆的扁方。松开时，
解开定位板，在弹簧的作用下使卡块退离钻杆。该结构外形尺寸紧凑，
操作较简单，卡钻杆速度较快，但同样钻杆与主轴间没有设
计轴向浮动空间，
装卸钻杆时易顶坏钻杆螺纹。③液压卡套式结构。
通过拨叉带动卡盘套向下运动，迫使四个卡爪收拢，
使卡块卡住钻杆扁方。松开时油缸反向动作带动卡盘套上行，卡爪在弹的作用下张开，松开钻杆。此种结构机械化
程度较高，拆卸钻杆时间短，劳动效率高，而且设计了轴向浮动机构，
能有效保护螺纹，是目前使用最普遍的结构。④齿圈式结构。
此种结构配套的动力头一般设计为浮动套式结构，
避免主轴浮动结构对动力头寿命的影响。上卡瓦体为两半开
合式结构，使用时人工安装到钻杆上，闭合后通过内方夹
持住钻杆的扁方，动力头向下运动使外齿圈与动力头上的
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—作者简介：吴立忠（1969-），男，宁夏石嘴山人，高级工程师，学
士，主要从事煤矿机械设计与研究工作。
重型反井钻机上卡瓦自动输送装置设计及应用
Design and Application of Automatic Slip Conveying Device on Heavy Raise Drilling Rig
吴立忠WU Li-zhong ；卜侃侃BU Kan-kan
（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，
银川750011）（Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.，Ltd.Maintenance Company ，Yinchuan 750011，China ）
摘要：上卡瓦是反井钻机拆卸钻杆时用来夹持住钻杆，限制钻杆与动力头的相对旋转的一种工具。重型反井钻机配套使用的上卡
瓦重量大，人力搬运安装和拆卸困难，严重影响劳动效率。本文设计了一种用于重型反井钻机的上卡
龙婕物联流量卡
瓦自动输送装置，
可将上卡瓦组件自动输送至工作位置，可满足重型反井钻机拆卸钻杆使用要求， 对降低劳动强度、提高劳动效率作用明显。Abstract:The upper slip is a tool used to clamp the drill pipe and restrict the relative rotation of the drill pipe and the power head when the raise rig is disassembling the drill pipe.The upper slips used with heavy raise drilling rigs are heavy in weight and difficult to handle,install and disassemble manually,which seriously affects labor efficiency.This paper designs an automatic upper slip conveying device for heavy raise drilling rigs,which can automatically convey upper slip components to the working position,which can meet the requirements for the use of heavy raise drilling rigs to disassemble the drill pipe,and reduce labor intensity and increase labor.The efficiency effect is obvious.
关键词：反井钻机；上卡瓦组件；
拆卸钻杆Key words:raise rig ；upper slip assembly ；disassembly of drill pipe 中图分类号:P634.3+1文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2021）34-176-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2021.34.057
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内齿圈配合限制钻杆与动力头的相对旋转。该结构上卡瓦
体强度高，多用于重型反井钻机，但需要人工辅助装卡，
还有待于进一步改进。
3上卡瓦自动输送装置的结构及工作原理3.1上卡瓦组件
本文设计的上卡瓦自动输送装置用于ZFY5.0/600型重型反井钻机，该型反井钻机钻井深度可达600m ，钻孔直
径可达Φ5m ，配套使用Φ327mm 直径的钻杆，
是目前国内可施工直径最大、钻孔深度最深的反井钻机。该型反井钻
机配套使用的上卡瓦采用齿圈式结构，
如图1所示，为两半开合式结构，闭合后通过内方夹持住钻杆的扁方，外齿圈与动力头上的内齿圈配合限制钻杆与动力头的相对旋转。上卡瓦组件为高强合金钢锻造后加工成型，重量约30kg 。
3.2上卡瓦自动输送装置的结构及工作原理
上卡瓦自动输送装置主要由侧装支架、卡瓦托盘、水
平横梁、竖直油缸、横推油缸、滑轨等组成，如图2所示。在
侧装支架上设计有竖直方向上的导向滑道，相应的在水平
横梁上设计了与之配套的导向结构，
二者通过通过竖直油缸相连接，通过竖直油缸的伸缩，
水平横梁可相对侧装支架在竖直方向上下运动；卡瓦托盘安装在水平横梁上，并
在二者之间设计了水平方向的滑轨，
卡瓦托盘和水平横梁通过横推油缸连接，通过横推油缸的伸缩，
卡瓦托盘可相对水平横梁沿水平方向前后滑动。
上卡瓦自动输送装置的侧装支架通过螺栓固定在动
力头的侧面，
如图3所示。上卡瓦组件呈打开状态放置在卡瓦托盘上，
在上卡瓦组件上设计有手柄，可卡在卡瓦托盘的卡槽里避免上卡瓦组件意外脱落。
上卡瓦自动输送装置在不使用时处于收回状态，在需要使用上卡瓦时，
首先将竖直油缸伸出，带动水平横梁、卡瓦托盘向下运动，
使上卡瓦与钻杆上的扁方对正，再操作横推油缸缩回，带动卡瓦托盘及上面的上卡瓦组件向前运动至上卡瓦组件到达钻杆中心位置，人工手动闭合上卡瓦组件使内方卡在钻杆
扁方上，将上卡瓦组件的外齿圈对正动力头内齿圈，
下降动力头使动力头内齿圈与上卡瓦组件上的外齿圈啮合从而固定钻杆。上卡瓦组件使用完毕后按相反步骤收回，完成一次工作循环。
3.3使用上卡瓦自动输送装置拆卸钻杆的操作步骤
反井钻机使用上卡瓦自动输送装置后的拆卸钻杆具体操作步骤如下：
①扩孔钻进一根钻杆后动力头停转，操作下卡瓦伸缩油缸使下卡瓦夹持住下一根钻杆的扁方，将钻具系统吊挂在钻架底座上。
②操作动力头反转松扣，
自发功使钻杆上端与动力头间的丝扣松动，但不能完全脱开。
③缓慢上升动力头使浮动套指示标识处于最低位置，操作上卡瓦自动输送装置，将上卡瓦组件输送到钻杆中心位置并与钻杆上的扁方对正，手动闭合上卡瓦组件使内方
卡在钻杆扁方上，
将上卡瓦组件的外齿圈对正动力头内齿圈，下降动力头使动力头内齿圈与上卡瓦组件上的外齿圈啮合，上卡瓦组件进入动力头内齿圈从而固定钻杆。
④操作动力头反转松开要拆卸钻杆与下一根钻杆间
的丝扣，并缓慢上升动力头，
保证上卡瓦组件始终在动力头内齿圈里，直到下端丝扣完全卸开。
⑤上升动力头使上卡瓦组件外齿圈与动力头内齿圈脱开，手动打开上卡瓦组件，卸下后放置在卡瓦托盘上，操作上卡瓦自动输送装置收回。
⑥操作机械手抱住钻杆，动力头反转卸开上端丝扣。
⑦将动力头上升到最高位置，
回收机械手并用转盘吊将钻杆放到钻杆车上。
1-侧装支架；2-卡瓦托盘；3-水平横梁；4-竖直油缸；
5-
横推油缸；
6-滑轨
图2上卡瓦自动输送装置结构示意图
（1）收回状态（2）工作状态1-动力头；2-上卡瓦自动输送装置；3-上卡瓦组件；4-钻杆
图3上卡瓦自动输送装置安装及工作原理图
图1上卡瓦外形图
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⑧下降动力头，
操作动力头正转接上丝扣，上紧丝扣后，操作下卡瓦
伸缩油缸收回下卡瓦，
进行下一个扩孔钻进作业。
4主要技术参数的确定4.1电液控制方案
ZFY5.0/600型反井钻机采用电液控制，通过电磁换向阀控制油缸的伸、缩动作，使上卡瓦自动输送装置将上卡瓦组件准确对正到要拆卸钻杆的扁方。设备工作时，竖直油缸和
横推油缸不允许同时动作，为了避免误操作，在控制系统中需设计为二者
互锁。
ZFY5.0/600型反井钻机动力系统由主泵站和副泵站组成，主泵站为动力头液压马达及主推油缸输送动力，副泵站实现钻井过程推进、旋转以及其他辅助作业中液压油的供给和分配。
上卡瓦自动输送装置的竖直油缸和平推油缸由副泵站提供液压油，
输出工作压力为5MPa 。4.2油缸参数确定
竖直油缸工作时承受拉力，控制水平横梁及在水平
文献综述范文横梁上安装的卡瓦托盘、横推油缸、滑轨、上卡瓦组件等升降。上卡瓦组件重量约30kg ，上卡瓦自动输送装置自身的水平横梁、卡瓦托盘、横推油缸、滑轨等重量约350kg 。竖直油缸的拉力需满足可承受以上部件的重力及克服竖直运动时侧装支架与水平横梁间导向滑道产生的摩擦力。竖直油缸行程需根据设备实际设计，从收回状态到工作状态时可将上卡瓦组件对正钻杆扁方的垂直位置确定。
mmdb横推油缸初始时为杠杆伸出状态，工作时通过伸缩控制卡瓦托盘前后移动，将上卡瓦组件输送到钻杆中心位
置。横推油缸的拉力需满足克服卡瓦托盘与水平横梁上滑
道间的摩擦力，可根据卡瓦托盘及上卡瓦组件的重力确定。横推油缸行程需根据上卡瓦输送装置安装到动力头上后收回状态上卡瓦组件中心到钻杆中心的水平相对位移来确定。
根据上卡瓦自动输送装置的结构形式和各油缸所承受的工作载荷，考虑充足的安全系数，
油缸主要技术参数确定如下：
竖直油缸行程：480mm ；
竖推油缸额定拉力：17.2kN ；
横推油缸行程：450mm ；
横推油缸额定拉力：4.4kN 。
5现场应用及改进建议5.1现场应用情况上卡瓦自动输送装置设计、生产完成后，配套在ZFY5.0/600型反井钻机上进行了首次现场应用试验，完成了山西某煤矿直径4.7m 、深度310m 的进风力井和回风立井的施工，现场应用照片见图4。从现场使用来看，工作时
竖直油缸和横推油缸的输送动作平稳可靠，
达到了设计要求，可满足重型反井钻机拆卸钻杆使用要求。使用上卡瓦自动输送装置后，
拆卸钻杆操作仅需1人辅助开合上卡瓦组件，
较人工搬运上卡瓦组件可减少1名操作工人，而且工人劳动强度很小。拆卸钻杆的辅助作业时间平均约
4min，较人工搬运上装卸上卡瓦组件缩短辅助时间约20~25%，对提高拆卸钻杆的劳动效率作用明显。5.2改进建议根据现场使用情况，上卡瓦自动输送装置的竖直、水平输送动作目前设计采用开环控制，
通过人为控制竖直油缸和横推油缸的运动行程，
定位不够精确。今后改进可在的竖直油缸和平推油缸上内置位移传感器，
或在外部增加行程开关，
实现闭环控制，精确控制油缸行程，确保竖直和水平输送动作定位精确。另外，
求是
此次设计的上卡瓦自动输送装置虽然实现上卡瓦组件的自动输送，
但上卡瓦组件的开合还需人工辅助，
今后设计改进还需在此基础上增加上卡瓦组件的自动开合功能，通过电液闭环控制实现拆卸钻杆整个循环的完全自动化。
6结语设计的上卡瓦自动输送装置安装在重型反井钻机动力头的侧面，
主要由侧装支架、卡瓦托盘、水平横梁、竖直油缸、
横推油缸、滑轨等组成。在拆卸钻杆时通过竖直油缸和横推油缸的动作，可将上卡瓦组件自动输送到工作位
置，解决了重型反井钻机上卡瓦组件重量大，人力搬运装卸困难、
劳动效率低的问题。配套在ZFY5.0/600型反井钻机上进行了首次现场应用试验，使用效果良好，完全可满足重型反井钻机拆卸钻杆使用要求，对降低劳动强度、提高劳动效率作用明显。参考文献:
[1]刘志强，徐广龙.ZFY5.0/600型大直径反井钻机研究[J].煤
炭科学技术，2011，39（05）：87-90.
主教之友
[2]刘志强.机械井筒钻进技术发展及展望[J].煤炭学报，
2013，38（7）：1116-1122.[3]尹复辰.天井钻机的卡盘设计[J].长沙矿山研究院季刊，1986，6（3）：21-25.[4]刘志强.矿山反井钻进技术与装备的发展现状及展望[J].煤炭科学技术，2017，45（8）：66-73.
[5]，余洋，张学刚.千米大直径反井钻机驱动系统设计[J].煤矿机械，2021，42（10）：20-22.（1）收回状态（2）工作状态
图4
卡瓦自动输送装置现场应用. All Rights Reserved.
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