大通径大扭矩液压拧管机的研制及应用

于宝民

大通径大扭矩液压拧管机的研制及应用

于宝民

目前，在一些大型水井钻机、勘探钻机中设有装钻杆、卸钻杆装置，但驱动力小，装钻杆、卸钻杆的速度慢；在中小型水井钻机、勘探钻机中普遍采用人工装卸，装钻杆、卸钻杆的速度慢，劳动强度大。市场上已有的液压拧管机多为单油泵，通径小，扭力小，不稳定，而且造价比较高。为了提高装卸钻杆的效率，减轻人工劳动强度，笔者经过多次试验，成功研制了一种专为水井钻机、勘探钻机配套使用装卸钻杆的大通径大扭矩液压拧管机。该机已于2015年获得实用新型专利（专利号：ZL 2015 2 0222878.X）。

技术方案

大通径大扭矩液压拧管机结构如图1所示，由底盘、下垫叉、底盘支座、动盘、活动铰链支座、棘轮、齿轮、驱动盖板、连接头、垫叉挡杆、“云”形孔或椭圆形孔、液压马达、止回装置、油缸、棘爪、空心轴、静盘、滚珠等组成。

图1　　大通径大扭矩液压拧管机结构图

止回装置有支架和棘爪组成，棘爪通过轴销固定在支架上，在支架和棘爪之间设有拉紧弹簧。

棘爪上均设有一个销孔，可通过固定销将棘爪固定住，使棘爪与棘轮分开，便于齿轮和棘轮的双向转动。

实施方式

该机实施方式如下：在底盘的上面设有底盘支座和垫叉，在底盘支座上面依次设有动盘、齿轮、棘轮和驱动盖板，在动盘相对的两侧各设有一个活动铰链支座，形成一个曲轴，在每个活动铰链支座上面设有一个棘爪。在每个活动铰链支座的一侧各设有一个油缸，油缸的活塞杆与活动铰链支座连接。在齿轮的一侧设有带动齿轮转动的液压马达，液压马达与油缸联动。在棘轮的一侧还设有一个止回装置，用以防止棘轮倒转。在棘轮、齿轮内部设有空心轴承，棘轮、齿轮可围绕空心轴转动。

底盘为中心带有圆孔的钢板，周边有螺栓孔，通过螺栓固定在底座支架上，在圆孔相对的两侧设有底盘支座。底盘支座的上端与静盘固定在一起，并支撑着套在静盘外面的动盘。

静盘固定在空心轴下端的外部，在静盘的表面上均匀地设有数个滚珠槽，在滚珠槽内设有滚珠，在滚珠上面安装有棘轮和齿轮，使棘轮和齿轮转动时更加灵活省力。

齿轮与棘轮固定在一起，套在空心轴的外面，在齿轮与空心轴之间设有滚珠，使齿轮与棘轮在转动时更加灵活。

油缸采用双油缸配合棘轮棘爪及液压马达联动方式，双油缸的大小相等、方向相反，使作用在动盘上的力矩方向一致，作用力大小相等。拆卸方向为逆时针方向。消除了单油缸顶推过程中径向力大且不平衡的问题。解决了钻杆被顶推第一扣时轴承受力大的问题，实现了在大扭矩状态下双油缸同时驱动、轴承受力小且径向力平衡的最佳模式。轴承及拧管机使用寿命长，油缸底端通过固定铰链支座安装在底盘上，前端活动铰链安装在活动铰链支座上，靠两棘爪作用于棘轮两侧最大直径上，使棘轮和齿轮一起同步转动，带动上驱动盖板转动。

驱动盖板由固定盖板和活动盖板组成，固定盖板为环状，通过螺栓固定在齿轮的上端面上，在固定盖板的上面设有4个对称分布的凹槽，在凹槽的同一侧（顺时针方向的一侧）设有防脱板。活动盖板设有4个对称分布的外凸式连接头，通过4个对称分布的外凸式连接头与固定盖板上面的4个凹槽连接，其连接方式为嵌入式连接。在活动盖板中间设有“云”形孔或椭圆形孔，在“云”形孔或椭圆形孔的两侧设有装机垫叉挡杆，可配合上垫叉完成安装拆卸钻杆。

工作原理及操作过程

提钻时，当第一根钻杆的下端卡口提至上盖板处时，停止提升，推入下垫叉至第二根钻杆上端的卡口，卡住第二根钻杆，然后插入上垫叉至第一根钻杆的下端卡口处，卡住第一根钻杆。操作换向阀供压力油至双油缸及液压马达，油缸通过活塞杆、曲轴、棘爪、棘轮、上盖板、上垫叉带动第一钻杆作逆时针方向旋转，由于两油缸前后均与铰链支座活动连接，且行程大，推进距离远，往复操作次数少，力矩大，棘轮和棘爪连接可靠，当卸开第一扣后，液压马达参与联动，数秒内即可拧开第一节，其余依次完成提钻过程。下钻时，先将3个棘爪与棘轮分离并通过固定销固定在曲轴上，当第一根钻杆的上端卡口下至底盘处时，推入下垫叉至第一根钻杆的上端卡口，卡住第一根钻杆，然后下第二根钻杆，当第二根钻杆的下端与第一根钻杆的上端接触时，插入上垫叉至第二根钻杆的下端卡口处，卡住第一根钻杆。操作换向阀供压力油至液压马达，液压马达带动齿轮顺时针方向转动，快速完成上钻过程，其余依次完成上钻过程。

优势及适应条件

该机结构合理，易于加工制造，操作灵活方便，安全可靠，造价低，适合安装在各类大中小型钻机上，实现了在大扭矩状态下双油缸同时驱动，轴承受力小且径向力平衡的最佳模式。3个棘爪均设有定位销，能使棘轮和齿轮双向转动，便于安装、拆卸钻杆，且安装、拆卸钻杆速度快，效率高，大大减轻了工人的劳动强度。

应用和效益

该机已经形成产品投入生产应用，目前主要用于水井钻探，经过推广还可应用于野外地质勘探、煤田地质钻探和石油钻探领域。经过实际测试，可以减轻机台工人劳动强度50%，提高钻探效率30%左右，提高经济效益约10%，效果非常显著。

于宝民，山东省枣庄市水资源管理委员会办公室，工程师）