18A型钻塔二级油缸液压起落装置的研制

太武

摘 要：18A型钻塔的起落，常用的起塔架、羊角架起塔或吊车起塔等方法存在一定的安全隐患，该文针对野外钻机的18A型钻塔，研制了二级油缸液压起落钻塔的安全方法，通过相关技术论证，从18A型钻塔的结构、液压油缸的设计论证，起落装置中二级油缸的同步性等方面取得了理想的成果。该装置通过野外安装施工，实现了18A型钻塔安全起落的目标。

关键词：18A型钻塔 二级油缸 液压起落装置

中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（a）-0037-02

对于SPC300型水源转盘钻机或XY-4岩心钻机配套的18A型钻塔，传统的起塔方式是通过钻塔配套的起塔架靠钻机卷扬机自身起塔，有的钻机在安装完后采用拖拉机羊角架起塔，也有一些18A型钻塔在野外安装完后直接靠吊车不断变换角度起塔。对于18A型钻塔的以上这些起塔方式虽然操作简单，但在起落钻塔的过程中的人为因素存在一定的安全隐患。比如：在起塔过程中曾经发生过起塔架地锚拔出的现象，也有吊车起塔过程中因为角度旋转不当造成吊车翻车的事故。为了18A型钻塔起落更加安全，我们自行研制了二级油缸液压安全起落装置，通过应用，起落钻塔更加安全可靠。

1 18A型钻塔的主要技术参数及特点

1.1 主要技术参数

常见的18A型钻塔是SPC水源转盘钻机和XY-4型岩心钻机所配套的钻塔，这种18A型钻塔的高度一般是17.5 m（或18 m），主塔腿横截面形状有4 mm钢板卷圆柱形（上、下部圆锥形）、60×60（或75×75）等边角钢焊接矩形、φ73×5无缝钢管焊接等边三角形等。钻塔的重量约4.0～4.5T（含天车）。（见表1）

1.2 主要特点

18A型钻塔刚性结构适合于液压起塔不致使钻塔变形。钻塔重量较轻，重力力臂相对较短，采用短油缸近视垂直起塔。因此，油缸起塔初的受力克服水平方向分力较小，起塔的油缸负荷相对较小，适合采用二级油缸起塔。

2 液压起塔受力分析

18A型钻塔起升过程中主要受重力和油缸推力力矩，，油缸起塔初始位置与水平方向夹角75°，分析塔架在水平位置起升时的受力过程，如图1所示。

根据受力图，具体计算如下。

起塔时钻塔围绕塔底销孔转动，设图示的逆时针旋转方向为+，则起塔舜时钻塔合力矩满足条件是：

ΣM≥0，即2×N×sin75°×1.27-18·G2-9·G1≥0 （1）

钻塔在均匀转动时合外力ΣF=0

即水平方向：Nx-N·cos75°=0 （2）

垂直方向：2N sin 75°-Ny-G1-G2= 0 （3）

其中：N为油缸推力，kN；

G1为均质钻塔主塔腿重量，kN；

G2为钻塔天车重量，kN；

Nx 为钻塔主腿固定轴销水平方向受拉约束反力，kN；

Ny为钻塔主腿固定轴销垂直方向受拉约束反力，kN。

3 液压油缸的选择

液压起塔油缸选用二级油缸，外缸径φ150 mm，采用双油缸同步起塔方式。

（1）液压起塔时油缸推力。

通过（1）（2）（3）式，取G1=5T，G2=0.6T，解得：N≥288.84 kN。

在起落钻塔过程中，随着钻塔高度增加，钻塔重心靠近钻机方向，重力臂越来越小；所以，起塔瞬时N值是起塔过程中的最大值，当油缸推力大于N时，实现液压起塔，考虑动载荷野外风载荷因素，适当选择安全系数，即可实现安全液压起落钻塔。

（2）油缸选型。

油缸活塞受力如图2所示。

油缸活塞匀速运动时满足：NS1=P （4）

其中：S1为活塞推力受力面积，m2；

P为系统压力，MPa。

则当活塞匀速运动时，取F2=288 kN，油缸内径D=130 mm，一级活塞杆d=100 mm。

则P=21.7 kN。

因此，考虑安全系数，选择液压系統压力25 MPa。油缸外径φ150 mm，一级活塞杆直径φ90 mm时，完全实现安全起塔。

同理可以求得当起塔达到45°时，通过计算选取二级油缸缸径φ80 mm，活塞杆直径φ60 mm，完全实现二级油缸钻塔超过45°时的安全起塔。

（3）油缸的有效长度，根据计算初始位置与起塔后位置，油缸伸长长度为2 420 mm。最终确定油缸型号为HSGK02-150/100-80/60×1400/1200-E2501/1325。

（4）钻塔起塔受推力截面的剪应力与弯曲变形。

通过横截面计算，钻塔刚结构在起塔过程中不会弯曲变形。但是在油缸上支点即塔腿铰座处受力较大，为防止钻塔变形，通过δ20钢板加固处理。

4 钻机底座受力及配重

设底座前方超出钻塔连接铰耳中心2.0 m，既方便做油缸库，又能液压起塔时底座受力平衡减少配重。设底座前边缘为旋转轴线，起落钻塔过程中底座的重力加上底座上的配种，使得底座不致翻转又能安全起落钻塔，则对钻机底座受力分析，分析方法类同于钻塔力矩平衡方程。经计算，18A钻塔当底座前边缘距离底座安装钻塔主塔腿铰耳2.0 m时，底座上加上转盘钻机或岩心钻机，均不满足液压起塔时底座翻转起来。当在底座钻机后方加上柴油机或电机，并在电机后方增加4 T配重，实现了安全起塔要求，此时在液压起落钻塔时底座稳定在地面较为安全。

5 液压系统主要参数

对于18A型钻塔，通过理论计算得出了液压起塔时的系统压力，根据油缸型号，确定液压油箱的容积大小，按野外起塔条件要求，钻塔起塔速度3 min，落塔速度2～2.5 min，确定了液压泵量。具体液压系统参数见表2。

6 结语

通过研发18A型钻塔二级油缸起落装置，应用在SPC300水源钻机和XY-4煤勘钻机，应用效果较好。但是也存在一些问题。

（1）开始时设计的电磁换向阀在野外操作简单，但电磁系统经常出现问题，致使现场职工因无法排除故障，应用中评价较低，后来改为手动换向起落钻塔，故障较少，得到了客户的肯定。（2）二级油缸起塔时，左右两支油缸的一级、二级同步起落钻塔是关键，考虑到采用同步阀左右塔腿同步，在应用过程中安装上同步阀比没安装同步阀的效果要好。（3）二级油缸虽然比一级油缸体积小重量轻，但考虑到钻塔在起塔初时应推力大使得钻塔变形，因此，长度1 m左右的要求尚未达到，为实现起塔时油缸处于90°状态。通过总结，我们继续改进二级油缸的液压起塔系统，在起落钻塔比较安全可靠的基础上，经模块化设计，实现运输方便，安装操作简易。进一步完善并推广应用，创造良好的经济、社会效益。

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