车载钻机给进托板失效分析及优化设计

邹祖杰

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

车载钻机主要用于水井、煤层气抽采孔、煤矿电缆孔、通风孔和应急救援孔的快速施工，近年来又拓展其用途于地热勘探孔钻进。我国从20世纪末开始引进国外全液压式车载钻机，经过近20年的发展，从完全依赖进口逐步实现了国产化。在此期间，国内涌现了多个车载钻机生产制造厂家并推出多款机型。中煤科工集团西安研究研究有限公司设计生产的ZMK系列车载钻机主要有ZMK5530TZJ60及ZMK5530TZJ100型2款产品[1-4]。

给进装置是车载钻机的主体部分，集成了动力头、卷扬等功能部件。给进托板导轨与给进装置下导轨面接触，旋转座与底盘支撑架铰接，两者需配合完成钻架立起、加压钻进、减压钻进、强力起拔、倒杆等工序，涵盖了钻进作业的整个过程。作为车载钻机受力最为复杂部件之一，给进托板的良好性能对保证钻机工作稳定性及安全性具有重要意义[5-7]。

1 工作原理及受力分析

给进托板工作原理图如图1。车载钻机工作过程中，斜撑油缸伸长推动给进装置绕托板旋转座与底盘支撑架铰接点旋转，完成立起工序；按孔口布局要求伸缩托板油缸可调整孔口装置距离地面的高度；钻机姿态调整完成后将给进托板用楔形销固定于底盘支撑架上，与斜撑油缸、底盘支撑架配合，稳固给进装置，保证钻进过程中的稳定性[8]。

给进托板受力示意图如图2。给进装置立起、下放过程运用了杠杆原理，立起时，给进装置重力为阻力，斜撑油缸推力为动力，下落时反之。立起初始状态下，阻力力臂与动力力臂比值最大（式(1)），阻力G为定值，故此时斜撑油缸作用于给进托板上的推力F为最大值。给进装置集成的机架、动力头、卷扬、液压大钳、孔口装置等部件总重m约35 t，即mg=3.5×105N。

图2 给进托板受力示意图

式中：F为斜撑油缸作用于给进托板上的推力；L1为推力的力距；m为给进装置总质量；L2为重心与F之间的距离。

对车载钻机三维模型进行计算，求得给进装置重心位置，L1=0.9 m，L2=3.63 m。根据式（1）可得F=1.76×106N。

2 失效形式

60 t车载钻机使用过程中，给进托板出现变形及导轨啃噬损伤的问题，给进装置立起和调整孔口高度时，托板油缸伸缩推动托板移动速度越来越慢，直至不动，托板调整功能失效。经现场检测：给进装置立起过程中，给进托板横向最大变形量约6 mm，纵向最大变形量约5 mm。

给进装置下导轨与给进托板导轨配合面损伤，托板左侧导轨划痕长度约1 000 mm，宽度约10 mm，深度约3 mm，断续不均匀，右侧导轨发现2处“凸”点，较大高点外形尺寸约为20 mm×10 mm×7 mm（长×宽×高），较小高点断续不均匀，长约600 mm。配合缝隙产生铁屑等夹渣，夹渣呈不规则颗粒状，最大直径可达4.2 mm。

3 失效分析

鉴于以上问题，根据给进托板受力与约束情况，利用Abaqus软件对其进行了有限元分析。60 t车载钻机给进托板Abaqus分析云图如图3。

图3 60 t车载钻机给进托板Abaqus分析云图

由分析结果可知：忽略个别应力集中点，60 t给进托板在工作过程中平均应力为239 MPa，处于正常范围；最大变形量3.5 mm，出现在斜撑油缸座、油缸座筋板及与底板焊接部位，向底板垂直方向凹陷，迫使托板四周向反方向翘起，因底板尺寸较大体现为横向和纵向变形放大。托板变形使导轨在运动时受力不均衡，加上给进装置下导轨与托板导轨均采用结构钢调质后精加工而成，硬度梯度小，且缺乏润滑，导致导轨面产生疲劳啃噬。啃噬形成的铁屑等夹渣，进一步造成导轨配合表面重复损伤，使托板运动阻力增大。

由此可见，给进托板失效主要原因有3点：①托板底板刚性不足及受力点布置不合理；②给进装置下导轨与托板导轨材料相近，硬度梯度小；③给进装置下导轨与托板导轨接触面缺乏润滑。

以上因素同时存在，相互影响，共同造成了给进托板失效。

4 优化设计

针对失效原因，对给进托板结构进行了优化设计,优化设计后的托板结构如图4。优化后托板受力和变形云图如图5。

将斜撑油缸支座向两侧平移，增大L尺寸，使斜撑油缸推力更均匀地作用于两侧导轨上，避免托板底板局部受力过大导致变形。同时，在底板背面焊接网格形筋板，提高托板纵向和横向的刚性，避免因局部变形导致托板周边位移放大，阻碍托板正常滑动。其次，将托板凹槽形导轨设计为可拆解结构，将导轨条用螺栓安装于托板底板上。增加了托板长度和导轨条宽度，进而扩大了给进装置导轨与托板导轨条的接触面积，减小因油缸推力及给进装置重力等对导轨接触平面的压强，减小导轨面疲劳破坏的几率。另外，托板导轨条采用Tri-Braze高强度耐磨钢板（硬度高、具备自润滑功能），给进装置下导轨材料和热处理工艺不变，拉开导轨接触面的硬度梯度，并加工油锯齿形储油槽，通过润滑油加注孔可定期对导轨接触平面进行强制润滑[9]。

图4 托板优化结构

图5 优化后托板受力和变形云图

5 试验验证

将优化设计后的给进托板结构用于100 t车载钻机上，并通过实钻试验对其性能进行了验证。试验地点位于晋煤集团寺河矿三盘区，瓦斯含量高，地层条件复杂，为充分验证钻机适应性，钻孔选址在盘区地层变化最大区域开展。该井采用三开钻进工艺，一开采用φ311 mm空气潜孔锤钻进，井深57.4 m，二开采用φ241.3 mmPDC钻头泥浆正循环钻进，井深801 m，三开采用φ171.5 mmPDC钻头泥浆正循环钻进，终孔深度1 675.39 m[10]。试验过程中，对给进托板性能进行了全程跟踪检测，检测结果表明：钻机从入场到开钻，直至完钻，给进托板纵向横向变形量均处于正常范围；托板导轨润滑到位，未出现啃噬损伤和夹渣等情况，托板运动顺畅。

6 结语

从60 t车载钻机使用过程中给进托板出现的问题出发，采用Abaqus软件分析，从理论上阐述了给进托板失效的3个主要影响因素：底板刚度不足及受力点布置不合理、导轨硬度梯度小、导轨基础面缺乏润滑。以上因素同时存在，相互影响，共同造成了60 t车载钻机给进托板失效。

通过有限元分析阐述失效原因，并作针对性优化设计,将优化设计后的给进托板用于100 t车载钻机上，通过现场试验进行了验证，为车载钻机系列化进程提供了技术支撑，证明了该方法的可行性。