钻杆库

摘要：目前国内各种工程钻机在施工过程中，大多由人工操作完成钻

杆装卸，不仅效率低，而且对操作工的安全存在隐患。针对这种现状，提出了一种自动换杆的钻杆库设计方案，对其机械结构和液压统进行了设计，并详细介绍了其工序过程。它可同时携带6 根钻杆，由液压系统控制机械手装卸钻杆并自动换杆，效率高，安全性好。

关键词：工程钻机；自动换杆；钻杆库

1. 问题的提出

工程钻机是边坡支护、勘探取芯等岩土施工的重要设备。随着工程钻机的广泛应用，人们越来越关心钻机的工作效率、功耗以及安全性问题。工程钻机在钻进过程中，受钻杆长度的，需要不断地接装钻杆才能完成额定孔深的钻进；完成钻孔作业后，又需要不断的拆卸钻杆。目前多数工程钻机都是先由升降机下降或提升钻杆，经卡瓦卡紧工作钻杆下部后，由卷扬系统和工人来完成装卸钻杆任务。对于一些大型工程钻机，由于钻杆长而沉重，不宜搬运，需要几个工人共同合作才能完成换杆，这就需要很大的劳动强度，对于一些较重的钻杆还需另配备起重机械。这些都在很大程度上延长了钻孔作业时间，降低了施工效率。同时由于工程钻机的工作环境的，特别是在高位钻孔和向上倾斜钻孔过程中，人工装卸钻杆特别困难，工人在操作 过程中可能因为一时的疏忽酿成重大施工伤亡事故。因此，设计出一种效率高、安全性好的自动换杆系统就显得尤为重要。

2.钻杆库系统方案设计

结合目前工程钻机的发展现状，提出一套工程。钻机钻杆库系统设计方案。该钻杆库系统由机械部分和液压动作回路两大部分组成。其机械部分由钻杆库、机械手装置、钻杆库支架、以及钻杆库横梁等部分组成；其液压执行部分是在原钻机液压系统的基础上改造而成。 如图-1 所示，自动换杆功能是由钻杆库、机械手装置、摆杆机构、钻杆库转动机构及液压系统等几个部分协同动作来完成的。钻杆库，最多可存放6根钻杆（见图-2，具体存放数量可根据实际需要调节）。 通过钻杆库转动油缸推动棘轮机构进行钻杆库单向间歇转位，每次转动60º；由夹杆油缸控制机械手抓取或放下钻杆，并通过摆杆油缸将其送入钻架上方或由钻架上方送回钻杆库；通过钻机夹紧机构和钻机动力头回转马达完成钻杆的拧入或旋出。

图-1 钻杆库系统装配轴测图

1—钻机动力马达 2—左支架 3—机械手装置 4—横梁 5—卸杆油缸6—棘轮离合机构 7—钻杆库转动油缸 8—托箱 9—挡板油缸 10—钻杆库 11—钻架 12—右支架 13—摆杆油缸 14—横梁固定结构

非工作状态下钻杆库中的钻杆在挡板机构作用下使之处于安全保护状态，当需要更换钻杆时可以通过挡板油缸的伸缩控制挡板的闭合以释放钻杆。在钻架上设置了钻杆导向器，在钻机钻进时可对长钻杆起导向作用。若机械手在夹持钻杆过程中发生意外，导向器可起阻挡作用，使钻杆不至掉落到地面，从而避免事故的发生。

2.1 钻杆库的结构组成

钻杆库为半封闭式结构（见图-1和图-2），由挡板机构、棘轮机构、离合机构、摩擦片、组合转轴、托箱等部分组成。整个钻杆库由托箱支撑，通过焊接的方式依托于钻架侧部，可携带6根钻杆。钻杆库转动油缸下端铰接于钻架下部，上端与钻杆库支撑轴铰接。棘轮机构由棘轮、止动爪、拉伸弹簧等组成，与离合机构同时以钻杆库支撑轴为中心。整个钻杆库通过钻杆库转动油缸、棘轮机构、离合机构等进行单向间歇转位，经固定于钻杆库支撑轴上的星形轮带动库中钻杆进行间歇转位。正确地设计各机构参数，可使钻杆库转动油缸每伸缩一次，钻杆库转位60º。钻杆库半封闭托箱上设置了由挡板和挡板油缸组成的挡板机构，使钻杆库中非工作钻杆处于安全保护状态，在需要更换钻杆时通过挡板油缸的作用打开挡板来释放钻杆。

2.2 机械手装置、支架与横梁

钻杆库上方有两个机械手装置。该装置分别用螺栓与钻杆库横梁联接。横梁的两端分别插入钻杆库支架配合孔中，其与支架配合孔为间隙配合，能自由转动。横梁两端接近边缘处均设有注油孔，定期加注润滑油，减少摩擦。钻杆库左、右支架采用45钢板以焊接方式固定于

钻架侧部。摆杆油缸上端与钻杆库横梁上的固定突出结构铰接在一起（ 见图-1），处在横梁与右支架联接处内测；摆杆油缸下端与右支架底端的油缸支座铰接。控制摆杆油缸的伸缩即可实现整个钻杆库横梁的摆动。正确设定横梁固定结构及液压缸的行程参数，可达到将横梁上机械手装置带动到正确工作位置的目的（见图-2）。

机械手装置内有夹杆油缸、2 个卡爪和2 根连杆（见图-2）。卡爪与夹杆油缸通过销轴Ⅲ铰接，销轴Ⅲ可以沿机械手装置箱体上的导槽往复直线运动。两连杆上端与卡爪通过销轴Ⅱ分别铰接在一起；销轴Ⅱ可以在箱体内上下移动。两连杆下端通过销轴Ⅰ铰接。销轴Ⅰ固定于装置箱体上，连杆可以绕销轴Ⅰ自由转动。当夹杆油缸动作时，在销轴Ⅰ、销轴Ⅱ、销轴Ⅲ、卡瓜和连杆的共同作用下，卡瓜下端就会夹紧或松开。钻杆的抓取、释放均由机械手完成。

图-2 机械手夹杆原理

1—钻架 2—主钻杆 3—夹杆油缸 4—机械手 5—销轴6—连杆

7—销轴 8—卡爪9—销轴 10—副钻杆 11—托箱

2.3 钻杆库液压部分设计

机械部分必须在液压缸的驱动下才能完成相应的动作。本系统的液压执行部分是在钻机原液压系统的基础上加以局部改进而形成的。由于钻杆库系统在运行过程中所需的功率不大，且在换杆期间，钻 机不进行钻进工作，故液压系统的局部改进对原系统来说影响不大。 钻杆库系统液压执行部分共涉及4个液压动作回路，依次是挡板动作、摆杆动作、机械手夹杆动作、钻杆库转动。经过理论计算和试验，得出机械手夹杆油缸和挡板油缸所需油压在6Mpa左右，而摆杆油缸和钻杆库转动油缸所需油压为18Mpa。钻机液压系统的主液压泵额定工作压力为25 Mpa，控制油齿轮泵额定工作压力为15 Mpa，故在设计时采用分开供油的方式，即钻机控制油齿轮泵供油机械手夹杆油缸和挡板油缸，钻机主液压泵供油摆杆油缸和钻杆库转动油缸。这样不仅可以满足各个执行器的压力需求，而且可更好地利用钻机系统原有资源，达到了节省成本的目的。在设计时，液压缸的选型很关键。钻杆库的转位、机械手的夹紧、横梁的摆幅大小都要求做到有一定的准确度，如果设计考虑不周全，造成各机构到位不够准确，就有可能会出现机械手夹不紧、放不下等情况，因此在设计的时候一定要把机械结构设计与液压缸的行程等参数结合起来考虑。该系统在设计时采用了三维设计软件进行模拟装配仿真，这样不仅可以发现设计忽略的问题，还可以缩短设计周期，保证设计质量。

执行机构液压油路如图-3 所示。

图-3 钻杆库系统液压部分

1—主泵供油 2—齿轮泵供油 3—双向液压锁 4—钻杆库转动油缸 5—摆杆油缸 6—夹杆油缸 7—挡板油缸8—液控阀 9—电磁阀 由于摆杆油缸和钻杆库转动油缸工作压力较高，故设计时采用先导油经电磁阀控制三位六通液动换向阀换向的设计思路，而机械手夹杆油缸和挡板油缸则直接由电磁换向阀控制换向。该液压部分并不复杂，各回路单独动作，具体情况在此不赘述。

3．钻杆库动作步骤

在钻机施工过程中，只需简单操作控制面板上的电开关，就可通过上述钻杆库机械部分和液压执行部分的共同作用，完成钻机的自动装卸钻杆任务。

3.1钻杆出钻杆库动作顺序

（1）钻杆库挡板油缸动作，打开挡板。

（2）机械手夹杆油缸动作，将机械手伸出以便从钻杆库中夹紧钻杆。 （3）摆杆油缸动作，将机械手装置摆至钻架上方。

（4）钻机推进马达浮动，钻机动力头回转马达缓慢正转直到全部接螺纹旋入钻杆为止。

（5）机械手夹杆油缸动作，将机械手缩回，放开钻杆。 （6）摆杆油缸动作，将机械手装置摆回至钻杆库上方。 （7）挡板油缸动作，关闭挡板。

（8）如要继续接钻杆，则令钻杆库转动油缸动作，将下一根钻杆转到正确位置。

3.2钻杆进钻杆库动作顺序

要想卸下钻杆，并将其送入钻杆库中，则只需将上述钻杆出钻杆库操作反顺序进行即可，在此不再赘述。

4.小, 结

本文就工程钻机在施工过程中遇到的换杆难、换杆时间长等问题给出了钻杆库系统的实现方案，就自动换杆原理做了充分的说明，并对液压系统做了简单的介绍。该系统在工程钻机改造升级的过程中得到了很好的验证。目前已经成功地应用于全液压锚固钻机的钻杆库升级项目当中，在实际施工应用过程中反映良好，比改造前可节约一半的换杆时间，同时降低了工人劳动强度，大大提高了钻机的施工效率。