同步分流马达在声频环保钻机夹持器中的应用

张福海， 吴 浩,2， 田英材， 牛军辉， 赵晓冬， 李向东

(1.中国煤炭地质总局第二勘探局，河北涿州 072750； 2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

0 引言

生态环境地质调查工作需要准确获取地层样品信息，对环境取样钻机提出了更高要求。声频环保钻机具有无需泥浆钻进、取样质量高、取样直径大、钻进速度快的特点，在污染场地调查、环境监测井、尾矿库勘察和工程勘察等领域中得到了广泛应用[1-5]。

声频环保钻机桅杆下部装有双层液压夹持器，它由上层夹持器、下层夹持器和卸扣组件构成，用于钻杆的夹持和拧卸作业，能够节省人力，提高作业效率(图1)[6-8]。

1-卸扣组件；2-上层夹持器；3-下层夹持器；4-V形卡爪

1 夹持器的液压V形卡爪动作不同步现象与危害

目前，声频环保钻机在钻进过程中，夹持器需要频繁夹持、拧卸钻杆。由于夹持器左、右油缸及液压V形卡爪在制造、工作运行等环节中存在摩擦阻力差异，导致左、右夹持油缸的油压和流量不同，进而出现夹持器左、右油缸和V形卡爪的推出速度不同，速度快的夹块会将钻杆推向速度慢的卡爪一侧，产生以下不利后果[9-12]：

1)造成钻杆损伤。多次夹持，将钻杆反复推靠到一侧，容易造成钻杆的疲劳，严重时导致钻杆断裂。上下连接的钻具需要同心，现有夹持器不能同步伸缩加紧，给钻杆带来了侧向交变弯曲力，钻杆螺纹造成部分连接处出现真空，增大了数倍的摩擦力，直接损伤牙型压力角接触面，增加了螺纹磨损程度，缩短了使用寿命。

2)破坏动力头。当动力头主轴接头与偏向一侧的钻杆联接时，容易造成动力头主轴与钻杆接头之间发生偏斜，进而造成主轴接头螺纹的损坏。

3)造成孔斜。弯曲的钻杆容易导致孔斜，影响激振力向深部传递，降低了孔底的激振力。

4)降低钻探效率。夹持器出现不同步时，需要借助垫叉进行调整，增加了辅助时间，延长了钻杆的装卸速度，降低了钻探效率。

2 同步分流马达在夹持器上的应用

将V形卡爪从夹持器中拆出，发现左侧V形卡爪的加工精度高且轨道光滑，右侧卡爪的加工精度低且轨道粗糙，初步判断以为左右两侧的加工精度和轨道粗糙度的差异导致V形卡爪的推出速度差异。于是将右侧V形卡爪和轨道进行加工，保证与左侧V形卡爪和轨道的精度一致后，重新安装复位后，发现左、右两侧V形卡爪的推出速度仍然存在很大差异，可见改造机械结构难以实现V形卡爪推出速度的一致。经多方调研，采用液压同步分流马达方案来实现夹持同步[13-16]。

2.1 结构与原理

某科技公司生产了一种2FDF06L型双联液压同步分流马达，由马达、溢流阀和单向阀组成，结构及外形尺寸见图2。

图2 同步分流马达

2.2 安装

双联同步分流马达具有1个进油口、2个出油口和1个回油口，同步分流马达与夹持器油缸的管路连接方式：换向阀的出油口通过液压管路依次连接液压锁和同步分流马达的进油口，同步分流马达的两个出油口通过液压管路分别与夹持器右油缸的无杆腔和夹持器左油缸的无杆腔相连；夹持器左油缸的有杆腔及夹持器右油缸的有杆腔的出油口通过液压管路依次与液压锁及换向阀的回油口相连(图3)。

1-换向阀；2-液压锁；3-同步分流马达；4.1-夹持器右油缸；4.2-夹持器左油缸；5.1-左V形卡爪；5.2-右V形卡爪

2.3 效果测试

对安装同步分流马达前后的钻机夹持器V形卡爪推出速度进行了测量，数据见表1。

由表1可以看出：安装同步分流马达后，双层夹持器左、右V形卡爪的推出速度差明显减少，上层夹持器V形卡爪的推出速度差降幅为92%，下层夹持器V形卡爪的推出速度差降幅为79%，夹持的同步效果明显改善。

表1 夹持器V形卡爪推出速度对比

3 工程应用

2021年6月，声频环保钻机在陕北黄土高原某场地开展了取样项目施工，地层自上而下依次为粉土、粉质黏土、黏质粉土、黏土、粉土。交替采用108mm和89mm半合管钻具进行取样，获取了地层原状样品。钻机夹持器V形卡爪在加装了同步机构后，应用效果如下。

1)钻杆连接过程中，上、下钻杆的同轴度得到明显提高，同轴偏移距由30mm变为10mm，节约了加装钻杆的时间，提高了钻探效率。

2)由于上、下钻杆间同轴度的提高，降低了主轴螺纹的磨损程度，螺纹磨损数减少2/3，提高了主轴的使用寿命，降低了钻探成本，提高了钻探经济效益。

3)在10MPa给进压力下静压进尺1.5m，经检测，孔点、孔斜无偏差。沿着已有钻孔轨迹，采用声频振动钻进工艺，每回次进尺1.5m深，累计钻进30m深，均未出现孔斜，孔斜率较安装同步分流马达前减少了80%。

4 结语

声频环保钻机是开展生态环境地质调查和工程勘察的一种先进勘探装备，能够获取高质量的原状地层样品，钻机现有夹持器V形卡爪存在不同步现象，容易造成钻杆损坏和孔斜，通过采用同步分流马达，大幅提高了钻机夹持器V形卡爪的同步效果，经工程验证，明显减少了钻具磨损，提高了钻探效率和经济效益，该项技术改进可为相关钻机夹持器的改进提供有益参考。