矿用卡夹式打捞钻头及打捞工艺流程的分析.pdf

总第208期 2020年第8 期 机械管理幵发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 208 No.8, 2020 机械分析与设计 D0110.16525/j l4-1134/th.2020.08.047 矿用卡夹式打捞钻头及打捞工艺流程的分析 马明城 潞安集团漳村煤矿， 山 西 长 治 046031 摘 要 为促进煤矿钻头打捞工作的顺利进行， 基于常见打捞方法存在的主要技术缺陷， 分析一种卡夹式打捞 钻头， 具体介绍了该钻头的结构及工作原理， 并提出了具体的卡夹式打捞工艺流程， 总结了卡夹式打捞钻头卡 紧钻杆的条件， 以供打捞工作参考。 关键词 打 捞 钻 头 结 构 特 点 打 捞 工 艺 流 程 卡 紧 钻 杆 条 件 中图分类号TD712.6 文献标识码A 文章编号 1003-773X 202008-0110-03 1常见打捞技术缺陷 目前，矿井生产中所产生的断钻和卡埋钻问题， 其最常见的处理办法就是套铣打捞和丝锥造扣两种。 1 丝锥造口打捞方法。主要对孔中钻杆发生的 断落事故进行处理。 其流程为将孔中的非断落钻杆 进行退出， 之后再使用钻杆将丝锥传送到断落处， 适 当降低旋转及给进的速度，在钻杆断落部位来实施 套杆及造口。 这种方法的造扣流程较为复杂,常常需 要进行多次套杆造扣，极易导致丝锥出现滑丝或者 报废， 尤其是地质条件过于复杂的孔,其打捞难度较 大， 并且人员操作强度较大。 2 套铣打捞技术。主要用来对钻杆断落及卡埋 钻等事故进行处理。打捞钻杆需要借助孔内的钻杆 导向来将钻头捞出， 并传送到螺杆钻的弯头部位， 利 用钻头的内壁变径台阶来卡住螺杆钻的凸起部位， 借助螺杆钻自身所具有的作用力来捞出断落在孔内 的钻具。这项技术主要适用于上行孔、 近水平孔等， 并且在打捞的过程中需要对钻具凸起进行多次套捞 才可以完全卡住， 但是对于一些下行孔、 深孔等， 以 往的钻头无法依靠台阶构造来卡住螺杆钻具，尤其 是地质条件过于复杂的深孔， 其成功率较低[ 1 ] 。 2卡夹式打捞钻头的结构及特点 丝锥和套铣两种打捞方法都存在一定的缺点， 因此必须对原有的打捞模式及相应的工具进行改 善 ， 为此， 设计出了卡夹式打携钻头， 分别为挤压见 图 1和套铣见图2两种。 卡夹式打捞钻头的构成部位主要有弹簧座、 挡 销 、 钻头体等。 三片夹持卡瓦的表面设置了相应的咬 杆锯齿， 它们主要分布于钻头体的T型槽之内， 并沿 着其方向而进行自由滑动，其滑动产生的距离则经 过连接头的内部台阶及钻头体上方的挡销所控制， 收稿日期 2020-06-06 作者简介 马明城（ 1991 ,男， 本科， 毕业于河南理工大学安 全工程专业， 助理工程师， 研究方向为矿山安全。 1一连接接头;2弹簧座;3弹簧;4一夹持卡瓦;5挡销; 头体;7刀片 图 1挤压卡夹式打捞钻头结构 1 一连接接头;2弹簧座;3弹簧;4一夹持卡瓦;5 挡销； 6■钻头体;7刀片 图 2套铣卡夹式打捞钻头结构 最终到达的部位为连接头内部的台阶上，夹持卡瓦 呈现出张开的状态， 滑向挡销则呈现出夹持的状态。 弹簧在经过弹簧座之后向夹持卡瓦同时施加了一定 的推力， 使其处于常闭夹持状态 T型槽所保持的方 向应当与钻头体的轴线保持较小的夹角，在进入钻 杆之后， 卡瓦、 钻杆等就成为了一种斜契自锁装置， 确保孔内的断落杆保持一个牢固的夹持状态。钻头 体端部所配置的车辆存在一个导向斜面，在将断落 套杆成功套住之后，该钻杆将会沿着斜面逐渐滑到 卡瓦部位，并经过卡瓦端部的相关切面而对卡瓦产 生挤压， 对弹賛起到压缩作用， 促使卡瓦保持张开状 态 ， 断落钻杆在进入到钻头之后， 通过后拉或者停止 操作就可以锁住钻杆。刀片在经过银钎焊的作用之 后而固定于相应的刀槽之内，其主要用来清除孔内 存在的障碍，促使打捞钻头可以顺利进入到钻具的 2020年第8期马明城矿用卡夹式打捞钻头及打捞工艺流程的分析 111 ■ 断落部位。 两种打捞方法的关键区别在于连接接头的内壁 结构。 套铣卡夹式所配置的连接头， 其内孔的直径必 须要大于需要打捞的钻杆直径，保证其可以正常通 过钻头的内壁;而挤压卡夹式所配置的连接头， 其内 孔设置有挤压卡槽， 与断落钻杆相互交错而被卡住， 可以向断落钻杆传递相应的扭矩。 两种钻头所具备的相同特点如下 1 与钻杆形成接触的卡瓦表面车配置了单向锯 齿， 在将打捞钻头向后拉时， 卡瓦的锐齿将会在断落 钻杆部位产生一种咬痕，以提高钻杆及卡瓦之间的 摩擦系数， 卡瓦表面需要经过相应的硬化处理， 其硬 度保持为HRC55-60; 2 打捞钻头保持较大的夹持直径， 可以将一些 变形较为严重的断落钻杆进行套住； 3 弹簧可以利用弹簧座来将一定的力施加给卡 瓦， 促使卡瓦保持同步的夹持操作； 4 弹簧座上端配置一定的保护段， 不会对钻杆 产生较大的干扰； 5 T型槽部位相接触的表面呈现较高的光洁 度， 且摩擦系数相对较小； 6 打捞钻头的前端部位设计为喇叭口状， 套杆 较为光滑及顺畅； 7 打捞钻头的端部配置了切削刀片， 它可以有 效清除掉孔内的障碍， 保证孔内的畅通； 8 打携钻头在作用于钻杆的时候可以产生一种 单向斜契自锁， 将钻杆进行牢固夹持； 9 钻头有着十分精巧的结构， 且制造技术较为 简单， 成本较低。 3卡夹式打捞工艺 3 . 1 套铁卡夹式打捞工艺 在形成了卡埋钻事故之后，最常见的处理技术 就是“ 强力回转及起下钻” 或者使用套铣技术来进行 处理，但是对于定向轨迹的施工阶段所产生的断落 杆事故， 其大多采取套铣技术来捞出钻头， 一般需要 深入到钻具的尾端， 并且打捞的难度较大， 成功率较 低。 而采取以卡瓦夹持形式为基础的套铣技术， 有效 改善了卡劳难度较大的问题，该技术还可以将定向 钻孔出现的钻杆断落问题加以解决，图 3 所示为孔 内钻具采取的套铣技术。 套铣卡夹式打捞工艺处理过程为 1 采取管钳来将孔口部位的一根钻杆卸掉， 将 钻机上方的夹持器及卡盘进行更换。 2 配置打榜钻杆， 采取套铣方式来将钻头捞出， 并连接水辫，控制钻机来确保打捞钻杆可以将孔内 的钻杆进行套牢，并将钻头沿着孔内的钻杆传输到 打 捞 钻 杆 断 落 钻 杆 卡夹式打捞钻头 钻头 图 3孔内钻具套铣打捞示意图 钻杆断落部位， 然后停钻， 将给进及回转的速度适当 降低， 促使断落套杆取出， 在送入的时候同时也进行 了扫孔及铣孔等操作， 可将孔内障碍进行有效清除。 3 将打捞钻杆后拉， 在弹簧力及拉力的影响之 下将钻杆锁住。 4 将卡盘及卡瓦进行及时更换， 将断落杆向外 的可退钻杆进行退出。 5 将卡瓦进行更换， 通过打捞钻杆将断落杆拉出。 6 将卡夹式钻头取出， 实现打携操作。 3 . 2 挤压卡夹式打捞工艺 在产生了断落杆事故之后，与卡埋钻事故相对 比,卡夹式所采取的打捞技术存在一定的不同， 在打 捞钻头的时候挤压卡夹式技术所采用的打捞钻头会 随着钻头与钻杆内壁中的台阶形成挤压，其主要运 用于一般钻孔施工阶段所产生的断落杆事故。普通 钻孔存在简单的轨迹， 就如同一条直线， 并且孔的深 度较浅， 在产生断落杆事故的时候， 最常采取的方法 就是一般钻杆结合丝锥， 其不具备较高的成功率， 而 卡夹式则采取了常规的方法，利用卡夹式钻头来代 替丝锥。图 4 所示为孔内钻具挤压打捞的图示。 钻杆 卡夹式打榜钻头 图 4孔内钻具挤压打捞示意图 挤压卡夹式工艺处理过程为 1 将操作钻杆从孔内退出， 就可以将施工钻杆 退出。 2 采用施工钻杆来输送打捞钻头， 使其处于断 落部位。 3 适当降低给进及回转的速度， 促使打捞钻头 可以将断落杆的端部套住，断落钻杆可利用3 片卡 瓦夹住，断落钻杆的端部与钻头的内壁台阶相互交 错 ， 形成挤压。 4 将钻杆进行缓慢拉出， 此时， 由 3 片卡瓦来提 供相应的夹持轴向力，回转扭矩则是利用断落杆端 部与钻头内壁台阶之间形成的挤压力所形成的。 112* 机械管理幵发 jxglkfbjb 第3 5卷 钻 杆 弹 簧 夹 持 卡 瓦 钻 头 体 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 卡瓦与钻头体之间的摩擦系数,/, 图 6摩擦系数关系函数曲线 候 ，卡瓦与钻杆之间产生接触时的摩擦系数/2也会 越小， 即T型槽部位的接触面倾角、 摩擦系数及卡瓦 与钻杆间的合摩擦系数在达到某个要求的时候， 其 卡瓦的时候才可以产生自锁。 对上述因素进行综合考虑，当T型槽的接触面 保 持 6 、 摩擦系数为0.1的时候， 卡瓦咬合钻杆在 进行接触摩擦时， 其系数为0.2,在此前提之下所生 产出的打捞钻头可以实现自锁要求，同时也不会增 加成本[2 ] 〇 5结语 1 卡夹式打捞钻头在设计时采取了 3 瓣式夹 持 ， 其构造较为简单。 在对钻杆进行夹持的时候会产 生一种斜契自锁状态,具备较强的牢固性;钻头具备 较好的导向性， 在打捞时可保持顺畅;并且所夹持的 钻杆有着较大的直径范围。 2 与套铣与丝锥两种形式相比， 卡夹式技术在 操作时极大降低了难度，且减轻了操作人员的工作 强度。 3 当卡夹式打捞钻头的T型槽在其接触表面 呈现出的倾角为6 ,摩擦系数为0.1时， 该钻头在 夹持的时候可以实现自锁操作， 其所需成本也不会 提升。 参考文献 [ 1 ] 兰菲， 董昌乐， 吴智峰.卡瓦打捞筒在煤矿井下断钻事故处理中 的应用[J].煤矿安全,20202 33-35. [ 2 ] 徐树斌.煤矿井下定向钻具打捞工艺现状及改进设想[J].煤矿 机械,20192 44-46. 编 辑贾 娟 下转第I86页） 5 将断落杆拉出， 并取下打捞钻头， 实现打捞。 4卡夹式打捞钻头卡紧钻头的条件计算及分析 卡夹式打捞钻头是否可以成功套住断落杆， 并 将其措出，其关键在于卡瓦夹持单元是否可以在退 杆时产生自锁。 钻头体与钻杆相互连接， 其夹持的流 程为在将断落杆的端头套住之后， 并持续向内推， 在端部的反向挤压之下， 3 片卡瓦所配置的弹簧将 会张开，断落杆端面的部分杆体将会转入到卡瓦的 咬合部位;此时， 推杆停止， 在弹簧力的影响之下卡 瓦将会夹住钻杆， 并与钻头体组成一种自锁机构。 卡夹式打捞钻头处于夹持的状态之下，其受力 状况见图5,图中F,表示卡瓦与钻头相互接触面之 间的摩擦力，F2表示卡瓦与钻杆之间所形成的摩擦 力,表示退杆过程中向钻头施加的拉力， /V,表示T 型槽接触面部位钻头体向卡瓦所施加的正压力， /V2 表示钻杆施加给卡瓦的正压力，借助摩擦关系来对 卡瓦产生作用， 使其套住钻杆。 打捞钻头将钻杆进行夹紧的基本条件在向后 拉打捞钻头的时候是否可以与钻杆契紧而形成自 锁。 若自锁具备较强的效果， 其夹持也会越可靠， 即 F2N3N\sina-\-F\C〇sa F,yv/, . i f2n/2 式 中 和 / 2分别表示卡瓦与钻头体、 钻杆之间形成 的摩擦系数;为卡瓦与钻头体接触斜面与钻杆轴 线之间的夹角。 当卡瓦保持夹持状态时，其所具有的平衡条 件有 F2NlFiC〇saNlsma N2FisinaNiC〇sa 图 5 中所示yv3为弹簧向卡瓦所施加的弹簧力， 其主要作为在钻头卡瓦在闭合时的预紧力，因此并 不会对自锁的条件产生影响， 可以忽略。因此， 由式 1和式2得摩擦系数关系式为 /2/ ,tana ■⑶ l-/itana 根据式子3可计算出〇4。 、 8时的摩擦系 数， 并绘制出两者之间的关系曲线见图6。 由图6 可知， 若摩擦系数/,0.05， 则当a 分别为 4 和 8 时，/2分别为0.12和 0.19,因此， 当摩擦系 数/2的数值较小时， 其a就会越小， 在产生自锁的时 2 b/ i l s fl 186. 机械管理开发 jxglklbjb 第3 5卷 盘 ，需要通过圆锥减速箱的转化降低转速和提高力 矩 ， 再带动卷盘缠绕或释放电缆。 该磁滞式卷筒伴随 移动设备运动方向进行电缆收放，驱动电机通过调 整转动始终保证电缆张紧缠绕在卷筒上，当电缆随 设备拖动前行时联轴器内部磁盘与感应盘由于磁场 发生变化所产生磁场力矩的磁滞现象，使电缆呈现 张紧状态;而当电缆需要回收时， 联轴器受到回收向 回旋转收回电缆；并且该型卷筒可以调节联轴器内 部磁盘和感应盘间距进行力矩和张紧力调整，改造 完成后的电缆卷筒如图1所示[ ]。 图 1改造后电缆卷筒联轴装置实物图 3改造应用效果 1电缆卷筒由链式传动改变为磁滞式传动后， 联轴器结构更加紧凑、 性能稳定、 体积小， 便于安装 和调试。 驱动动力传递无需直接接触， 利用磁滞现象 进行力矩传动，卷筒根据移动设备需求调整旋转方 向， 随设备前行而正向收紧， 后退而反向收紧， 致使 卷筒中的电缆呈现恒定的张紧状态。可根据现场实 际情况对输出力矩进行调整，并且不需要通过制动 器进行设备制动。 2该门式天车活动电缆卷筒装置的成功改造， 极大地提高了该天车的使用效率， 提高了开机率， 改 造后至今未发生过一次卷筒事故，较原有装置每年 可节约维修时间100多个小时,间接经济效益明显； 按每年减少4 次活动电缆更换， 每 根 100 m， 可节约 活动电缆400余m, 电缆更换直接经济效益每年可 节约 400 m x 235 元 /m94 000 元。 参考文献 [ 1 ] 郑华.电磁感应式磁力联轴器设计及传动特性研究[D].合肥合 肥工业大学,2017. 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After comparing the different types of cable reel couplings, the magnetic hysteresis coupling was selected to improve the stability and safety of the reel. Key words active cable; hysteresis coupling; torque 上接第112页） Design and Process Analysis of Mine Clamping Salvage Bit Ma Mingcheng LiTan Group Zhangcun Coal Mine， Changzhi Shanxi 046031 Abstract In order to promote the smooth progress of the salvage work of coal mine bit, based on the main technical defects of common salvage s, a clip-type salvage bit is designed, the structure and working principle of the bit are introduced in detail, clip-type salvage process flow is put forward. The paper summarizes the conditions of clamping drill bit for fishing work. Key words salvage bit; structure; characteristics; salvage; technological process; conditions for clamping drill pipe