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上世纪80年代中期，全国有数十家煤田地质勘探队装备了原煤炭部石家庄机械厂参照日本同类产品研制的TK-3型液压立轴岩芯钻机，并以此机型作为主要的钻探设备，运用于煤炭地质钻探金刚石钻进、绳索取芯技术新工艺的试验。但在使用中发现，该机型的液压卡盘及操纵机构，操作稍有不当，极易产生液压卡盘失灵、卡死主动钻杆的故障，且现场难以修复，必须更换设备才能恢复生产。即使是技术相当熟练的操作人员也难以避免。由于事故频繁发生，严重影响了钻探施工效率的提高和施工安全。因此，大多数煤田地质勘探队因该机型存在的上述问题而弃置不用，造成巨大的浪费，甚至中止了金刚石钻进、绳索取芯技术新工艺的推广应用。如何解决这一技术难题，重新启用TK-3型钻机，我局组织技术攻关，提出了两套改造方案。
一、故障分析
1、故障产生及状况
TK-3型钻机在进行变速、取芯、倒杆、加接钻杆等操作时都必须停车。此时，当立轴转动未完全停稳时，如操作液压卡盘，瞬间即发生主动钻杆被液压卡盘的卡瓦卡死的故障。要恢复回转功能，只有松开回转器顶部压套，取下蝶形弹簧才能松开卡瓦。但此时因蝶形弹簧被压缩，其压力为374．78KN，该压力通过卡瓦导向座的斜面而产生增力，作用在卡瓦的径向卡紧力约500KN左右。如此巨大的压力，在现场是无法处理的，只有拆下回转器，连同6米多长的主动钻杆，运回队部机修车间用专用机械才能修理。由此，既增加了修理难度、造成安全隐患、拖延工期还导致生产成本上升。
2、故障原因分析
由回转器结构及工作原理可知，当钻机停止钻进，液压卡盘内卡瓦与六方钻杆侧面保持一定间隙，此时若离合器带车或其它原因使立轴转动，立轴带动卡盘体、卡瓦同时转动，即使只转过很小的角度 (小于30°)，卡瓦也会在极短的时间内与六方钻杆最大外径接触，钻杆棱边紧紧顶住并推动卡瓦，卡瓦被迫偏离正常的工作位置位移，卡瓦的斜面再推动导向座上升，使导向座超出正常高度而离开卡盘油缸的控制范围，导致液压卡盘失效。而导向座上升又迫使蝶形弹簧进一步压缩，在蝶形弹簧的巨大强力作用下，卡瓦咬死钻杆，此时液压卡盘已失效，操作液压卡盘已不能使卡瓦动作。
根据以上过程分析表明，故障的根本原因在于：卡瓦与六方钻杆的平面位置不能相对固定并同步转动，一旦卡瓦与钻杆平面错位，故障即发生，且时间极短暂，假定立轴每秒仅转动一圈，那么相对钻杆转动30°角度仅十二分之一秒。根据测算，仅需转动12°30′，钻杆就能完全被挤死，其时间小于十二分之一秒，操作人员措手不及。TK-3型钻机的使用说明书要求：“松紧卡盘时，立轴必须停止运转”。由此可见，发生此类故障，人为的误操作仅是外因，内因是该设备客观存在事故隐患。因此，要杜绝此类事故，只能消除设备内部存在的缺陷，才能实现本质安全。
二、改进措施
方案A：根据回转器结构及工作原理，只要确保立轴与主动钻杆同步转动，故障就不会发生。采取的措施是：在卡盘体与钻杆之间加一个内六方固定套，六方套与卡盘以花键配合，钻杆通过内六方套，三者形成一个整体，实现同步转动。原卡盘体底部内圆为一组内花键，花键上方有约80mm的空间，按原花键的几何尺寸向上延伸，与六方套外圆的花键配合，利用该空间即可装配内六方套。六方套材料为45#钢，经调质处理，硬度达32度。
方案B：根据原地质矿产部探矿机械厂生产的XY-5型钻机立轴回转器的工作原理，即在立轴上部装有油压卡盘，上卡盘油压活塞上下移动，通过托架带动齿条上下移动，再通过卡瓦座实现卡瓦的径向移动，从而实现卡紧钻杆或松开钻杆的目的。采用整体XY-5型钻机的立轴头换下TK-3型钻机蝶形弹簧的回转器。在改造中应注意：
2、把TK-3型钻机活塞轴采用焊接方式，改变成阶梯轴，实现TK—3型钻机两个油缸活塞阶梯轴与XY-5型钻机横梁螺栓联接一体。
3、改变分配阀油路，原TK-3型钻机的卡盘上下腔油管分别与XY-5型钻机的两个卡盘油缸上下腔油管联接。
三、技术改造试验效果
1、方案A试验效果
(1)用方案1改进后的TK，3型钻机通过车间空载试车成功。
(2)野外现场钻进验证，施工了两个钻孔，经质量验收均为特级孔。终孔深度分别为690．09米、567，72米。但施工中当钻杆在高速回转时，如果立轴垂直度较差，在钻杆离心力加上孔内其他力的作用下，钻杆极易产生剧烈摆动，此时钻杆连接立轴并带动卡瓦使整个卡盘体摆动，造成卡盘体底部与固定圈的联接紧固螺栓被反复拉动而滑丝，个别螺栓甚至被拉断，使卡盘体与固定圈分离。此时操作卡盘欲松开卡瓦时，油缸不是推动导向座向上，而是推动整个卡盘向上位移，因而使卡瓦打不开。说明改进后虽然未频繁发生故障，但仍存在一定的缺陷。可进一步将12个螺栓由原直径为10mm加大至12mm，并采用机械强度较高的机床专用内六角螺栓，在立轴下端加装一个内六方定位套，用以限制钻杆的摆动。
2、方案B试验效果
(1)用方案2改进后的TK-3型钻机通过车间空载试车成功。
(2)野外现场钻进验证，在不同的三个矿区施工六个钻孔，终孔深度分别为918．3米、602．93米、257米、386.86米、527.82米、593．72米，经质量验收均为特、甲级孔。完全符合金刚石钻进、绳索取芯钻探工艺技术要求。
四、结束语
通过对两个改造方案实际施工对比，证实两个方案都是可行的，但方案?改进效果比方案1更理想。且具有技术改造简单易行、成本底的优点，盘活了多年闲置的固定资产，发挥出较好的经济效益。
一、故障分析
1、故障产生及状况
TK-3型钻机在进行变速、取芯、倒杆、加接钻杆等操作时都必须停车。此时，当立轴转动未完全停稳时，如操作液压卡盘，瞬间即发生主动钻杆被液压卡盘的卡瓦卡死的故障。要恢复回转功能，只有松开回转器顶部压套，取下蝶形弹簧才能松开卡瓦。但此时因蝶形弹簧被压缩，其压力为374．78KN，该压力通过卡瓦导向座的斜面而产生增力，作用在卡瓦的径向卡紧力约500KN左右。如此巨大的压力，在现场是无法处理的，只有拆下回转器，连同6米多长的主动钻杆，运回队部机修车间用专用机械才能修理。由此，既增加了修理难度、造成安全隐患、拖延工期还导致生产成本上升。
2、故障原因分析
由回转器结构及工作原理可知，当钻机停止钻进，液压卡盘内卡瓦与六方钻杆侧面保持一定间隙，此时若离合器带车或其它原因使立轴转动，立轴带动卡盘体、卡瓦同时转动，即使只转过很小的角度 (小于30°)，卡瓦也会在极短的时间内与六方钻杆最大外径接触，钻杆棱边紧紧顶住并推动卡瓦，卡瓦被迫偏离正常的工作位置位移，卡瓦的斜面再推动导向座上升，使导向座超出正常高度而离开卡盘油缸的控制范围，导致液压卡盘失效。而导向座上升又迫使蝶形弹簧进一步压缩，在蝶形弹簧的巨大强力作用下，卡瓦咬死钻杆，此时液压卡盘已失效，操作液压卡盘已不能使卡瓦动作。
根据以上过程分析表明，故障的根本原因在于：卡瓦与六方钻杆的平面位置不能相对固定并同步转动，一旦卡瓦与钻杆平面错位，故障即发生，且时间极短暂，假定立轴每秒仅转动一圈，那么相对钻杆转动30°角度仅十二分之一秒。根据测算，仅需转动12°30′，钻杆就能完全被挤死，其时间小于十二分之一秒，操作人员措手不及。TK-3型钻机的使用说明书要求：“松紧卡盘时，立轴必须停止运转”。由此可见，发生此类故障，人为的误操作仅是外因，内因是该设备客观存在事故隐患。因此，要杜绝此类事故，只能消除设备内部存在的缺陷，才能实现本质安全。
二、改进措施
方案A：根据回转器结构及工作原理，只要确保立轴与主动钻杆同步转动，故障就不会发生。采取的措施是：在卡盘体与钻杆之间加一个内六方固定套，六方套与卡盘以花键配合，钻杆通过内六方套，三者形成一个整体，实现同步转动。原卡盘体底部内圆为一组内花键，花键上方有约80mm的空间，按原花键的几何尺寸向上延伸，与六方套外圆的花键配合，利用该空间即可装配内六方套。六方套材料为45#钢，经调质处理，硬度达32度。
方案B：根据原地质矿产部探矿机械厂生产的XY-5型钻机立轴回转器的工作原理，即在立轴上部装有油压卡盘，上卡盘油压活塞上下移动，通过托架带动齿条上下移动，再通过卡瓦座实现卡瓦的径向移动，从而实现卡紧钻杆或松开钻杆的目的。采用整体XY-5型钻机的立轴头换下TK-3型钻机蝶形弹簧的回转器。在改造中应注意：
2、把TK-3型钻机活塞轴采用焊接方式，改变成阶梯轴，实现TK—3型钻机两个油缸活塞阶梯轴与XY-5型钻机横梁螺栓联接一体。
3、改变分配阀油路，原TK-3型钻机的卡盘上下腔油管分别与XY-5型钻机的两个卡盘油缸上下腔油管联接。
三、技术改造试验效果
1、方案A试验效果
(1)用方案1改进后的TK，3型钻机通过车间空载试车成功。
(2)野外现场钻进验证，施工了两个钻孔，经质量验收均为特级孔。终孔深度分别为690．09米、567，72米。但施工中当钻杆在高速回转时，如果立轴垂直度较差，在钻杆离心力加上孔内其他力的作用下，钻杆极易产生剧烈摆动，此时钻杆连接立轴并带动卡瓦使整个卡盘体摆动，造成卡盘体底部与固定圈的联接紧固螺栓被反复拉动而滑丝，个别螺栓甚至被拉断，使卡盘体与固定圈分离。此时操作卡盘欲松开卡瓦时，油缸不是推动导向座向上，而是推动整个卡盘向上位移，因而使卡瓦打不开。说明改进后虽然未频繁发生故障，但仍存在一定的缺陷。可进一步将12个螺栓由原直径为10mm加大至12mm，并采用机械强度较高的机床专用内六角螺栓，在立轴下端加装一个内六方定位套，用以限制钻杆的摆动。
2、方案B试验效果
(1)用方案2改进后的TK-3型钻机通过车间空载试车成功。
(2)野外现场钻进验证，在不同的三个矿区施工六个钻孔，终孔深度分别为918．3米、602．93米、257米、386.86米、527.82米、593．72米，经质量验收均为特、甲级孔。完全符合金刚石钻进、绳索取芯钻探工艺技术要求。
四、结束语
通过对两个改造方案实际施工对比，证实两个方案都是可行的，但方案?改进效果比方案1更理想。且具有技术改造简单易行、成本底的优点，盘活了多年闲置的固定资产，发挥出较好的经济效益。