高明帥，沈懷浦，臧臣坤，張雅石，何磊，郝杰

(中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

目前綠色地質(zhì)勘探是我國地質(zhì)找礦事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。特別是難進(jìn)入地區(qū)勘探面臨設(shè)備搬運(yùn)困難、修路難、設(shè)備安裝難、井場布置平整難、設(shè)備成本高、運(yùn)營成本高等困局。

源自加拿大的便攜鉆探設(shè)備及其配套的工藝、鉆具很好的打破了困局，成為目前國內(nèi)快速、安全、經(jīng)濟(jì)的商業(yè)勘探模式之一。受其影響國內(nèi)外關(guān)于便攜式鉆機(jī)取樣技術(shù)也快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于地質(zhì)與工程勘查中，目前滿地寶，普華英工AMMECO，凱瑞克Hydracore，英格爾EGR，徐工凱地、四川諾克等公司都已經(jīng)研制出一系列的便攜式機(jī)型，產(chǎn)品覆蓋200～800 m地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域[1-4]。

為了大力推進(jìn)便攜式鉆機(jī)的技術(shù)發(fā)展及更好的服務(wù)國內(nèi)地質(zhì)勘探更快速、更安全、更經(jīng)濟(jì)的需求，中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司所屬的中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院自主研發(fā)了XD800/600/400系列便攜式巖心鉆機(jī)以及用于工程勘查的XD200G型便攜鉆機(jī)。本文將重點(diǎn)介紹XD-800型便攜鉆機(jī)的功能參數(shù)及動(dòng)力匹配，并簡要介紹部分功能模塊的特點(diǎn)及廠內(nèi)和生產(chǎn)試驗(yàn)情況。

1 總體設(shè)計(jì)及功能參數(shù)

1.1 總體設(shè)計(jì)

XD-800型便攜式全液壓巖心鉆機(jī)使用3臺日本久保田33 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)BTW口徑800 m(NTW口徑600 m)鉆探能力。該鉆機(jī)的主要特點(diǎn)是：主要部件使用鋁合金材料，模塊化設(shè)計(jì)；進(jìn)場快，不用修路無需基礎(chǔ)工程，節(jié)約輔助時(shí)間及成本；移位快，進(jìn)尺快。

XD-800型鉆機(jī)鉆進(jìn)90°孔時(shí)高度約5 m，也可以配備更高的桅桿用于提升不同規(guī)格尺寸巖心管；整個(gè)鉆機(jī)可以鉆進(jìn)45°～90°之間任意角度，通過撐桿固定支撐使鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中保持穩(wěn)定，見圖1。

動(dòng)力頭隨著給進(jìn)油缸可以沿著主桅桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和起下鉆作業(yè)。整個(gè)鉆機(jī)井場布置如圖2所示，共由16個(gè)功能部件組成，其中質(zhì)量最大的部件為柴油機(jī)模塊180 kg，可更好地實(shí)現(xiàn)快速搬遷和運(yùn)移。

圖1 XD-800便攜鉆機(jī)主機(jī)桅桿90°和45°工況示意

1.桅桿，2.動(dòng)力頭，3.動(dòng)力頭滑架，4.背鉗夾持器，5.底座，6.繩索絞車，7.給進(jìn)油缸，8.撐桿，9.操縱臺，10.發(fā)動(dòng)機(jī)總成，11.發(fā)動(dòng)機(jī)總成(串泵)，12.液壓油箱，13.燃油箱，14.液壓操控系統(tǒng)，15.電氣操控系統(tǒng)，16.泥漿泵，17.攪拌器，18.水泵圖2 XD-800便攜鉆機(jī)主要模塊示意圖

1.2 功能參數(shù)

鉆機(jī)使用3臺柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺排量為28 mL/r液壓泵和一臺30.5 mL/r和3.1 mL/r的液壓串泵，經(jīng)過合流后可實(shí)現(xiàn)80～230 L/min的流量，再經(jīng)過液壓閥塊的分流分別供給回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、絞車和泥漿泵。鉆機(jī)的主要性能參數(shù)詳見表1。

針對市場上現(xiàn)有的便攜鉆機(jī)產(chǎn)品在使用過程中暴露出的工藝不匹配性，我們對XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機(jī)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)。首先采用雙速動(dòng)力頭可滿足金剛石鉆進(jìn)的最高轉(zhuǎn)速1500 r/min，同時(shí)特有的雙速裝置可以實(shí)現(xiàn)最大回轉(zhuǎn)扭矩1528 N·m，可以很好地解決鉆具遇卡及鉆具擰卸問題。針對很多便攜鉆機(jī)操作者的反饋，當(dāng)鉆深超過一定深度后會出現(xiàn)背鉗夾持力不夠?qū)е裸@具下滑。而XD-800型鉆機(jī)采用雙油缸對夾的方式進(jìn)行夾持，通過配備兩種不同弧度和齒型的卡瓦，可調(diào)節(jié)有效夾持面積進(jìn)而改變夾持力大小。在此改進(jìn)的基礎(chǔ)上還配備有自重型木馬夾持器，XD-800型鉆機(jī)的背鉗可承受比其他形式鉆機(jī)背鉗更大的軸向載荷，同時(shí)木馬夾持器可以在深孔鉆進(jìn)時(shí)更有效的防止鉆具打滑下溜的問題。

表1 XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機(jī)性能參數(shù)表

2 廠內(nèi)測試試驗(yàn)

2.1 動(dòng)力頭運(yùn)行測試

對于全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，其運(yùn)行溫度是關(guān)乎設(shè)備能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要考核指標(biāo)?；剞D(zhuǎn)部件的運(yùn)行溫度受到轉(zhuǎn)速、承載、潤滑方式、散熱等情況的影響也各有不同，所有設(shè)備在出廠前都會進(jìn)行空載或加載溫升測試，檢測是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

XD-800型全液壓便攜式鉆機(jī)屬于新產(chǎn)品，利用廠內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備和條件先后對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性測試，針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果對部分機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在出廠前又通過測試驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。表2是動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速在1060 r/min下采用與傳統(tǒng)水龍頭相同密封形式(V型夾織物密封圈)狀態(tài)下測得的隨著運(yùn)行時(shí)間變化各部分溫度變化。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)整理可得如圖3所示的曲線。

表2 高速齒輪馬達(dá)變速箱直傳各部件空載運(yùn)行溫度測試

圖3 高速齒輪馬達(dá)變速箱直傳各部件空載運(yùn)行溫度曲線

通過圖3的曲線可以看出，首先液壓油溫度在運(yùn)行30 min左右基本趨于平穩(wěn)，說明獨(dú)立的水冷散熱系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)溫升的控制是有效的；其次水龍頭上下位置存在溫差是由特有的動(dòng)力頭泥漿循環(huán)通道結(jié)構(gòu)帶來的，水龍頭上位與動(dòng)力頭軸承距離較近所以其溫度變化趨勢相近，但都處于軸承和密封件的工作溫度內(nèi)，屬于正常溫升。圖3中變速箱的溫度曲線波動(dòng)筆者認(rèn)為是由于在前期變速箱內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)和潤滑油的攪動(dòng)沒有達(dá)到熱平衡，當(dāng)運(yùn)行一小時(shí)以后趨于平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到溫升的穩(wěn)定區(qū)。

在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)行了另外一組采用小排量高速擺線馬達(dá)不經(jīng)過變速箱直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭以700 r/min回轉(zhuǎn)時(shí)對動(dòng)力頭的主要承載部件溫升測試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表3中，將表3數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可以得到圖4所示的曲線。

由表3和圖4可見，動(dòng)力頭在運(yùn)行45 min后，軸承溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度70℃，處于軸承正常工作溫度區(qū)間，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 高速擺線馬達(dá)直驅(qū)動(dòng)力頭溫升數(shù)據(jù)表

圖4 動(dòng)力頭空載溫度測試曲線圖

2.2 帶排繩的繩索打撈絞車

傳統(tǒng)地質(zhì)巖心打撈絞車存在亂繩、壓繩、跳繩等問題，主要原因在于打撈絞車鋼絲繩直徑小，自排繩效果差。同時(shí)在下放鉆具時(shí)多采用無動(dòng)力下放，由于重力原因使?jié)L筒回轉(zhuǎn)速度逐漸加大，快速的回轉(zhuǎn)就要求鋼絲繩快速的下放。XD-800型全液壓便攜式鉆機(jī)采用了一種新型的排繩器，排繩器可以對排繩速度和排繩方向進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，此外還可以實(shí)現(xiàn)在下放鉆具不需要排繩時(shí)完全放開排繩器，讓滾筒快速運(yùn)行不受排繩器的影響。通過絞車支座上的圓周把合孔可以調(diào)節(jié)排繩器的扶繩方向，方便調(diào)節(jié)鉆機(jī)在進(jìn)行各種角度鉆孔時(shí)絞車—導(dǎo)輪—鵝頭之間的鋼絲繩夾角，組裝后的帶排繩裝置的絞車如圖5所示，通過現(xiàn)場試鉆實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其排繩效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖5 安裝排繩器的打撈絞車

2.3 下置式水龍頭

圖6和圖7為XD-800便攜式全液壓巖心鉆機(jī)配備的兩種不同結(jié)構(gòu)型式的下置式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖，由于兩種結(jié)構(gòu)不同，使用操作也有不同。圖6所示的結(jié)構(gòu)在更換密封圈時(shí)需要將整個(gè)水龍頭全部拆除，其優(yōu)點(diǎn)是密封結(jié)構(gòu)簡單，密封圈容易采購且成本低廉；圖7所示水龍頭采用與傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī)水龍頭相同的V型夾織物密封圈，與圖6所示結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)點(diǎn)是可單獨(dú)拆卸水龍兩端進(jìn)行密封圈更換，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場使用者反饋和理論分析水龍頭更換頻率更高的是下面的密封材料，但該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于密封材料較第一種復(fù)雜，裝配時(shí)需要將多組密封圈組合裝配。兩種密封裝置密封性能均經(jīng)過廠內(nèi)測試達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步的性能測試還有待野外使用時(shí)進(jìn)行測試。

圖6 獨(dú)立密封圈式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 組合密封圈式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

該鉆機(jī)從井場布置到終孔歷時(shí)7天，于2017年10月11日順利在黑龍江伊春市友好區(qū)友誼林場完成生產(chǎn)試驗(yàn)孔作業(yè)，臺月效率可達(dá)2115米/月，如圖8所示。完成NTW鉆桿規(guī)格鉆進(jìn)65°斜孔、孔深546 m的生產(chǎn)試驗(yàn)任務(wù)，整個(gè)施工過程中鉆機(jī)各功能部件運(yùn)行狀態(tài)良好，順利完成取心作業(yè)，巖心采取率滿足業(yè)主要求。圖9為采用繩索取心鉆具采取的巖樣。

圖8 XD-800型鉆機(jī)野外施工作業(yè)

圖9 XD-800型鉆機(jī)鉆取的巖心

4 結(jié)論

通過對XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機(jī)的組裝調(diào)試及生產(chǎn)試驗(yàn)，證明整套設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但鉆機(jī)的研制成功僅僅是基礎(chǔ)，完善的鉆具和輔助設(shè)備才能更好地發(fā)揮便攜式鉆機(jī)獨(dú)特勘探模式的優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)快速、難進(jìn)入、綠色勘探提供強(qiáng)有力的支撐；同時(shí)設(shè)備使用者也是十分重要的環(huán)節(jié)，要充分發(fā)揮便攜鉆機(jī)勘探模式的優(yōu)點(diǎn)，對人員的培訓(xùn)是十分必要的。隨著國內(nèi)對便攜式鉆機(jī)工藝、配套、培訓(xùn)、服務(wù)等方面的不斷進(jìn)步，更快、更安全、更經(jīng)濟(jì)的商業(yè)勘探模式將是未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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