凡 東，王瑞澤，田宏亮，常江華

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦產資源經過多年的勘探開發(fā)，淺部資源逐漸減少，部分老礦區(qū)急需加強深部找礦工作，尋找接替資源，延長礦山壽命[1-3]。深部找礦的摸底探邊工作，對地質礦產資源可持續(xù)開發(fā)具有重要意義[4-6]。坑道勘探可避開上部采空區(qū)，相對于地表勘探能節(jié)省大量的鉆探工作量，沿礦床層帶多角度鉆孔，實現(xiàn)金屬礦山的邊探邊采，是一種經濟、高效的勘探手段[7-9]。

國外目前坑道勘探以全液壓動力頭式鉆機為主，這類鉆機技術先進，可靠性較高，可有效利用坑道空間實現(xiàn)遠程操作等優(yōu)點，應用廣泛。但其主機材料主要由碳素鋼制成，質量大，在惡劣運輸條件下移動搬遷困難，進一步解體拆裝難度大，需要專業(yè)裝配人員參與，增加了鉆探的周期、難度和成本[10-12]。

針對以上問題，采用輕型結構及模塊化設計思想，研制了主要部件由高強度鋁合金材料制成的ZDY1200G 型輕量化坑道鉆機。根據鋁合金材料力學特性及可加工性，結合鉆機部件受力情況，在給進機身、提升架和底座等承受彎矩小的部件上使用鋁材。其他部件采用輕量化與模塊化快速拆裝的設計。

1 輕量化結構設計

ZDY1200G 型鉆機(圖1)運用“易拆裝、部件輕”的設計理念，采用模塊化和快速連接結構實現(xiàn)易拆裝。鉆機由主機、泵站、操縱臺3 部分組成，擺布靈活、解體性好。并利用快速連接結構，使夾持器、回轉器、底座、電機等可快速拆解。鉆機快速拆解后，單部件最大質量為292.5 kg。

圖1 ZDY1200G 全液壓坑道鉆機Fig.1 ZDY1200G full hydraulic drill rig

在對輕量化坑道鉆機使用需求與施工能力進行調研后，確定鉆機主要能力參數(表1)。

表1 ZDY1200G 主要能力參數Table 1 Main ability parameters of ZDY1200G

1.1 給進裝置

鉆機給進裝置承載鉆進過程中鉆桿的給進運動，當出現(xiàn)孔內事故時，要能夠進行強力起拔，使鉆具脫困，是鉆機的重要承力部件?？拥楞@機在井下受限空間施工，對鉆機的體積和質量要求較高，如何增大鉆機的能力，同時減輕質量是設計過程中的難點。

給進裝置采用一支雙桿雙級雙作用油缸(圖2)，兩級油缸總行程1 000 mm，質量109 kg。油缸的活塞桿固定在給進機身兩端，缸體沿活塞桿運動，采用雙桿雙極雙作用油缸可以在短機身上獲得長行程。油缸采用鋼桿與鋼筒兩端同步進出油的方式，避免了常規(guī)雙級缸只在缸桿進油，需要較厚的鋼筒壁設置油路的問題。

圖2 給進油缸Fig.2 Feeding cylinder

給進機身的主梁使用一整張輕質合金折彎，并與端板等輔件焊接而成(圖3)。快速拆解拖板后，給進機身質量為253.4 kg。若需要進一步拆解，則可將機身后端6 個內六角螺釘拆除后就能將油缸拆除，去掉油缸后的給進機身質量僅為145 kg。

圖3 給進機身Fig.3 Feeding frame

1.2 組合式泵站

鉆機的動力系統(tǒng)由2 個小泵站組成(圖4)，降低了搬遷重量。淺孔作業(yè)只需1 個泵站即可進行工作，有一定的節(jié)能效果。2 個泵站同時工作時，2 個油箱液面高度的控制是個難題，會造成油液溢出。為此，在該系統(tǒng)中設計了吸油多泵共用連通、回油比例分配的油路，在2 臺泵站高差控制在150 mm以內均不會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。

圖4 組合式泵站Fig.4 Combined pump station

2 鋁合金材料選型及測試

2.1 材料選取

鋁合金常用的分類從1 系到7 系，每個系列都有各自不同的特點。不同牌號、狀態(tài)的鋁合金在硬度、強度、耐蝕性、加工性、焊接性、裝飾性等方面都存在著明顯的差異[13]。坑道鉆機主機存在大量的焊接結構件。相對而言，2 系和7 系的鋁合金較難焊接，而5 系鋁合金焊接性較好[14]。所以，本文選取了幾種常用的焊接性能良好的鋁合金進行性能對比(表2)。

表2 材料性能對比Table 2 Comparison of properties of aluminum alloy

對比分析后發(fā)現(xiàn)，H38 態(tài)的5052 不僅能夠進行90°折彎[15]，而且屈服強度能夠達到近似Q235低碳鋼的210 MPa，同時具有良好的可切削性[16-17]，所以選取5052-H38 作為鉆機給進機身與底盤等的材料。

2.2 樣件試驗

由于鋁合金材料導熱率大，焊接時容易產生受熱不均勻的現(xiàn)象，采用鎢極氬弧焊保溫焊接的方法，對燒融部位進行保溫，使焊接區(qū)域均勻受熱。為了驗證焊接工藝的可行性與焊縫的可靠性，以及箱型機身結構的承載能力，加工機身樣件并進行了試驗驗證。根據彌散裂紋模型，當單元的最大主應力超過抗拉強度時，單元在最大主應力垂直方向形成無數平行微裂紋，垂直方向的長度對裂紋發(fā)展不產生影響[18]。因此，考慮到檢測設備對被檢測樣件的尺寸要求，及垂直方向的長度對裂紋發(fā)展不產生影響，加工的機身樣件長度為實際機身長度的四分之一，其余尺寸均與實際機身尺寸相同。試驗主要模擬機身實際工況，采用在機身兩端通孔施加拉力與壓力的方式對變形量進行檢測。

2.2.1 抗壓試驗

額定抗壓試驗在SANS 微機控制電子萬能試驗機上進行，試驗機型號為CMT5105。該機最大試驗力為100 kN。試驗時，機身試件平放于試驗臺上，上端采用壓盤對端板的中心孔施加載荷。

試驗采用逐級施加的方式，以10 kN 為間隔。加載到目標壓力后進行卸載，然后再施加下一級壓力。試驗過程中的變形量隨著載荷的增加不斷呈線性增大的趨勢(圖5)，施加90 kN 載荷的變形量最大，為1.57 mm。初次施加10 kN 作用力時，樣件在相同的壓力下產生了較大的位移，究其原因在于曲線1初次施加載荷時，端板表面產生了輕微的塑性變形，形成壓痕，此后多次加載壓力，當壓力90 kN 時，壓盤位移仍為1.57 mm。

圖5 抗壓數據曲線Fig.5 Compression resistance data curve

2.2.2 破壞性試驗

為了解該機身樣件的極限承載能力，進行了破壞性試驗。使用液壓式萬能試驗機，型號LAW-1000，該試驗機最大載荷為1 000 kN。

壓力機平臺上壓盤施加的壓力作用于穿過端板通孔的螺釘上。試驗采用K30 脈沖輸出型拉線傳感器測量塑性變形。拉線傳感器采用增量編碼器的檢測方式，將傳感器主體與拉頭分別固定在機身上下端板，分辨率為0.005 mm。前文的抗壓試驗測試了樣件90 kN 以下承壓能力，本次試驗從90 kN 起繼續(xù)對試件進行測試(表3)。

從表3 可以看出，當壓力超過200 kN 時，彈性變形超過2 mm，壓力卸載后塑性變形1 mm，機身端板變形開始肉眼可見。當壓力達到300 kN時，試件彈性變形與塑性變形均較嚴重。

拉伸試驗使用兩支帶端頭的螺桿，螺桿穿過機身樣件通孔后用卡扣固定，用以連接樣件與試驗機。試驗機選裝適合夾裝螺桿尺寸的卡瓦，卡瓦抱緊螺桿兩端頭進行固定。

根據抗壓破壞數據可得出壓力150 kN 內變形量較小，因此，抗拉破壞試驗從150 kN 開始逐級加載拉力再卸載，抗壓破壞試驗數據見表4。當拉力達到220 kN 時，端板處焊縫產生肉眼可見裂紋，隨著拉力的增加，裂紋不斷擴展，當拉力達到300 kN時，焊縫徹底斷裂，端板變形明顯(圖6)。

表3 抗壓破壞試驗數據Table 3 Test data of compression failure

表4 抗拉破壞試驗數據Table 4 Test data of tensile failure

由以上試驗可得出，當拉壓力達到給進機身實際使用要求85 kN 時，彈性變形1.5 mm 左右(圖5)，塑性變形0.14 mm，重復加載85 kN 拉壓力后，塑性變形消失。原因在于鋁合金表面硬度低，拉壓力使鋁合金表面產生輕微塑性變形，可通過加大螺母與鋁合金機身的接觸面積解決。當拉壓力達到200 kN 左右時，樣件開始產生明顯塑性變形，由此可知，安全系數實測可達2.35，滿足使用要求。

圖6 拉伸焊縫破壞Fig.6 Tensile weld failure

3 三維DIC 散斑測量

結合鋁合金樣件測試結果，加工完成后的樣機在國家安全生產西安勘探設備檢測檢驗中心(甲級)的鉆機性能綜合試驗臺上進行檢測。該檢測臺最大測試扭矩：15 000 N·m，最大測試功率：155 kW，滿足最大給進起拔力85 kN，最大扭矩1 200 N·m 的檢測的要求。

為了分析鋁合金鉆機機身在極端受力條件下的變形情況，本文采用三維DIC 散斑系統(tǒng)進行變形量觀測。先后對鉆機回轉狀態(tài)下機身最大承扭變形和起拔狀態(tài)下機身最大承拉變形進行了檢測。

3.1 最大承扭變形檢測

測量回轉負載產生的變形時，用鉆桿將鉆機與轉矩傳感器、回轉加載裝置連接起來，加載裝置由低到高逐漸加載，利用DIC 散斑系統(tǒng)，測量回轉器主軸輸出轉矩對應的形變。主要有以下幾個步驟。

圖7 DIC 測試區(qū)Fig.7 DIC test area

a.區(qū)域劃定 在鉆機給進裝置靠近托板部分劃定實驗觀察區(qū)域(圖7)，區(qū)域大小與標定板對應，選用400 mm×300 mm 標定板幅面，通過鏡頭焦距和相機夾角，計算出測量頭與被測表面的距離為900 mm，相機在橫梁上的距離為400 mm。按照距離參數完成測量設備的調整及現(xiàn)場布置。

b.噴斑處理 在被測區(qū)域用白色油漆對表面進行噴涂，待風干后再噴涂黑色油漆，從而在被測區(qū)域表面生成白色背景的黑色小圓點陣，生成均勻錯落的黑斑點，制造不同區(qū)域特征的獨特性，防止散斑相似計算過程被干擾。

c.相機標定 測量開始前，先對相機的空間位置進行準確求解。在DIC 軟件中設定標定板的比例尺，采集8 個左右的狀態(tài)計算完成標定。生成相機內外參數，即可對被測物體表面各個節(jié)點在每個狀態(tài)下的空間坐標進行解析及觀測。

d.圖像采集 創(chuàng)建散斑測量工程，采集初始狀態(tài)作為基準，設置的采集間隔為2 張/s，在扭矩加載過程中連續(xù)采集直至結束。

e.工程計算 劃定散斑域和創(chuàng)建種子點之后即可完成計算，其中散斑的面片大小為20，步長為15。

計算完成后，將被測表面最大主應變輸出，如圖8 所示。

圖8 最大回轉負載云圖Fig.8 Cloud chart of maximum rotation load

通過DIC 散斑測量得出極限回轉工況鋁合金給進機身最大主應變?yōu)?.87%。圖9 為所選擇的指定點在各個狀態(tài)下的最大主應變繪制出來的曲線，最大主應變正值表示觀測點產生拉應變，負值表示觀測點產生壓應變，可以看出應變隨回轉器的轉動，在拉應變與壓應變之間呈周期性波動。

3.2 最大承拉變形檢測

測量最大給進起拔產生的變形時，承拉DIC 測試方法和承扭時的基本一致，區(qū)別在于拉伸測試輸出的數據為位移，而承扭時輸出數據為最大主應變。

然后創(chuàng)建靜態(tài)變形工程，依次導入各個狀態(tài)下的攝影測量工程并輸入工程參數，然后計算，計算完成后建立變形域并將所需要觀測部位的非編碼點添加進去并激活，即可顯示出各個狀態(tài)下所選區(qū)域點的位移變化趨勢(圖10)。

圖9 指定點應變曲線Fig.9 Strain curve of specified points

圖10 最大拉伸負載云圖Fig.10 Cloud chart of maximum tensile load

通過DIC 散斑測量得出最大拉伸負載工況鋁合金機身關鍵部位最大位移為6.317 mm，位移隨著給進機身拉力的增大而不斷增大，拉力卸載后位移消失。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

鉆機在云南省滄源縣某礦進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，試驗場地位于1730 中段，該中段目前處于巷道建設階段。礦區(qū)內部地層構造復雜，下部伴有遺留巷道，礦藏埋深較大，急需采用坑道鉆探的方式提高找礦效率[19-20]。為探明13 穿矽卡巖硫化礦在區(qū)域內的附存狀況，施工KZ19-1301 號鉆孔，開孔斜向下43°，方位角南偏西30°。

采用ZDY1200G 型鉆機配套BW-250 泥漿泵鉆進。鉆進前，先在孔口鉆入一節(jié)?89 mm 套管，長度100 mm，高出地面約20 mm，作為孔口管使用，防止巖粉倒灌?？卓诠馨惭b完成后使用?71 mm 取心鉆桿與?76 mm 金剛石孕鑲鉆頭鉆進。鉆井液根據地層情況，使用清水或聚丙烯混合液鉆進，協(xié)助孔底巖屑排出。鉆孔過程中，使用了孔底混合泥漿堵溶洞，聚丙烯泥漿護壁填充裂隙、孔底溶洞漏水，干孔下放內管總成等工藝方法，保障鉆孔達到設計深度，于 512.68 m 終孔停鉆，巖心采取率達到96.8%，探明了鉆孔方向地質特征，達到勘探找礦目的，驗證了輕量化坑道鉆機搬遷運輸方便、鉆進能力大、效率高的特點。

1730 中段處于巷道建設階段，路面未鋪設鐵軌且斷面小，鉆機由4 人完成拆解搬遷到位工作。鉆進到481 m 時出現(xiàn)了卡鉆現(xiàn)象，鉆機進行了強力起拔后成功掃孔脫困，進一步驗證了鋁合金給進裝置、底座以及提升架滿足強度要求。分體式泵站在潛孔段施工時，只用了一個泵站，孔深不斷加深后同時開啟兩個泵站，有效節(jié)約了能耗。

5 結論

a.輕量化坑道鉆機采用高強度鋁合金材料替代傳統(tǒng)碳鋼材料減輕部件質量，并用模塊化和快速連接結構實現(xiàn)易拆裝，最大單件質量292.5 kg，降低了搬遷運輸的勞動強度。

b.通過DIC 散斑測量方法分析得出，最大回轉扭矩工況和最大起拔力工況鋁合金給進裝置關鍵部位的最大位移為6.317 mm，均未產生影響結構尺寸與性能的塑性變形，滿足使用需求。

c.鉆機在云南滄源縣某礦現(xiàn)場工業(yè)性試驗中完成了深度512.68 m 的繩索取心鉆孔，鉆孔巖心采取率為96.8%，體現(xiàn)出鉆進能力大、操作便捷的特點，提高了勘探效率，為礦山安全高效開采地質信息獲取提供了裝備保障。

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