王士昭，孔令滬，張益男，崔杰

(1.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，石家莊 050081；2.河北石探機(jī)械制造有限責(zé)任公司，石家莊 050081；3.河北地礦集團(tuán)有限公司，石家莊 050081)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)及治理工作形勢(shì)嚴(yán)峻，對(duì)土壤污染的監(jiān)測(cè)和治理工作也愈發(fā)重要。依據(jù)《關(guān)于保障工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地再開(kāi)發(fā)利用環(huán)境安全的通知》和《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等文件的要求，關(guān)停并轉(zhuǎn)、破產(chǎn)或搬遷工業(yè)企業(yè)原場(chǎng)地采取出讓方式重新供地的，應(yīng)當(dāng)在土地出讓前完成場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作[1]。我公司為滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)施工需求，自主研發(fā)了緊湊型履帶式HJ-120D多功能取樣鉆機(jī)(見(jiàn)圖1)。該鉆機(jī)配套雙管取樣鉆具及取土管，采用液壓直推或高頻沖擊器進(jìn)行沖擊取樣，可實(shí)現(xiàn)30 m內(nèi)的土壤無(wú)擾動(dòng)取樣。配套螺旋鉆具可以實(shí)現(xiàn)螺旋建井，為取水樣及原位修復(fù)提供支持。

圖1 HJ-120D多功能取樣鉆機(jī)

1 鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

HJ-120D多功能取樣鉆機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。鉆機(jī)由履帶底盤(pán)、后托架、平移托架、動(dòng)力單元、桅桿、雙作用動(dòng)力頭、卷?yè)P(yáng)、人機(jī)操作臺(tái)和遙控器等部分組成，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性強(qiáng)。履帶行走通過(guò)性強(qiáng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜地形；平移托架實(shí)現(xiàn)橫縱雙向的微調(diào)，確保順利對(duì)正孔位。增加液壓后推鏟托架，可以

表1 HJ-120D多功能取樣鉆機(jī)主要參數(shù)

整體定位支撐，還可用于懸掛鉆桿框、清除場(chǎng)地雜物及平整場(chǎng)地，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，節(jié)省成本，此設(shè)計(jì)滿足了市場(chǎng)對(duì)取樣鉆機(jī)靈活性和功能性的需求[2]。卷?yè)P(yáng)和桅桿具有伸縮功能，當(dāng)卷?yè)P(yáng)和桅桿收回后，塔頭自動(dòng)向滑道側(cè)旋轉(zhuǎn)45°，可以縮小鉆機(jī)尺寸，節(jié)省運(yùn)輸空間。沖擊動(dòng)力頭托架可以側(cè)移，方便提鉆取樣[3]。

1.1 雙作用動(dòng)力頭

鉆機(jī)采用單動(dòng)力頭雙工藝(沖擊+回轉(zhuǎn))設(shè)計(jì)，既可滿足脈沖振動(dòng)破除水泥地面，直推、脈沖鉆進(jìn)取樣的要求，又可進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)建井。

在旋轉(zhuǎn)推進(jìn)鉆孔方式上增加了液壓后頂錘式?jīng)_擊功能，實(shí)現(xiàn)了沖擊和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一體化，大幅度減少配件數(shù)量，且易于保養(yǎng)。沖擊活塞采用進(jìn)口原材料，經(jīng)特殊熱處理加工，具有更高的強(qiáng)度。通過(guò)多組蓄能器蓄存液壓能量和吸收液壓脈沖，使沖擊錘獲得更高的沖擊力和沖擊頻率。采用進(jìn)口液壓馬達(dá)，結(jié)合串并聯(lián)切換閥，可實(shí)現(xiàn)低速大扭矩和高速低扭矩之間的轉(zhuǎn)換。

1.2 可調(diào)向桅桿

鉆機(jī)桅桿具備四向調(diào)節(jié)的功能，桅桿起落液壓缸可調(diào)節(jié)桅桿的前后角度，桅桿擺動(dòng)液壓缸可調(diào)節(jié)桅桿左右角度，通過(guò)桅桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和桅桿升降機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)滿足多角度鉆孔需要，見(jiàn)圖2。

圖2 可調(diào)向桅桿示意圖

2 液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)采用專(zhuān)為開(kāi)式液壓回路靜壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)的進(jìn)口負(fù)載敏感液壓變量泵，噪聲小，具有理想的功質(zhì)比及較長(zhǎng)的使用壽命。該泵為軸向柱塞斜盤(pán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)斜盤(pán)角度，可實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，配備有2個(gè)殼體回油口，具有出色的吸油特性。

方向控制閥采用進(jìn)口負(fù)載敏感比例多路閥，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)液壓缸和液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，且該運(yùn)動(dòng)速度獨(dú)立于負(fù)載，不因負(fù)載的改變而變化，可使多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)并相互獨(dú)立地在不同速度和壓力下工作，直到通過(guò)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量的總和達(dá)到泵輸出的最大排量。

康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)法蘭聯(lián)軸器與負(fù)載敏感泵相連，將轉(zhuǎn)速與扭矩傳輸至液壓泵，為液壓系統(tǒng)提供壓力油，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行元件的完成設(shè)定動(dòng)作，液壓原理圖如圖3所示。液壓系統(tǒng)所需功率既可由發(fā)動(dòng)機(jī)低速高扭狀態(tài)提供，亦可由發(fā)動(dòng)機(jī)高速低扭狀態(tài)提供。根據(jù)使用中鉆機(jī)各動(dòng)作工作時(shí)長(zhǎng)及液壓系統(tǒng)功率需求，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線及比油耗曲線，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定了合理的工作轉(zhuǎn)速及負(fù)荷率，在能夠充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能的同時(shí)，還可以有效降低燃油消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[4]。

圖3 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

2.1 負(fù)載敏感系統(tǒng)

與普通液壓系統(tǒng)相比，負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)在方向控制閥和液壓泵之間多了一根LS(load sensing)接線油管，通過(guò)該管線能夠?qū)⒌膶?shí)際工況的壓力變化信號(hào)經(jīng)多路閥傳導(dǎo)至負(fù)載敏感液壓泵，并根據(jù)多路閥操作手柄變化情況，將操作者的意圖傳遞至負(fù)載敏感液壓泵。負(fù)載敏感液壓泵根據(jù)LS管線的壓力反饋信號(hào)，改變自身斜盤(pán)擺角來(lái)為液壓系統(tǒng)提供合適的流量及壓力，滿足實(shí)際工作需求[5]。

負(fù)載敏感變量液壓泵和負(fù)載敏感多路閥的組合實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)功率的按需輸出，對(duì)于提高燃油經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排意義重大。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭沖擊的同時(shí)，升降液壓缸自由伸縮，即兩液壓回路壓力、流量互不干擾，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 平衡閥

工作過(guò)程中要求動(dòng)力頭升降平穩(wěn)、順暢、可靠，能夠在桅桿軌道的行程內(nèi)任意位置停留，無(wú)下墜現(xiàn)象；在鉆機(jī)起塔過(guò)程中鉆塔應(yīng)可以在任意角度靜止，無(wú)溜滑現(xiàn)象；液壓卷?yè)P(yáng)在提升鉆桿過(guò)程中，鉆桿可以在行程內(nèi)任意位置靜止。根據(jù)以上要求，液壓系統(tǒng)在動(dòng)力頭升降液壓缸、起塔液壓缸和液壓卷?yè)P(yáng)馬達(dá)處分別加裝平衡閥，用于平衡負(fù)載重力對(duì)鉆機(jī)動(dòng)作的影響，液壓原理如圖4所示。

圖4 平衡回路原理圖

此外，平衡閥與執(zhí)行元件間采用鋼管焊接，實(shí)現(xiàn)剛性連接，即使在鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程中液壓膠管由于老化磨損發(fā)生破壞，也可以通過(guò)平衡閥保證執(zhí)行元件及負(fù)載不會(huì)失控下降，避免對(duì)設(shè)備和人員造成傷害，增加了設(shè)備的安全性。

3 電氣控制系統(tǒng)

鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的具備CAN總線通訊功能的智能IO模塊及圖形顯示控制器等，是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、可編程控制、虛擬儀表、總線傳輸，故障診斷于一體的智能控制系統(tǒng)[6]，圖5為電氣原理圖。

圖5 電氣原理圖

3.1 過(guò)濾器故障報(bào)警控制

過(guò)濾器用于濾除液壓系統(tǒng)中元件磨損產(chǎn)生的金屬顆粒、密封件的橡膠雜質(zhì)以及液壓油本身化學(xué)變化所產(chǎn)生的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、碳渣質(zhì)等污染物，使液壓系統(tǒng)保持清潔，從而達(dá)到防止閥芯卡死，節(jié)流小孔縫隙和阻尼孔的堵塞以及液壓元件過(guò)快磨損等故障的產(chǎn)生。

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)配備了吸油、高壓及回油過(guò)濾器，三種過(guò)濾器均設(shè)置了濾芯污染發(fā)訊器和油路旁通閥。當(dāng)濾芯被污染物堵塞或因系統(tǒng)溫度過(guò)低及流量脈動(dòng)等因素造成濾芯進(jìn)出口壓差達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，發(fā)訊裝置發(fā)出訊號(hào)指示，警示燈閃爍發(fā)出蜂鳴聲，液晶屏幕顯示具體故障位置，發(fā)訊器原理如圖6所示。若此時(shí)不能馬上停機(jī)處理這些故障，設(shè)在濾芯下部的旁通閥自動(dòng)開(kāi)啟工作，以保護(hù)過(guò)濾器及液壓系統(tǒng)正常工作。過(guò)濾器的發(fā)訊壓力和旁通閥開(kāi)啟壓力值見(jiàn)表2。

圖6 過(guò)濾器發(fā)訊器原理

表2 過(guò)濾器參數(shù)

3.2 液壓自動(dòng)冷卻系統(tǒng)控制

液壓油的最佳工作溫度范圍在30～50 ℃，此時(shí)油液的黏度、潤(rùn)滑性和耐磨性均處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)傳遞效率最高。油溫最高不應(yīng)超過(guò)65 ℃，液壓油溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油液的黏度下降，泄漏增加，各滑動(dòng)部位油膜被破壞，液壓元件磨損加劇，設(shè)備動(dòng)作變慢無(wú)力，降低工作效率，加大發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。一旦液壓油工作溫度升高到85 ℃以上，液壓油的壽命就會(huì)因?yàn)檠趸^(guò)程的加速而縮短。

當(dāng)液壓油溫度高于50 ℃時(shí)，鉆機(jī)控制器根據(jù)風(fēng)冷卻器內(nèi)置溫度傳感器的反饋信號(hào)，使該回路多路閥電磁鐵得電，風(fēng)冷卻器液壓馬達(dá)回路連通，風(fēng)冷風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，冷卻系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，電磁線圈緩慢失電，風(fēng)冷卻器液壓馬達(dá)流量緩慢下降，直至液壓風(fēng)冷風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，冷卻系統(tǒng)停止工作。通過(guò)對(duì)電磁鐵電流實(shí)施斜坡控制，可以使冷卻馬達(dá)緩慢停轉(zhuǎn)，規(guī)避了因液壓沖擊及液壓管路振蕩對(duì)液壓系統(tǒng)造成的不良影響，電氣原理如圖7所示。

圖7 風(fēng)冷溫控原理

4 試驗(yàn)

圖8為HJ-120D多功能取樣鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)。取樣深度30 m，取樣直徑34.7 mm，取土管外徑38.0 mm，壁厚1.65 mm，長(zhǎng)度1525 mm，鉆具外徑60.0 mm，有效長(zhǎng)度1550 mm，平均一根下鉆時(shí)間2～3 min。螺旋建井施工情況如圖9，井深20 m，井口直徑194.0 mm，螺旋鉆桿長(zhǎng)度1655 mm，平均一根下鉆時(shí)間3～4 min。

圖8 直推取樣試驗(yàn)

圖9 螺旋建井試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鉆機(jī)操作簡(jiǎn)便、機(jī)身穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)、下鉆順利，其中直推式取樣，樣品完整取樣率高達(dá)89%。螺旋建井高效便捷，為地下水取樣及原位修復(fù)提供了支持。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)環(huán)境政策的了解和學(xué)習(xí)，根據(jù)取樣工藝及客戶的需求研制了HJ-120D型環(huán)保取樣鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、可靠性高、取樣高效快捷、取樣率高、施工效率高、維護(hù)方便、履帶行走平穩(wěn)、便于移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于多種施工環(huán)境和工況。