高玉林，張新，姚堅毅，王瑜，孫懿琨

(1.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術(shù)學院，北京 100083；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083；3.中交天和機械設(shè)備制造有限公司，江蘇常熟 215557；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100010)

0 前言

全球環(huán)境日益惡化，人類的生存與發(fā)展條件受到了很大影響，包括我國在內(nèi)的世界多個國家陸續(xù)出臺了相關(guān)政策進行環(huán)境治理。我國土壤和地下水污染嚴重，土壤、地下水污染防治工作起步較晚，工作基礎(chǔ)薄弱，土壤污染防治體系尚未形成，技術(shù)及裝備較為缺乏，高效鉆進、高質(zhì)量取樣一直是我國污染土勘察的主要難題之一。

準確的污染場地調(diào)查是進行環(huán)境修復的前提條件。當前土壤、地下水鉆探取樣主要有回轉(zhuǎn)取樣、振動取樣和直推式取樣3種形式。與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進方式相比，全液壓直推式土壤取樣鉆機在鉆進過程中，遇到地層阻力較小時，給進油缸產(chǎn)生靜壓力推動動力頭沿滑軌向下運動，推動取樣裝置無回轉(zhuǎn)地進入地層；當?shù)貙幼枇^大或者無法靜壓進尺時，動力頭產(chǎn)生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進取樣。鉆機取樣鉆進采用直推和沖擊的方式剪切地層取樣，具有成本低、取心率高、鉆進速度快、對樣品無擾動及無泥漿液循環(huán)的特點，是淺層土壤地層取樣的有效方法。

目前國內(nèi)環(huán)境取樣鉆機功能單一，回轉(zhuǎn)扭矩小，難以滿足取樣和水井建井監(jiān)測的需求；機器笨重造成運輸不便、轉(zhuǎn)場效率低；鉆進能力不足，造成取樣深度淺，特別是較硬地層鉆進能力差。針對當前國內(nèi)污染場地的特點，課題組設(shè)計了一種中型回轉(zhuǎn)-直推式環(huán)保鉆機，既可以滿足土壤地層直推沖擊式快速取樣的需求，也可以大扭矩回轉(zhuǎn)鉆進進行建井監(jiān)測，可同時完成直推沖擊、直推-回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)等工藝，是一種綜合式環(huán)保取樣鉆機。直推式低頻環(huán)保取樣鉆機采用沖擊、回轉(zhuǎn)一體式動力頭，結(jié)構(gòu)緊湊，易操作，采樣質(zhì)量、工作效率高，能夠滿足不同復雜地層的取樣需求，并在污染場地調(diào)查中取得了良好的應用效果。

1 鉆機主機設(shè)計

全液壓直推式土壤取樣鉆機主要由沖擊回轉(zhuǎn)動力頭、機架集成系統(tǒng)、集成式操作臺、履帶底盤系統(tǒng)、推鏟拖架系統(tǒng)、柴油機動力系統(tǒng)、吊車桅桿系統(tǒng)等組成，如圖1所示。鉆機整體結(jié)構(gòu)緊湊，操控可視化，是集智能化、模塊化、輕便化于一體的技術(shù)集成，能夠滿足國內(nèi)土壤環(huán)境調(diào)查日益嚴格的技術(shù)要求以及業(yè)務增長需求。鉆機的主要參數(shù)見表1。

圖1 直推式低頻液壓環(huán)保取樣鉆機結(jié)構(gòu)

表1 鉆機的主要參數(shù)

1.1 機架集成系統(tǒng)

機架集成系統(tǒng)主要由機架升降系統(tǒng)、液壓絞車、主油缸、動力頭滑動座板等零部件組成，機架集成系統(tǒng)的作用是調(diào)整機架坐落位置、實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的上下平移和起拔鉆桿。由液壓系統(tǒng)提供高壓油驅(qū)動主油缸，主油缸與動力頭滑動座板固定在一起，驅(qū)動動力頭滑動底座沿機架滑軌上、下平移，保證鉆孔筆直，進而實現(xiàn)動力頭的起拔、給進，動力頭滑移行程2 000 m，主油缸起拔力為171 kN，給進力為115 kN。由液壓系統(tǒng)提供高壓油給小油缸，推動機架升降組件使得機架底部著地；也可推動無齒旋轉(zhuǎn)軸承左右旋轉(zhuǎn)，使得機架集成系統(tǒng)能夠左右旋轉(zhuǎn)15°。配合液壓絞車、滑輪架以及鉆桿夾持器提拔取樣鉆桿使得取樣操作快捷，工作效率高，液壓絞車的拉力為10 780 N，機架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 履帶底盤系統(tǒng)

履帶底盤系統(tǒng)主要由橡膠履帶和矩形鋼管焊接而成的底盤組成，由于全液壓直推式土壤取樣鉆機整機質(zhì)量在4.5 t左右，作業(yè)場地主要為固定位置，對行走速度要求不高，但為運輸方便，整機質(zhì)量越輕越好，因此此設(shè)備選用橡膠形式履帶底盤，軸距1 700 mm，帶寬300 mm，爬坡能力不超過20°，行走速度為0～4 km/h,接地比壓為0.04 MPa。底盤由柴油機托架、液壓油箱托架、機架滑動架托架和履帶等通過矩形鋼管組焊而成；集成式操作臺位于底盤前端，實現(xiàn)取樣操作過程中整機的可視性；系統(tǒng)動力源布局在整機中心位置，確保液壓系統(tǒng)管路長度的最短化和實現(xiàn)設(shè)備效率的最優(yōu)化；設(shè)備工作時會產(chǎn)生較大的有害振動，將泵等核心組件遠離振動源，保證設(shè)備運行時的可靠性。底盤整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，運行穩(wěn)定。履帶底盤系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 履帶底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 柴油機動力系統(tǒng)

柴油機動力系統(tǒng)是鉆機最核心的動力源，柴油機選用康明斯QSB3.9-C110-30，配備三合一冷卻器。該柴油機的額定功率為81 kW，最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。液壓系統(tǒng)的液壓泵采用帶有負載敏感的壓力補償控制變量泵，同時液壓泵上還配備有恒功率控制和壓力切斷功能，可以更好地保護整個液壓系統(tǒng)，滿足鉆機整體的動力供應。

1.4 鉆機液壓系統(tǒng)

鉆機采用單泵多執(zhí)行負載敏感液壓系統(tǒng)，在工作時馬達的轉(zhuǎn)速和沖擊錘的沖擊速度、沖擊力可隨地層的變化、工藝的要求實時調(diào)節(jié)，所設(shè)計的液壓回路符合壓力自適應、速度可調(diào)性的性能要求。鉆機的液壓原理如圖4所示。

圖4 鉆機液壓系統(tǒng)原理

2 直推沖擊動力頭設(shè)計

2.1 動力頭設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作原理

沖擊回轉(zhuǎn)動力頭是環(huán)保取樣鉆機的核心部件，主要由沖擊錘、擺線馬達、沖擊釬桿、主齒輪軸和馬達齒輪軸組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及實物分別如圖5、圖6所示。3個2K-395擺線馬達通過3個馬達齒輪軸帶動主齒輪減速旋轉(zhuǎn)，主齒輪再帶動動力頭底部的鉆具回轉(zhuǎn)鉆進，液壓系統(tǒng)提供高壓油使得動力頭上部沖擊錘錘芯不斷沖擊釬桿，將沖擊力傳遞給取樣鉆具，從而能夠快速鉆取擾動小、無污染的圓柱狀土樣。動力頭沖擊、回轉(zhuǎn)機構(gòu)上下一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，取樣效率高，同時具備沖擊與回轉(zhuǎn)功能。由于鉆進工藝需要低轉(zhuǎn)速、大扭矩，所以動力頭設(shè)計的最大輸出扭矩為7 500 N·m，轉(zhuǎn)速0～110 r/min，液壓沖擊錘的沖擊頻率為5～40 Hz，充氣室內(nèi)的充氮壓力為1.6 MPa，沖擊功為550 J。

圖5 沖擊回轉(zhuǎn)動力頭設(shè)計圖

圖6 沖擊回轉(zhuǎn)動力頭

2.2 動力頭核心部件仿真分析

釬桿是沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的核心部件，動力頭所提供的沖擊、回轉(zhuǎn)功能都經(jīng)過釬桿傳遞給取樣鉆具，因此釬桿既受液壓沖擊錘錘芯的沖擊力，還受到3個擺線馬達施加的扭矩，因此釬桿對沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的平穩(wěn)運行起到關(guān)鍵性的作用。

釬桿的材料選用42CrMo，釬桿所受的載荷約束在釬桿的六方連接處(與主齒輪連接)，負載按動力頭最大輸出扭矩7 500 N·m加載，作為反力矩加載在釬頭處。通過ANSYS對釬桿進行仿真分析，結(jié)果如圖7所示：釬桿所受的最大應力為765.5 MPa，為局部應力集中，整體應力在600 MPa以下；最大位移約為0.34 mm。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》可知，釬桿的許用應力為930 MPa，釬桿滿足使用的強度與剛度要求。

圖7 釬桿仿真分析云圖

圖8 錘芯沖擊釬桿網(wǎng)格劃分(a)與等效應力云圖(b)

3 現(xiàn)場取樣實驗研究

3.1 直推式取樣鉆具設(shè)計

直推式取樣鉆具主要由取樣鉆頭、取樣透明管、沖擊鉆桿和卡爪等零件組成。取樣鉆頭為60 mm的硬質(zhì)合金鉆頭，取樣透明管為長度1 500 mm的PVC管，取出土壤樣品直徑為32 mm，沖擊鉆桿直徑為57 mm，鉆桿之間為絲扣連接。通過沖擊回轉(zhuǎn)一體式動力頭和機架主油缸的沖擊力和直推力將取樣鉆具推入土層取樣，整個鉆進過程中無需鉆具回轉(zhuǎn)、泥漿液，保證了取出原狀土樣的完整性和連續(xù)性。

土壤取樣鉆具是為了采集連續(xù)的土芯，采樣既可以從地表開始，也可以從地面以下預定深度開始。直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。當從地表開始取樣時，應該使用帶卡爪的取樣透明管收集第一個土芯，通過小吊拉住取樣桿提頭將土壤樣品從沖擊鉆桿內(nèi)鉆具取出，如圖9(b)所示，然后拆除第一根取樣透明管和土芯后，在取樣管接頭的末端插入新的取樣透明管，并用沉頭螺釘固定，相應地再增加一節(jié)沖擊鉆桿和取樣鉆桿，在動力頭的沖擊下整個鉆具繼續(xù)向下推進，土樣相繼進入透明的PVC管內(nèi)，然后將填滿的取樣透明管從沖擊鉆桿中取出，以回收第二個土芯，整個采樣間隔內(nèi)重復上述過程。從地表開始取樣的鉆具如圖9(a)所示，當從地表以下某一深度取樣時就需要在取樣鉆頭上安裝超前鉆頭，鉆機推進，到達指定深度后取出超前鉆頭，換上卡爪再繼續(xù)鉆進。

圖9 直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 現(xiàn)場實驗

全液壓直推式土壤取樣鉆機于2021年12月1日在天津市河西區(qū)郁江道(陳塘科技商務區(qū))7號地塊對現(xiàn)場進行污染土取樣工作。7號地塊東至崇巖東路，南至東江道，西至內(nèi)江路，北至怒江道，總面積63 491.8 m，天津丹明化工有限公司等多家化工企業(yè)在此安廠，為保障地塊安全利用，需要進行取樣調(diào)查與風險評估，明確后期是否需要開展修復治理工作。

鉆機在2021年12月1日共取樣兩處點位，取樣深度分別為4.5 m和13.5 m。根據(jù)現(xiàn)場污染土的取樣要求，取樣深度要求為16 m即可。為了驗證設(shè)計的直推式環(huán)保取樣鉆機的取樣深度大于30 m的能力，在2021年12月2日進行了30 m以上的取樣試驗，取樣深度為31.5 m，鉆進深度為32 m。鉆機現(xiàn)場取樣施工和土壤樣品分別如圖10、圖11所示。

圖10 鉆機現(xiàn)場取樣

圖11 土壤取樣樣品

表2所示為2021年12月2日現(xiàn)場施工過程中32 m深度時鉆機和取樣的各項參數(shù)。

表2 取樣32 m數(shù)據(jù)記錄

從三次取樣情況看，全液壓直推式土壤取樣鉆機具備取樣深度30 m的能力，取出的土樣擾動小、無污染、取樣效率高，鉆機的最快鉆進速度也達到了3 m/min以上，現(xiàn)場實驗效果良好。

4 結(jié)論

全液壓直推式土壤取樣鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊湊，發(fā)動機、液壓泵、動力頭等關(guān)鍵元件除性能可靠、質(zhì)量過硬外，更有匹配的自適應負載液壓調(diào)節(jié)及油路系統(tǒng)，保證鉆機整體各元件協(xié)調(diào)工作。鉆機前后質(zhì)量分布合理、重心位置合理，能適應惡劣的場地工作條件。沖擊回轉(zhuǎn)一體式動力頭配備相應的鉆具和鉆探工藝，使得鉆機有較強的地層適應性，能在沉積層、砂層及堅硬地層鉆探取樣。鉆機整體技術(shù)特點概括如下：

(1)沖擊回轉(zhuǎn)一體式的多功能沖旋機構(gòu)

該部分包括機架、油缸、回轉(zhuǎn)軸承、動力頭以及各類傳感器等。將回轉(zhuǎn)功能和沖擊功能集成在一個動力頭上，形成回轉(zhuǎn)、沖擊一體式動力頭，在切換沖擊和回轉(zhuǎn)功能時無需更換動力頭；通過機架傾倒和搖擺可實現(xiàn)鉆機角度的調(diào)節(jié)；通過配備的傳感器和自動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)角度自動調(diào)節(jié)和自動鉆進功能。沖旋機構(gòu)動力頭最大輸出扭矩達7 500 N·m，最大鉆進速度達3 m/min，通過搖擺和傾倒調(diào)節(jié)，并配合傾斜度傳感器，垂直度可控制在1%以內(nèi)。

(2)自適應液壓系統(tǒng)

鉆機采用單泵多執(zhí)行器負載敏感液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)流量-壓力的動態(tài)調(diào)整，借鑒負載敏感技術(shù)原理，實現(xiàn)直推式液壓鉆機電液比例液壓系統(tǒng)設(shè)計；通過負載敏感閥和比例泵控制原理實現(xiàn)鉆機不同地質(zhì)、不同深度下的鉆機速度和鉆機沖擊力的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能，并減少發(fā)熱的工效。

(3)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

通過配備的各類傳感器，實現(xiàn)系統(tǒng)對整個設(shè)備的監(jiān)控，在施工過程中可實時采集相關(guān)施工數(shù)據(jù)，對設(shè)備超限情況進行報警，進一步保護設(shè)備的安全使用。