新型XY－5L塔機(jī)一體立軸式巖心鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

歐陽(yáng)志強(qiáng)，柴喜元

（衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421002）

1 引言

目前，我國(guó)用于地質(zhì)巖心鉆探施工中的鉆機(jī)從傳動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)形式上看主要有兩種，一種是立軸式巖心鉆機(jī)，另一種是全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)已經(jīng)基本得到了推廣普及，在我國(guó)立軸式巖心鉆機(jī)仍廣泛使用，占有大部分的市場(chǎng)份額。

立軸式巖心鉆機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)期的使用改進(jìn)，結(jié)構(gòu)性能已趨合理完善，具有傳動(dòng)可靠、成本低、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在鉆機(jī)搬遷困難、給進(jìn)行程短，勞動(dòng)強(qiáng)度大。全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在國(guó)內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)之初，地質(zhì)巖心鉆探界曾普遍認(rèn)為其是最先進(jìn)的鉆機(jī)，但是通過近幾年對(duì)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的分析及市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的最終綜合應(yīng)用效果、性價(jià)比、使用和維修成本并不比立軸式巖心鉆機(jī)有明顯的優(yōu)越性，其主要表現(xiàn)在：

（1）鉆機(jī)投資大，動(dòng)力能耗高，其配件價(jià)格高，使用維修成本高。

（2）對(duì)施工工人素質(zhì)要求較高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)鉆探施工人員缺乏足夠的液壓維修技術(shù)知識(shí)，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的使用具有一定的客觀局限性，嚴(yán)重制約其在國(guó)內(nèi)的普及推廣。

（3）液壓傳動(dòng)對(duì)鉆機(jī)整體密封性要求較高，傳動(dòng)效率低，孔內(nèi)事故處理能力較差，通過比較我們發(fā)現(xiàn)，立軸式巖心鉆機(jī)與全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的特點(diǎn)具有一定的互補(bǔ)性。

圖1 XY－5L型鉆機(jī)

近年來，隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，受全液壓鉆機(jī)的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家相繼生產(chǎn)出了各式各樣的塔機(jī)一體式鉆機(jī)。2009年，衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司率先研發(fā)了XY－4L型塔機(jī)履一體式巖心鉆機(jī)，該鉆機(jī)一進(jìn)入市場(chǎng)就引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已批量生產(chǎn)銷售。但是，由于結(jié)構(gòu)形式的局限，使XY－4L型鉆機(jī)鉆探能力受到限制。

因此，研發(fā)一種新型鉆探能力強(qiáng)、綜合性能高的塔機(jī)一體式鉆機(jī)是很有必要的。衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)的XY－5L型巖心鉆機(jī)就是為此而創(chuàng)新研制的，把立軸式和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很好結(jié)合起來。

2 研發(fā)指導(dǎo)思想和技術(shù)路線

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外巖心鉆機(jī)的市場(chǎng)及技術(shù)調(diào)研情況，確定新型XY－5L塔機(jī)一體立軸式巖心鉆機(jī)的研發(fā)指導(dǎo)思想是：應(yīng)用國(guó)內(nèi)外成熟的先進(jìn)技術(shù)，吸收同領(lǐng)域前沿科學(xué)，實(shí)行產(chǎn)研用聯(lián)合機(jī)制，研發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情，力求適應(yīng)性、可靠性強(qiáng)，綜合性能高，價(jià)格低，易操作，并具有先進(jìn)性、創(chuàng)新性，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型立軸式巖心鉆機(jī)。目前，XY－5L型鉆機(jī)已獲得和申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家技術(shù)專利。

通過目前國(guó)內(nèi)外巖心鉆探立軸式巖心鉆機(jī)和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)性能利弊分析，取其各自優(yōu)點(diǎn)，以機(jī)械立軸式巖心鉆機(jī)為基礎(chǔ)，將新型立軸式巖心鉆機(jī)設(shè)計(jì)為塔機(jī)履一體自行行走，可觸地鉆塔結(jié)構(gòu)，雙油泵液壓系統(tǒng)，大小柴油機(jī)雙動(dòng)力配置，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和人性化。

（1）保持立軸式巖心鉆機(jī)機(jī)械式傳動(dòng)可靠的優(yōu)點(diǎn)，加上全液壓能實(shí)現(xiàn)整機(jī)移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)上將立軸式鉆機(jī)，鉆塔，泥漿泵，絞車等放在一個(gè)履帶底盤上。通過液壓操縱可實(shí)現(xiàn)，鉆塔的起落，傾斜。整機(jī)的調(diào)平，履帶行走有兩檔速度，平地時(shí)用快檔，爬較大坡度時(shí)用慢檔。

（2）為保證鉆進(jìn)時(shí)整機(jī)的穩(wěn)定性，同時(shí)行走時(shí)，塔可以收起。因此，在塔的設(shè)計(jì)中不同于其它的結(jié)構(gòu)型式。塔是分為三截，塔在塔座上可以上下滑動(dòng)，在打不同角度的孔時(shí)，始終能讓塔觸地，確保穩(wěn)定性。立軸式鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)與全液壓布置不同，為了適應(yīng)卷?yè)P(yáng)鋼絲的走向，盡量使鉆塔處于良好的受力狀況，在塔的中間加了一個(gè)滑輪座。同時(shí)增加了抬桿器，塔上護(hù)欄等附屬機(jī)構(gòu)。

（3）為減小立軸式給進(jìn)行程與全液壓的差距，這次把給進(jìn)行程由600mm增加到800mm。同時(shí)增強(qiáng)了回轉(zhuǎn)器的導(dǎo)向性。立軸加長(zhǎng)后，立軸的淬火，變型及磨削又有一些新的問題要解決。首先增加淬火機(jī)床行程，采用異型感應(yīng)圈淬火。然后進(jìn)行熱變形調(diào)校。通過廠內(nèi)工藝的摸索，立軸直線度在±0．05范圍內(nèi)，硬度在HRC48～55之間。通過鉆探生產(chǎn)驗(yàn)證回轉(zhuǎn)器卡盤穩(wěn)定性很好。

（4）一般立軸式鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)能力較小。如果設(shè)計(jì)大，消耗能量，但履帶底盤要求配置液壓系統(tǒng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的立軸式。為了兩者兼顧，采用了一大一小的雙泵供油，大泵為柱塞泵（63mL／r）。設(shè)計(jì)了分離機(jī)構(gòu)，鉆進(jìn)時(shí)不工作，行走時(shí)大泵合上。行走馬達(dá)設(shè)置高低速度檔，平路和坡度小時(shí)快速檔，路面阻力大和坡度大時(shí)低速擋。給進(jìn)系統(tǒng)采用差動(dòng)機(jī)構(gòu)，能保證快速倒桿，減少輔助時(shí)間。

3 結(jié)構(gòu)及原理

XY－5L型巖心鉆機(jī)是一種機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)、履帶行走、自帶液壓起落鉆塔的立軸式巖心鉆機(jī)。鉆機(jī)由柴油機(jī)動(dòng)力及離合器、變速箱、分動(dòng)箱、回轉(zhuǎn)器、卷?yè)P(yáng)機(jī)及水剎車、履帶底盤、液壓系統(tǒng)、鉆塔、取心絞車、泥漿泵等主要部件組成，如圖2所示。

圖2 XY－5L型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局圖

鉆機(jī)動(dòng)力分為兩個(gè)部分，一部分由一臺(tái)四缸柴油機(jī)獨(dú)立帶動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，另一部分由一單缸小柴油機(jī)帶動(dòng)繩索取心絞車和泥漿泵進(jìn)行工作，該部分可根據(jù)用戶需求進(jìn)行選擇配置。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)由雙油泵供油。

4 主要技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)型號(hào)：4BTA3．9－C100

柴油機(jī)功率：74kW（2200r／min時(shí)）

鉆進(jìn)能力：900～1800m

給進(jìn)行程：800mm

移機(jī)行程：500mm

立軸通徑：Φ93mm

立軸轉(zhuǎn)速：正轉(zhuǎn)：47、76、123、152、190、246、270、360、400、613、869、1161r／min

反轉(zhuǎn)：51、163r／min

卷?yè)P(yáng)提升速度：0．79、1．27、1．96、2．78、3．71m／s

卷?yè)P(yáng)提升能力：最大60kN

系統(tǒng)壓力：10MPa（履帶行走25MPa）

油泵型號(hào)：63SCY14－1BF（柱塞泵）＋SGP1A16RF（齒輪泵）

油泵排量：63＋16mL／r

鉆塔高度：11．7m

鉆塔負(fù)荷：300kN

鉆孔角度：90～45°

爬坡角度：30°

行走速度：1．5～2km／h

鉆機(jī)總質(zhì)量：11．5t

運(yùn)輸外形尺寸：（L×W×H）5200×2200×2900mm

5 生產(chǎn)應(yīng)用情況

試制后進(jìn)入小批量生產(chǎn)，2011年2月份投放市場(chǎng)。通過廠內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，各級(jí)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從目前的使用情況來看，在內(nèi)蒙、青海、新疆各開動(dòng)了兩臺(tái)鉆機(jī)，基本都從5月初開始施工，施工最深孔750m，80°斜度，終孔直徑 Ф77，最高臺(tái)月效率900m。

從生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的情況來看：

（1）鉆機(jī)轉(zhuǎn)速范圍寬，速度擋數(shù)多，分配合理，鉆探工藝適應(yīng)性強(qiáng)。輸出扭矩大，強(qiáng)度高，鉆進(jìn)能力強(qiáng)，使用范圍廣。

（2）自帶液壓起落鉆塔，安裝快捷，輕便靈活，液壓觸地穩(wěn)固，便于打斜孔由于鉆塔觸地，較以前的立軸式塔機(jī)一體有很好的穩(wěn)定性。

（3）操作簡(jiǎn)單，維修方便，機(jī)組使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為74kW和15kW，能耗和鉆探成本遠(yuǎn)低于全液壓鉆機(jī)。

（4）液壓系統(tǒng)采用雙油泵供油，鉆探倒桿快，履帶行走動(dòng)力強(qiáng)勁，機(jī)械化程度高。與立軸式比大大縮短了裝塔、拆塔的輔拆時(shí)間，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

（5）選用品牌發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、離合器、傳動(dòng)軸等優(yōu)質(zhì)部件，更換方便，鉆機(jī)工作可靠性程度高。

從使用的情況來看也存在一些問題：

（1）繩索取心絞車與泥漿泵驅(qū)動(dòng)共一動(dòng)力，絞車處于常轉(zhuǎn)狀態(tài)，極大地影響了絞車的使用壽命（主要是指絞車的離合器、傳動(dòng)軸）。

（2）泥漿泵和絞車的位置布置不合理。尤其是絞車的布置，導(dǎo)致操作不方便。

（3）現(xiàn)場(chǎng)照明和常用電動(dòng)工具用電問題需要另外配備發(fā)電機(jī)解決，要增加設(shè)備，不經(jīng)濟(jì)、不節(jié)能。

針對(duì)這些問題在改進(jìn)設(shè)計(jì)中已將泥漿泵和絞車改用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用一臺(tái)15kW左右發(fā)電機(jī)提供電機(jī)、電焊、照明、生活用電。

圖3

圖4

6 結(jié)語(yǔ)

自2006年全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在我國(guó)成功問世以來，國(guó)內(nèi)鉆探界就掀起了一場(chǎng)立軸式巖心鉆機(jī)和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的優(yōu)劣性以及巖心鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的大辯論。對(duì)于這場(chǎng)辯論，我們認(rèn)為“不選貴的，只選對(duì)的”，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)實(shí)際情況，以XY－5L塔機(jī)一體立軸式巖心鉆機(jī)為代表改進(jìn)后的立軸式巖心鉆機(jī)在未來仍將是我國(guó)地質(zhì)鉆探中的主要力量。

［1］杜祥麟．地質(zhì)鉆探設(shè)備三十年［J］．探礦工程，1982（4）．

［2］馮德強(qiáng)．鉆機(jī)設(shè)計(jì)．武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1993．

［3］宋翔雁．淺析地質(zhì)巖心鉆機(jī)發(fā)展趨勢(shì)［J］．探礦工程，1992（6）．