HD－500型海洋鉆機(jī)的研制

歐陽志強(qiáng)

（衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南 衡 陽421002）

HD－500型海洋鉆機(jī)是衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司與中交四航院有限公司聯(lián)合研發(fā)的船用液壓動力頭鉆機(jī)。該鉆機(jī)在港珠澳大橋島隧工程補(bǔ)充地質(zhì)勘察（海域水深15～25m）中取得了良好的效果，現(xiàn)將情況介紹如下。

1 鉆機(jī)工作原理

HD－500型海洋動力頭鉆機(jī)是專業(yè)針對海洋、江河等非陸地地帶進(jìn)行工程地質(zhì)勘察施工而設(shè)計(jì)研發(fā)的一種新型全液壓鉆機(jī)。鉆機(jī)動力由柴油機(jī)提供，采用全液壓傳動；一個(gè)柱塞油泵供油實(shí)現(xiàn)馬達(dá)及動力頭輸出軸旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；兩個(gè)小齒輪油泵供油實(shí)現(xiàn)液壓絞車、泥漿泵及其他輔助液壓部件的工作；鉆機(jī)的各種操作全部采用手動多路換向閥進(jìn)行集中控制。根據(jù)鉆進(jìn)實(shí)際情況，通過各種調(diào)節(jié)閥可對鉆機(jī)進(jìn)行速度快慢、大小等狀態(tài)的調(diào)節(jié)。鉆機(jī)通過動力頭的回轉(zhuǎn)、提升以及其他執(zhí)行部件的輔助工作，運(yùn)用不同的鉆進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)取樣和觸探，完成鉆探任務(wù)。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HD－500型海洋動力頭鉆機(jī)適用于金剛石繩索取心、沖擊回轉(zhuǎn)、反循環(huán)連續(xù)取心（樣）等多種高效鉆探工藝方法，也可用于工程地質(zhì)鉆進(jìn)。整個(gè)鉆機(jī)由動力站、液壓操控系統(tǒng)、動力頭、鉆塔、卷揚(yáng)機(jī)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。

2．1 主要技術(shù)參數(shù)

2．1．1 基本參數(shù)

鉆孔深度（水深100m 時(shí)）500、400、300m

鉆孔直徑91、110、127mm

2．1．2 動力站參數(shù)

動力：康明斯4BTAA3．9－C125渦輪增壓柴油機(jī)

功率：92 k W

2．1．3 動力頭參數(shù)

輸出轉(zhuǎn)速（正反）

1擋：110～188r／min；2擋：206～350r／min；

3擋：387～658r／min；4擋：705～1200r／min

額定輸出扭矩

1擋：5800～3394N·m；2擋：3097～1822N·m；

3擋：1648～969N·m；4擋：905～532N·m

2．1．4 液壓系統(tǒng)參數(shù)

主泵：160L／min，25MPa

副泵：64L／min，16MPa

輔助泵：40L／min，12MPa

液壓油冷卻：風(fēng)冷

2．1．5 鉆塔和給進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)

給進(jìn)行程：6500mm

給進(jìn)進(jìn)度：快速和慢速，帶變速控制

推進(jìn)力：動力頭自重

提拔力：100k N

圖1 液壓系統(tǒng)工作原理圖

鉆探角度：90°

鉆桿提拔長度：6000mm

鉆塔垂直高度：9m

額定負(fù)載能力：400k N

2．1．6 卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)

（1）8噸絞車

提升能力（單繩第一層）：80k N

單繩提升最大速度：42m／min

鋼纜尺寸：Φ20mm×40m

（2）5噸絞車

提升能力（單繩第一層）：50k N

單繩提升最大速度：40m／min

鋼纜尺寸：Φ18mm×50m

（3）2噸絞車

提升能力（單繩第一層）：20k N

單繩提升最大速度：35m／min

鋼纜尺寸：Φ14mm×150m

2．1．7 泥漿泵型號：BW－250或BW450／5

2．2 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．2．1 動力站

圖2 動力站外形圖

動力站（圖2）是鉆機(jī)的動力源，主要由動力機(jī)、液壓油泵、油箱、水箱、冷卻器、防護(hù)罩及底座等部件組成。動力機(jī)為康明斯4BTAA3．9－C125型柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動液壓柱塞油泵轉(zhuǎn)動，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為液壓能，再通過操縱臺上的多路換向閥，將壓力油分配到液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的各種功能。動力機(jī)配置了全包散熱器，其前部安裝有液壓油冷卻器，油泵吸油口設(shè)置過濾器，工作液壓油流回油箱前通過濾油器和冷卻器過濾和冷卻。動力站底部有接油盤，以避免油污對施工船體的污染。整個(gè)動力站設(shè)計(jì)有可拆卸式防護(hù)罩，用于隔音和保護(hù)柴油機(jī)。動力站的總體布置以船形滑橇為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)為高度較低的長方體，便于運(yùn)輸、安裝和移動。

2．2．2 液壓操控系統(tǒng)

液壓操控系統(tǒng)（圖3）是鉆機(jī)的控制裝置，主要由液壓油泵、液壓馬達(dá)、多路換向閥、調(diào)速閥、壓力表、膠管和臺架等部件組成。液壓油路由一個(gè)主液壓油路回路和兩個(gè)輔助液壓油路回路組成。通過操縱多路換向閥相應(yīng)的手柄可控制鉆機(jī)動力頭的正反向旋轉(zhuǎn)和卷揚(yáng)機(jī)等輔助液壓執(zhí)行部件的動作。通過各調(diào)速閥可控制鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，操縱臺上的各壓力表和顯示儀可對柴油機(jī)、液壓油泵泵壓、泥漿泵壓力、鉆機(jī)鉆進(jìn)孔底壓力、動力頭轉(zhuǎn)速、液壓油油溫等進(jìn)行監(jiān)控。操縱臺下部也設(shè)計(jì)有接油盤，以防液壓油意外泄露對船體的污染。

圖3 操縱臺外形圖

2．2．3 動力頭

動力頭（圖4）是給鉆具提供扭矩、轉(zhuǎn)速的部件，其主要作用是將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)鉆具的旋轉(zhuǎn)。主要由液壓馬達(dá)、變速箱、傳動箱、水龍頭、配重塊、潤滑系統(tǒng)和安裝支架等部分組成。鉆機(jī)的給進(jìn)主要是靠動力頭自重來實(shí)現(xiàn)的。動力頭設(shè)置四檔輸出速度，以適應(yīng)以金剛石鉆進(jìn)為主體的多種鉆探工藝對轉(zhuǎn)速的要求，同時(shí)有利于處理孔內(nèi)事故，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便。

2．2．4 鉆塔

鉆塔（圖5）是鉆機(jī)的主要起升設(shè)備，其主要作用是安放天車、吊鉤起升設(shè)備，并用來下鉆具、下套管和快速倒桿等。鉆塔主要由底架、下塔、中塔、上塔、天車、拉索和拉索油缸等組成。鉆塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為懸吊式，鉆探時(shí)無需將鉆塔移離孔口，在保證需求強(qiáng)度的同時(shí)更加穩(wěn)定、安全。

2．2．5 卷揚(yáng)機(jī)

卷揚(yáng)機(jī)（圖6～9）是鉆機(jī)的起重機(jī)械，其主要是用于控制動力頭自重給進(jìn)的快慢速和起下鉆具、套管。該卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)由4臺能力不同的液壓絞車組成，其中8噸絞車主要通過減速機(jī)構(gòu)帶動卷筒拉緊和松開鋼絲繩來實(shí)現(xiàn)下套管和拔套管以及處理井底事故等；5噸絞車主要用于懸持動力頭，控制動力頭自重給進(jìn)的快慢速和提升鉆具等；2噸絞車主要用于打撈巖心管，進(jìn)行繩索取心；沖擊絞車主要用于沖擊鉆進(jìn)和反沖擊撥管，4臺絞車全部由液壓馬達(dá)啟動。

圖4 動力頭

圖5 鉆塔

圖6 8噸絞車

圖7 5噸絞車

圖8 2噸絞車

圖9 沖擊絞車

2．2．6 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

為了隨時(shí)清洗孔底已破碎的巖石，確保連續(xù)鉆進(jìn)，鉆機(jī)配有泥漿循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括泥漿池、泥漿泵（圖10）、泥漿管線以及泥漿調(diào)節(jié)和配置設(shè)備等。

3 關(guān)鍵問題的解決

該項(xiàng)目研究設(shè)備首批要求用于港珠澳大橋工程的海洋工程勘探，國內(nèi)沒有成型的設(shè)備，國外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高，時(shí)間長。項(xiàng)目的研發(fā)主要有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）液壓補(bǔ)給鉆進(jìn)

液壓補(bǔ)給鉆進(jìn)是首次用到勘探鉆機(jī)上，這種給進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用很大程度上提高了勘探施工的質(zhì)量，能夠連續(xù)取出原狀土樣，為工程設(shè)計(jì)提供了最為可靠的數(shù)據(jù)樣本。它是通過氣囊壓力油來壓縮氣體實(shí)現(xiàn)能量的儲存與釋放，以此來抵消船體由于海浪而升高和沉降（圖11）。這種技術(shù)的應(yīng)用解決了以前（圖12）因加重塊給船體變化鉆進(jìn)而帶來的難題。

圖11

圖12

（2）軸承式減磨撥叉機(jī)構(gòu)

由于變檔齒輪的支承是靠撥叉，重力始終作用在摩擦副上，以前的為滑塊式撥叉機(jī)構(gòu)（圖13），為滑動摩擦，改進(jìn)后的為減磨式撥叉機(jī)構(gòu)（圖14）。它的應(yīng)用使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由原來的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，這種摩擦形式的改變在立式回轉(zhuǎn)中大大降低了設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的發(fā)熱現(xiàn)象，提高了設(shè)備的可靠性。

圖13 滑塊式撥叉機(jī)構(gòu)

圖14 軸承式減磨撥叉機(jī)構(gòu)

（3）數(shù)字化、人性化的控制系統(tǒng)

該項(xiàng)目設(shè)備采用液壓驅(qū)動、電液控制，并帶自動檢測和報(bào)警等機(jī)電一體化功能。施工工人可以通過數(shù)字化顯示儀器，直觀、方便的隨時(shí)掌握施工工況，即海底鉆探中孔內(nèi)情況。降低了鉆探孔內(nèi)事故的發(fā)生率，可提前采取預(yù)防措施，提高鉆進(jìn)效率。

圖15 控制系統(tǒng)

（4）模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是將設(shè)備的各功能性部件以模塊的形式進(jìn)行整合。這種設(shè)計(jì)給施工提供了極大的方便，搬遷運(yùn)輸方便靈活，同時(shí)模塊化功能齊全，能滿足各種復(fù)雜地層的施工工藝要求，安全性強(qiáng)，不破壞船體。布置圖如圖16所示。

圖16

4 作業(yè)環(huán)境

4．1 場地環(huán)境

本次勘察地點(diǎn)位于珠江口零丁洋海域，距離珠海市香州港約11海里，距離香港大嶼山約3海里?？辈焖蛩罴s在8～20m之間。該水域受珠江河水水流和潮汐水流綜合影響，在大潮期間退潮時(shí)水流很急，流速可達(dá)5節(jié)左右，部分區(qū)域有不規(guī)則潮流，海況主要受季節(jié)風(fēng)影響，冬季主要受東北季候風(fēng)影響，海浪較大；春夏季主要受東南風(fēng)影響，來自外海的涌浪較大，一般而言春夏季午后涌浪較大。

圖17 施工現(xiàn)場

4．2 地層條件

該區(qū)域的覆蓋層主要為海相、海陸交互沉積層，厚度較大，一般在60～70m左右，上部為淤泥～淤泥質(zhì)土，厚度在8～25m不等，中部為粘土夾砂，層厚約在10～25m之間，下部主要為粗砂層，最厚達(dá)約40m，基巖主要為混合花崗巖。

圖18 巖心

5 HD－500型鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)

HD－500型鉆機(jī)主要的優(yōu)點(diǎn)是具有波浪補(bǔ)償功能、全液壓驅(qū)動、控制臺操作簡單、動力頭自由活動空間大等。

5．1 波浪補(bǔ)償功能

HD－500型鉆機(jī)設(shè)計(jì)了鉆具行程波浪補(bǔ)償器，分為重力式與液壓補(bǔ)償平衡式兩種，這也是HD－500型鉆機(jī)的核心技術(shù)所在。在進(jìn)行鉆探過程中，當(dāng)因海浪上下波動而造成鉆探船上下浮動時(shí)，通過波浪補(bǔ)償器的使用，避免了鉆具隨鉆探船浮動而上下波動，從而避免了鉆機(jī)對地層的擾動，提高了勘察質(zhì)量，這是傳統(tǒng)的鉆機(jī)所不具備的功能。

5．2 全液壓驅(qū)動

HD－500型鉆機(jī)的動力頭、卷揚(yáng)、水泵均為液壓驅(qū)動，相對傳統(tǒng)的鉆機(jī)而言，驅(qū)動部分體積小而有力；動力頭的4個(gè)不同檔速，使鉆桿的驅(qū)動扭矩與轉(zhuǎn)速可在很大的范圍內(nèi)實(shí)行無級調(diào)速，以滿足鉆進(jìn)過程中對扭矩與鉆速的不同需求，同時(shí)，由于采用了全液壓傳動與驅(qū)動，可以實(shí)行集中控制。

5．3 控制平臺操作簡單

HD－500型鉆機(jī)控制平臺集成程度較高，動力頭、8噸卷揚(yáng)、5噸卷揚(yáng)、2噸卷揚(yáng)和泥漿泵的操縱均集中在一個(gè)控制平臺上，且控制平臺上的操縱閥操作簡單，減少了鉆機(jī)操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了舒適度。

5．4 動力頭活動空間大

HD－500型鉆機(jī)采用了動力（水龍）頭，它固定在一矩形鋼制框架內(nèi)，通過框架兩側(cè)耳孔與緊崩在井架頂部與底部的鋼絲繩相貫通，鋼絲繩作為動力頭上下的導(dǎo)軌，鋼絲繩上端與伸縮液缸相固定，以便放松與緊崩鋼絲繩，且當(dāng)鋼絲繩放松時(shí)，動力頭可方便地置于側(cè)邊，同時(shí)動力頭可在5噸卷揚(yáng)的控制下自由的上下升降，這樣大大方便了井口的作業(yè)。同時(shí)，由于動力頭可以自由的上下升降，鉆探平臺上余留的套管高度可較自由的控制，不像傳統(tǒng)鉆機(jī)那樣機(jī)頭是固定高度的，鉆探平臺上余留的套管高度很受節(jié)制，并且在潮汐漲退的影響下要頻繁的更換短套管。

6 HD－500型鉆機(jī)的改進(jìn)

HD－500鉆機(jī)在港珠澳大橋島隧工程中的使用，得到了國內(nèi)外的專家高度評價(jià)，但有幾方面還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足本鉆機(jī)的發(fā)展需要。

6．1 改進(jìn)波浪補(bǔ)償器

不管是重力式還是液壓式，均存在難調(diào)平衡的問題，如果能增加一個(gè)稱重裝置，根據(jù)稱出鉆具的重量來調(diào)配相應(yīng)的配重砝碼或油壓壓力，或許能解決調(diào)平衡難的問題。另外，對于重力式波浪補(bǔ)償器，應(yīng)增加一些重量較輕的砝碼，同時(shí)把配置器的固定連接栓調(diào)整至平臺之上；對于液壓式波浪補(bǔ)償器，應(yīng)調(diào)整壓力表讀數(shù)或注明壓力與鉆具重量的相應(yīng)關(guān)系。

6．2 改善液壓油管

盡量的多采用塑料高壓油管，最好全部采用塑料高壓油管，如此能降低鉆機(jī)安裝的難度，且塑料高壓油管不存在銹蝕的問題，如出現(xiàn)爆裂也容易更換。

6．3 改善液壓油管連接方式

盡可能的采用并聯(lián)聯(lián)接，當(dāng)其中某個(gè)組成部件的液壓油管損壞時(shí)，可以關(guān)閉該部件的油管閥門，鉆機(jī)可以繼續(xù)工作，這在緊急情況下尤為必要。

6．4 改善液壓卷揚(yáng)的反應(yīng)速度

如果可能，可考慮改善2噸卷揚(yáng)和8噸卷揚(yáng)的反應(yīng)速度，以便能使用2噸卷揚(yáng)進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，必要時(shí)使用8噸卷揚(yáng)打反錘。

6．5 改善操作臺的密封性

操作臺內(nèi)有較多電子元件，而野外作業(yè)條件差，經(jīng)常受降雨等因素影響，如操作臺密封性不好，其內(nèi)的電子元件很容易進(jìn)水損壞。