新型并置式雙卷揚車載鉆機的研制

孔令滬，滿國祥，王士昭，李艷麗，程 林

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

?

新型并置式雙卷揚車載鉆機的研制

孔令滬，滿國祥，王士昭，李艷麗，程 林

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

介紹了STC-1000型新型并置式雙卷揚車載鉆機的總體結構。該鉆機采用并置式雙卷揚機，使鉆機結構緊湊且布局合理，卷揚機可互換使用，卷揚提升、制動操縱方便可靠；可移動的天車輪組解決了雙卷揚提吊時的滑車對中問題；鉆塔起落回路應用了防爆閥，優(yōu)化了液壓系統(tǒng)。這幾項措施的應用提高了工作效率，真正實現了搬遷轉場方便快捷，省時省力，大幅縮短了輔助時間。

車載鉆機；并置式雙卷揚機；大口徑鉆孔；防爆閥

0 引言

隨著我國對資源勘探開發(fā)投入的不斷加大，水文水井鉆探、鈾礦開采等項目對鉆機的要求也越來越高。由于工期短，流動性大，搬遷頻繁，車載鉆機以其轉場迅速方便、省時省力、輔助時間短、工作效率高的優(yōu)勢得到了用戶的肯定。但市場現有車載鉆機價格昂貴、結構復雜、操作空間狹窄、副卷揚提升能力小、副卷揚與井口對中差等缺點影響了其在施工領域的地位。針對現狀，經過市場調研及客戶需求信息，我單位研制開發(fā)了新型并置式雙卷揚STC-1000型車載鉆機。

1 鉆機概述

STC-1000型鉆機為移動靈活的車載中深孔鉆機，該鉆機采用轉盤式回轉，機械傳動。并置式雙卷揚結構，不僅降低了勞動強度，提高了效率，而且工人操作空間大，并且可以同時放置柴油機和電動機，由用戶根據實際情況自由選擇電動機或柴油機動力，鉆機不使用汽車動力，使結構簡單，成本降低；塔頭天輪可平移，使主、副卷揚中心自動對中，接卸鉆桿方便快捷；鉆塔起降、整機調平均由液壓操縱，省力便捷；整機具有運輸方便、鉆孔直徑大，鉆進較深等特點。鉆機選用載重汽車(8×4)底盤，越野性好。鉆機主機部分、動力系統(tǒng)、泥漿泵、液壓泵站均安裝在汽車底盤上，整體性好，經濟性強。鉆塔為整體式，液壓起降。柴油機動力時也配有三相交流發(fā)電機組，為施工現場夜間照明或焊接維修提供方便。傳動系統(tǒng)以機械傳動為主，配有部分液壓和電氣系統(tǒng)。鉆進工藝以泥漿正循環(huán)為主，根據用戶要求，可配備空壓機，實施氣動潛孔錘鉆進；若配備氣水兩用水龍頭、雙壁專用鉆桿、氣水分離器，可實施氣舉反循環(huán)鉆進。適于粘土層、砂層、卵礫石層和基巖等多種地層鉆進，可用于水井、地熱井、煤層氣井以及礦山搶險救援井施工等。其總體結構如圖1所示。

2 鉆機總體參數

鉆孔深度：1000 m；

轉盤通孔直徑：660 mm；

轉盤轉速：正反28、41、59 r/min；

雙卷揚機提升能力：60 kN；

主卷揚第二層繩速：1.0、1.45、2.1 m/s；

輸入轉速：707 r/min；

桅桿結構形式：∏形；

有效高度：15 m；

鉆機動力：55 kW；

鉆塔額定載荷：500 kN；

泥漿泵型號：BW1200/3；

泥漿泵型式：臥式雙缸雙作用活塞式；

泥漿泵動力：90 kW；

整機質量：30 t；

外形尺寸(運輸狀態(tài))：14.5 m×2.5 m×4.3 m；

外形尺寸(工作狀態(tài))：12.5 m×3.8 m×18.5 m。

圖1 STC-1000型鉆機整體結構圖

3 鉆機結構

STC-1000型車載鉆機由汽車底盤、動力系統(tǒng)、并置式雙卷揚機、變速箱、轉盤、泥漿泵、鉆塔、液壓系統(tǒng)等幾部分組成。主機傳動系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STC-1000型鉆機傳動系統(tǒng)示意圖

3.1 汽車底盤

汽車底盤采用有資質廠家生產的重型載貨汽車底盤，該底盤結構為前4后8，驅動形式為8×4，具有總體剛性大、承載能力強，能滿足鉆機施工和運輸狀態(tài)載荷變化要求。底盤上配備4個液壓支腿和2個機械支腿，便于鉆機快速調平和提高整個鉆機的穩(wěn)定性。

3.2 動力系統(tǒng)

該鉆機可同時帶有柴油機和電動機兩種動力供用戶選用。當采用柴油機形式時，動力通過柴油機中間車，一路傳給鉆機，一路傳給泥漿泵，另一路傳給發(fā)電機，發(fā)電機提供液壓系統(tǒng)以及照明和外部設備用電；當采用電動機形式時，通過配電柜分別控制鉆機、泥漿泵、液壓油泵的動力，并通過配電柜上的多個端口，滿足照明及其他外部用電。

3.3 并置式雙卷揚機

在水文水井鉆進中目前采用的多為單卷揚或一主一副的雙卷揚結構，副卷揚提升能力一般都在20 kN以內，只能滿足提吊單根鉆具或輔助工具使用。在鉆進中需要加鉆桿時，就得先將方鉆桿掛在鉆塔上或拉倒放在地面上，才能解放主卷揚，進行加鉆桿作業(yè)，加鉆桿完成后，主卷揚拉起方鉆桿對接鉆桿后再繼續(xù)鉆進。這樣的操作過程不僅程序繁瑣、工人勞動量大，也使得輔助時間大幅增加?；谏鲜霾蛔?，STC-1000型鉆機采用了并置式雙卷揚機，雙卷揚均為主卷揚。在鉆進中加鉆桿時，可以一個卷揚負責提吊水龍頭、方鉆桿，另一個卷揚負責提起一根鉆桿并完成加鉆桿作業(yè)，這樣使鉆井中加鉆桿步驟簡化、時間縮短、勞動強度降低、效率提高。

并置式雙卷揚機(見圖3)采用一根卷揚軸作為動力輸入軸，兩個主卷揚左右并列安置，動力由鏈輪從一端輸入，由3個軸承座將卷揚安裝在鉆機底架上。2個卷揚結構一致，均采用行星齒輪傳動，動力經卷揚軸輸入，中心齒輪轉動，當提升抱閘抱緊時，行星齒輪不能公轉，中心齒輪帶動內齒圈轉動，使卷揚旋轉，實現卷揚提升。當制動抱閘抱緊時，內齒圈隨卷筒一起被剎住不轉，實現卷揚制動。兩個卷揚安裝在同一根卷揚軸上，采用一個動力輸入，結構緊湊且布局合理；雙卷揚均為主卷揚，可互換使用；雙卷揚均采用行星齒輪傳動原理，卷揚提升、制動操縱方便可靠。我中心已為此技術申請了國家專利,專利申請?zhí)?01720065981.7。

圖3 并置式雙卷揚機

3.4 變速箱(參見圖4)

圖4 變速箱

自制變速箱結構為齒輪式傳動，變速箱的輸入軸和離合器的輸出端相連，操縱變速手把可以方便的變換所需轉數，采用接合套換擋方式，在變速箱操縱機構中，各變速叉軸之間均用變速手把進行自鎖，以防止自動脫擋，并保證齒以全齒嚙合。通過裝在箱蓋上的分動手把和換向手把以及變速手把實現分動、換向和變速。變速箱可使轉盤獲得3種正轉和3種反轉速度，使卷揚獲得快、中、慢3種提升速度。

自制變速箱內大部分易損齒輪選用市場上常用鉆機變速箱上的同規(guī)格齒輪，在保證結構緊湊的同時，也使制造和維修方便，節(jié)約了成本，使鉆機具有良好的經濟性。

3.5 轉盤

為適應大扭矩、大孔徑的施工需要，本鉆機采用兩級減速，通徑為660 mm的撥杠補芯式轉盤，利用上、下墊叉擰卸鉆具。撥杠補芯可選用110 mm×110 mm和136 mm×136 mm兩種。

3.6 泥漿泵

泥漿泵為BW1200/3型，額定流量為1200 L/min，額定排出壓力3 MPa，其結構為臥式雙缸雙作用型。流量大、壓力小適合于中深或淺孔的地質勘查和鈾礦、鹽井、水井等的施工。根據施工工藝，需要改變壓力和流量時，可通過更換泵頭里的缸套、活塞套和活塞來改變。

3.7 鉆塔

為適應大口徑施工鉆塔穩(wěn)定性的要求，該鉆機鉆塔結構形式為兩節(jié)Π形落地式結構。這兩節(jié)鉆塔為可拆卸式結構，長途運輸時，可拆卸上節(jié)鉆塔方便運輸。工作時鉆塔下面2個支腿也支撐在枕木上，增加了鉆塔的穩(wěn)定性和可靠性;同時鉆塔內側焊接有軌道，可以用來扶正水龍頭。

3.8 液壓系統(tǒng)(參見圖5)

液壓油由齒輪油泵供給，油泵將壓力油輸送給滑閥(即操縱閥)，當手柄在中間位置時，油進入回油路返回油箱。防爆閥用來保證系統(tǒng)內的安全壓力。

鉆塔的起落由起塔油缸來完成。鉆塔起落回路裝有防爆閥來保證鉆塔的正常工作。

天輪組的滑移均由獨立的液壓閥控制相應的油缸完成。液壓支腿的伸縮由4個液壓閥獨立控制，方便調節(jié)，每個液壓支腿都配有液壓鎖，保證了液壓支腿長時間工作的可靠性。

4 STC-1000型車載鉆機的主要創(chuàng)新點

4.1 采用了并置式雙卷揚機

解決了雙卷揚使用中副卷揚提升能力不足或布局不合理的現狀，并且改變了車載鉆機工人操作空間狹小、柴油機和電動機在拖車或車載鉆機上同時放置的難題，使鉆機結構更緊湊，布局更合理，鉆進效率提高，用戶使用方便，勞動強度降低。

4.2 采用了移動式鉆塔天車輪組

STC-1000型車載鉆機的鉆塔天車輪組繼續(xù)采用了我中心的另一項新型專利鉆塔天車輪組，可移動的鉆塔天車輪組由天車橫梁、安裝在天車橫梁上的天輪支架、固定在天輪支架上的主卷揚天輪組和副卷揚天輪組、連接在天輪支架和天車橫梁之間的天車油缸組成。天輪支架與天車橫梁之間采用滑軌式連接，天車橫梁上設有供天輪支架滑動的軌道，天車油缸可以控制天輪支架沿軌道左右滑動。利用天車油缸控制天輪支架移動，進而實現了主卷揚天輪組和副卷揚天輪組的自由左右移動。當主卷揚天輪組提吊時，液壓控制系統(tǒng)控制天車油缸收縮，此時主卷揚天輪組提吊對中，當副卷揚天輪組提吊時，液壓控制系統(tǒng)控制天車油缸伸長，此時副卷揚天輪組提吊對中，解決了副卷揚天輪組提吊無法自動對中，鉆桿旋卸困難的問題。實現了主、副卷揚提吊鉆具均可自動對中，降低了鉆井工人的勞動強度，提高了鉆井設備的工作效率。

4.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

市場上多數液壓起塔鉆機，鉆塔起落回路裝有液壓平衡閥，來保證鉆塔勻速下落，以及油缸處裝有液壓鎖來防止事故發(fā)生，其缺點是同步性差，平衡閥前面的液壓管的安全性無法保證。本臺車載鉆機采用安裝防爆閥來解決這一問題。

防爆閥的基本原理(參見圖6)是利用進出口兩端的壓差與彈簧力的不平衡，當管路中流量超過設定值時，兩油口之間壓差增大，克服彈簧力推動閥芯運動，切斷油路，從而防止發(fā)生事故，直到恢復正常壓力后，防爆閥方能開啟。

圖5 液壓系統(tǒng)示意圖 圖6 防爆閥工作原理示意圖

當液壓油從油缸流向液壓閥時，由于閥芯與閥套間流道的節(jié)流作用，壓力下降，閥芯受到與流動方向相同的壓差作用力，正常工作狀態(tài)下，壓差不超過彈簧力，閥口開啟；當一側管路發(fā)生破裂時，經過節(jié)流口的流量急劇增加，流量的增加引起壓差增大，能夠克服彈簧力，推動閥芯移動，迅速關閉閥口，從而保證鉆塔的平穩(wěn)安全起落。

4.4 人性化設計

汽車底盤轉盤位置前面增加了可折疊3.8 m×1.2 m工作臺，兩側增加了0.6 m寬可折疊工作臺，方便擰卸作業(yè)和放置擰卸工具。工作臺周邊均安裝安全防護欄，工作臺表面鋪設防滑并可透水的鱷魚板，采用可折疊式工作臺，上翻時可收起，不影響行駛的長度和寬度，下放至水平即可工作時使用。

各操作位附近均設置了可折疊設計的斜梯，并鋪有安全防滑的鱷魚板，既方便工作，也不影響運輸。

轉盤工作臺前端還裝有可拆卸的鉆桿滑道，方便提拉、下放鉆具，并且有效防止鉆具的磕碰。

5 STC-1000型車載鉆機的廠內試驗情況

新型并置式雙卷揚STC-1000型車載鉆機在樣機試制完成后，按照《水文水井鉆機技術條件》(DZ/T 0047—93)、《水文水井鉆機試驗方法》(DZ/T 0048—93)、《汽車裝地質鉆機技術條件》(DZ/T 0018—91)、《汽車裝地質鉆機試驗方法》(DZ/T 0019—91)，在我中心試驗場進行了各項試驗。

5.1 空載運轉

鉆機連續(xù)空載運轉24 h，各運轉部件平穩(wěn)，各部位結合、分離準確可靠，無沖擊、無異常振動和發(fā)熱現象，溫升<40 ℃，密封件無滲漏。

5.2 卷揚提吊能力

主、副卷揚各用6 t試塊進行單繩提升、制動能力試驗和緊急制動試驗，提升輕快靈活、制動準確可靠。

5.3 鉆塔承載力

鉆塔連接進行了承載力試驗，逐級加載至36 t(360 kN)，保持10 min。卸載后穩(wěn)定，無永久變形、焊縫、焊口處無開裂及裂紋等現象。

5.4 超載試驗

對卷揚機提升能力和鉆塔進行了超載試驗。主副卷揚在7 t(70 kN)負荷下升降3次，提升、制動工作正常；鉆塔在55 t(550 kN)載荷下，保持10 min，卸載后，保持完好，無永久變形，焊縫、焊口開裂現象。

5.5 噪聲檢測

在鉆機中速及負荷18 t(180 kN)時，按照規(guī)定對鉆機進行了噪聲檢測，噪聲平均80 dB，符合國家和行業(yè)標準的規(guī)定。

5.6 液壓系統(tǒng)

液壓起塔運行平穩(wěn)，速度適中；天輪組平移順暢、四個支腿油缸調節(jié)快速、方便；防爆閥、液壓鎖工作可靠；各部件無滲漏現象。

6 野外現場使用情況

2016年9月，STC-1000型車載鉆機在新疆伊犁地區(qū)進行了地浸鈾礦開采井施工(見圖7)，鉆孔直徑311 mm，深度475 m，主要地層為砂層和卵礫石層，采用泥漿正循環(huán)鉆井工藝。由于鉆機采用了并置式雙卷揚設計，有效地節(jié)省了起下鉆時間，從而大幅縮短了施工時間，僅用時10天就完成施工，較同場地常規(guī)車載和拖車鉆機用時縮短20%～30%，達到了提高鉆井效率的目的。在使用整個過程中鉆機運行平穩(wěn)，未出現設備故障。通過實際使用，用戶認為此鉆機設計先進，參數合理，操作方便，經濟耐用，不僅鉆井效率高，而且降低了工人勞動強度。

圖7 施工現場

7 結語

隨著鉆井施工市場競爭的日益激烈，對鉆機的高效、優(yōu)質、安全、低耗等經濟技術指標要求越來越高。并置式雙卷揚車載STC-1000型鉆機作為一種效率高、勞動強度低、性價比好、省時省力的車載鉆機，必將會受到市場的青睞。隨著鉆機的逐步市場推廣，將針對其出現的不足，進一步改進和完善。

[1] 馮德強，等.鉆機設計[M].湖北武漢：中國地質大學出版社，1993.

[2] 史亞楠，劉慶禮，張西坤，等.水井鉆機的選型與配套[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):27-32.

[3] 王慧嶺，程林，朱立強，等.新型SPT-600拖車鉆機的研制[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011,38(6):26-28,32.

[4] 宋偉，宋秋鋒，呂龍，等.新型SPT-1500拖車鉆機的研制及應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014,41(11):41-45.

[5] 李曉暉，程林，李艷麗，等.便捷式SPT-1500型拖車鉆機的研制與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015,42(6):35-38.

[6] 張紅軍，馮書亮，祖國棟，等.液壓系統(tǒng)管路防爆閥原理分析及應用[J].建筑機械，2015,(9)：101-104.

[7] 王龍,白祖衛(wèi).巖心鉆機液壓鉗盤式剎車卷揚機的研發(fā)與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(8):63-67.

[8] DZ/T 0047—93，水文水井鉆機技術條件[S].

[9] DZ/T 0048—93，水文水井鉆機試驗方法[S].

Development of a New Collocated Double-Hoister Truck Mounted Drilling Rig/

KONGLing-hu,MANGuo-xiang,WANGShi-zhao,LIYan-li,CHENGLin

(The Center of Land and Resources Exploration, Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration, Shijiazhuang Hebei 050081, China)

This paper introduces the overall structure of new STC-1000 collocated double-hoister truck mounted drilling rig. With the collocated double hoisters, the drilling rig has compact structure and reasonable layout, the hoisters can be used interchangeably, winding, lifting and braking are convenient and reliable; the pulley centering of double-hoister lifting is solved by movable sheave group; explosion relief valve is used in derrick take-off and landing circuit to optimize the hydraulic system. The working efficiency is improved by the above application, the relocation has become convenient and rapid, and the auxiliary time is greatly shortened.

truck mounted drilling rig; collocated double-hoister; large diameter borehole; explosion relief valve

2017-02-21

孔令滬，男，漢族，1971年生，機械設計專業(yè)，從事地質機械研發(fā)工作，河北省石家莊市中山西路788號，3170841878@qq.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)06-0018-05