全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)選型分析

王玉吉

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250200)

0 引言

1976年，我國(guó)地礦系統(tǒng)首先開(kāi)展了全液壓頂驅(qū)式鉆機(jī)的研制，該型鉆機(jī)的研制在我國(guó)起步不晚，但由于20世紀(jì)90年代以前，我國(guó)液壓元件質(zhì)量不能滿足鉆機(jī)工況要求，加之維修水平低、成本偏高，該機(jī)型未能推廣使用。首輪研制告一段落。直至2002年，國(guó)內(nèi)礦權(quán)對(duì)外資開(kāi)放，外方投資者要求鉆探施工必須使用全液壓鉆機(jī)，使得大量國(guó)外全液壓鉆機(jī)進(jìn)入我國(guó)，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)地質(zhì)裝備研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位開(kāi)始了新一輪全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)研制。2001—2017年的十幾年中我國(guó)地質(zhì)鉆探裝備制造企業(yè)經(jīng)歷了由一路飚升的供不應(yīng)求到現(xiàn)在無(wú)人問(wèn)津的苦楚。本文簡(jiǎn)單分析了全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)普及率不高的原因，提出全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)采購(gòu)選型時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素，并在簡(jiǎn)單分析的基礎(chǔ)上提出選型建議，供同行們參考。

1 全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)普及率不高的主觀原因

1.1 廠家盲目跟風(fēng)，一窩蜂全上

已有技術(shù)的再研究，比起從零開(kāi)始簡(jiǎn)單很多，面對(duì)巨大的供給缺口，沒(méi)有哪一個(gè)地質(zhì)裝備研發(fā)制造機(jī)構(gòu)或單位愿意置身其外，在當(dāng)時(shí)環(huán)境下，能夠生產(chǎn)出類(lèi)似鉆機(jī)就能賣(mài)出去，所以國(guó)內(nèi)有研發(fā)制造能力的廠家都上了這類(lèi)鉆機(jī)項(xiàng)目，較早推向市場(chǎng)的有山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所、連云港黃海機(jī)械股份有限公司等，后來(lái)有北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司的加入，較晚進(jìn)入的有西安探礦機(jī)械廠、長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠、衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠、張家口探礦機(jī)械廠等廠家，眾多廠家一擁而上，產(chǎn)品型式、編號(hào)規(guī)則、能力設(shè)計(jì)等，都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，都是依據(jù)各單位特色，給用戶選型造成了困難。

1.2 技術(shù)跟進(jìn)不及時(shí)，產(chǎn)品沒(méi)完善就銷(xiāo)售

一種產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品成熟，必須經(jīng)歷樣機(jī)試制、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)、小批量生產(chǎn)等階段，而這種產(chǎn)品從樣機(jī)生產(chǎn)出來(lái)到推向市場(chǎng)沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行大型升級(jí)完善，只能在樣機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)，雖小有瑕疵，但仍舊供不應(yīng)求，所以各廠家技術(shù)人員對(duì)鉆機(jī)完善升級(jí)的欲望就打了折扣，使用戶形成了國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)不如進(jìn)口鉆機(jī)的印象。

1.3 鉆工水平?jīng)]有適應(yīng)，不能很好地發(fā)揮裝備能力

全液壓鉆機(jī)操作者與立軸式巖心鉆機(jī)操作者比起來(lái)，要求有更高的技術(shù)水平，使用者遇到問(wèn)題往往束手無(wú)策，不懂修、不會(huì)修、不敢修并存，在鉆機(jī)使用過(guò)程中小心翼翼、縮手縮腳，因不懂機(jī)器而造成鉆機(jī)功率大、適時(shí)感知等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不出來(lái)。

1.4 因循守舊觀念影響，對(duì)新技術(shù)排斥

對(duì)新事物存有戒懼是人之常情，新技術(shù)引進(jìn)和應(yīng)用好了，順應(yīng)時(shí)代潮流，如果失敗了，那就是盲目引進(jìn)，決策失誤，所以影響了全液壓鉆機(jī)的推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，接受這種新事物的單位往往擁有幾十臺(tái)，不接受的單位只有一兩臺(tái)撐門(mén)面，有的甚至一臺(tái)也不用。還有一種現(xiàn)象，愿意使用這類(lèi)鉆機(jī)的不用其他鉆機(jī)，愿意用立軸鉆機(jī)的就是不喜歡用液壓鉆機(jī)，這就是守舊觀念作祟，不想嘗試新技術(shù)。

2 全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)選型分析

2.1 生產(chǎn)廠家的歷史及業(yè)內(nèi)知名程度

一個(gè)廠家的歷史和在行業(yè)內(nèi)的名聲是一個(gè)企業(yè)多年經(jīng)營(yíng)的沉淀，主要是靠用戶口口相傳、靠產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用贏得和積累起來(lái)的，而不是靠宣傳和營(yíng)銷(xiāo)手段想形成就形成的。全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)是當(dāng)前先進(jìn)的小口徑地質(zhì)鉆探設(shè)備，單臺(tái)價(jià)值比較大，鉆機(jī)使用年限大多定為10年，購(gòu)買(mǎi)后，鉆機(jī)維護(hù)、保養(yǎng)和升級(jí)都離不開(kāi)生產(chǎn)廠家。一種產(chǎn)品從研制出到廣泛推廣應(yīng)用，是技術(shù)人員和全體職工一代代傳承和發(fā)展的結(jié)果，沒(méi)有哪一種產(chǎn)品真正可以“拿來(lái)主義”。在選擇鉆機(jī)時(shí)，應(yīng)同鉆機(jī)設(shè)計(jì)者進(jìn)行交流，了解鉆機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)、升級(jí)改進(jìn)歷程、再開(kāi)發(fā)完善計(jì)劃、銷(xiāo)售鉆機(jī)的應(yīng)用情況等，從而得出廠家對(duì)該產(chǎn)品的信心和投入，明確技術(shù)人員對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的掌握程度，從用戶評(píng)價(jià)、實(shí)際應(yīng)用中得出產(chǎn)品知名度。另外，用戶應(yīng)選擇對(duì)一種產(chǎn)品擁有自主設(shè)計(jì)能力的廠家，選擇融入本廠技術(shù)、文化，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證、能夠保持并得以延續(xù)、市場(chǎng)信得過(guò)的產(chǎn)品。

2.2 鉆機(jī)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度

自2005年山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)投放市場(chǎng)以來(lái)，我國(guó)全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)的第二輪開(kāi)發(fā)進(jìn)入高潮階段。各個(gè)廠家都在不斷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和完善。2008年以前，一直進(jìn)行著鉆機(jī)可靠性研究和鉆機(jī)型號(hào)的拓展，通過(guò)3年左右的時(shí)間，在充分驗(yàn)證了鉆機(jī)各部件及液壓元件的使用壽命以后，對(duì)使用壽命不能滿足實(shí)際要求的部件進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，對(duì)使用壽命不匹配的液壓元件進(jìn)行了重新選型。到2009年，各生產(chǎn)廠家的鉆機(jī)基本滿足了可靠性要求，并且通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，各生產(chǎn)廠家都獲得了大量的一手資料，例如卡盤(pán)夾持力設(shè)定參數(shù)、動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速和扭矩同孔深的關(guān)系、鉆機(jī)提升力與孔深的關(guān)系、鉆機(jī)提下鉆時(shí)間與孔深的關(guān)系等。有了這些儲(chǔ)備，鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、系列產(chǎn)品變型等就變成了可能，各廠家基本將動(dòng)力單元、動(dòng)力頭組件、卷?yè)P(yáng)機(jī)等部件模塊化，在一種機(jī)架上安裝不同的組合，就能形成不同型式和能力的鉆機(jī)。用戶在選擇時(shí)要依據(jù)市場(chǎng)上推出的機(jī)型，提出選型要求，由廠家做出符合機(jī)型的建議。用戶根據(jù)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化3種標(biāo)準(zhǔn)，從廠家建議機(jī)型中了解部件通用程度，產(chǎn)品外衍可能性，以及提供專(zhuān)業(yè)售后服務(wù)和終生技術(shù)支持等方面進(jìn)行分析，做出判斷。

2.3 鉆機(jī)關(guān)鍵部件及功能實(shí)現(xiàn)

鉆進(jìn)參數(shù)中最主要的3個(gè)就是轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵壓，這3個(gè)參數(shù)中前兩個(gè)是鉆機(jī)提供的。鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和鉆壓都與動(dòng)力頭有關(guān)，動(dòng)力頭的可靠性和穩(wěn)定性是這兩個(gè)鉆進(jìn)參數(shù)的重要保證。動(dòng)力頭的可靠性主要看有無(wú)軸承損壞、齒輪損壞現(xiàn)象。動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性主要通過(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)精度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)聯(lián)部位連接設(shè)計(jì)、加減壓方式等方面來(lái)分析。在選型時(shí)宜選擇低速啟動(dòng)，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)速平穩(wěn)、換向無(wú)沖擊的液壓系統(tǒng)；選擇動(dòng)力頭與導(dǎo)軌聯(lián)接可補(bǔ)償、能鎖緊，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定、卡盤(pán)對(duì)中性好的動(dòng)力頭；選擇采用全齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪精度6級(jí)以上，全部軸承和齒輪采用強(qiáng)制油潤(rùn)滑的動(dòng)力頭變速箱，可靠性方面要求所有零部件最短使用壽命≮8000 h，為方便斜孔施工時(shí)讓開(kāi)孔口，動(dòng)力頭應(yīng)能夠讓開(kāi)孔口位置?，F(xiàn)市場(chǎng)上有兩種減壓回路設(shè)計(jì)，一種是獨(dú)立回路，加減壓都是由壓力油加入工作回路實(shí)現(xiàn)，鉆頭加壓力為鉆具重力減設(shè)定減壓值，不受鉆具摩擦阻力影響。一種是非獨(dú)立回路，其減壓力由回油背壓提供，受鉆具與孔壁阻力發(fā)生變化影響，鉆具回轉(zhuǎn)阻力變化較大，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生憋鉆。兩種回路在應(yīng)用時(shí)，鉆柱回轉(zhuǎn)阻力變化不一樣，用戶在選型時(shí)，應(yīng)注意加以區(qū)分。為精確控制鉆壓，動(dòng)力頭加減壓方式，宜選擇采用加壓和減壓獨(dú)立回路設(shè)計(jì)。

2.4 夾持部件可靠性、實(shí)用性和免維護(hù)性

巖心鉆機(jī)主要的夾持部件是夾持器和卡盤(pán)，夾持器用于提下鉆具、加接桿或倒桿過(guò)程輔助夾持，卡盤(pán)用于傳遞扭矩和提升鉆具，兩種夾持部件的重要性無(wú)可替代。全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)一般采用液壓夾持器，這種夾持器的夾持力不能完全靠油缸的推力，主要夾持力來(lái)源于鉆具的自重，鉆具越重，夾持力越大，可以非常有效地防止跑鉆事故的發(fā)生。用戶在選擇時(shí)，應(yīng)注意夾持器防誤操作，當(dāng)發(fā)生誤操作時(shí)，單純依靠夾持器油缸不會(huì)打開(kāi)夾持器，在沒(méi)有提引器拉鉆具或動(dòng)力頭提升鉆具的輔助力情況下，夾持器不會(huì)因誤操作打開(kāi)，可有效防止跑鉆事故。對(duì)液壓卡盤(pán)的選型判斷，首要的功能應(yīng)該是自鎖功能，在突然停車(chē)或停電時(shí)，在沒(méi)有外力的情況下卡瓦不會(huì)自行打開(kāi)；其次是液壓卡盤(pán)最好具備夾持力可以隨時(shí)調(diào)整的功能，從這個(gè)角度考慮，靠彈簧預(yù)緊力提供夾持力的卡盤(pán)不如液壓夾緊液壓松開(kāi)的卡盤(pán)好，彈簧預(yù)緊力，無(wú)論是采用碟形彈簧、異形截面螺旋彈簧，還是氮?dú)鈴椈?，都是?chǔ)能型，而液壓能是可補(bǔ)償、可調(diào)節(jié)的一種能量，可以隨時(shí)隨孔深對(duì)夾持力進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，而儲(chǔ)能型卡盤(pán)夾持力在鉆進(jìn)時(shí)，一般無(wú)法進(jìn)行再調(diào)整。

2.5 液壓系統(tǒng)匹配性和功率轉(zhuǎn)化有效性

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是評(píng)價(jià)全液壓鉆機(jī)最關(guān)鍵的指標(biāo)，沒(méi)有可靠性高、匹配性好的系統(tǒng)，液壓鉆機(jī)功率優(yōu)勢(shì)很難發(fā)揮。用戶選型時(shí)，可以從原理設(shè)計(jì)、元件選擇、管路布置等方面進(jìn)行分析。驗(yàn)證鉆機(jī)液壓系統(tǒng)是否合理的方法是正常鉆進(jìn)狀態(tài)下系統(tǒng)是否會(huì)過(guò)熱。匹配性好的液壓系統(tǒng)，在環(huán)境溫度20 ℃以下運(yùn)行，正常鉆進(jìn)過(guò)程中，主要?jiǎng)恿褪球?qū)動(dòng)鉆桿柱回轉(zhuǎn)，此工作狀態(tài)應(yīng)無(wú)多余功率消耗，與鉆孔深度、鉆機(jī)能力無(wú)關(guān)，屬于正常系統(tǒng)發(fā)熱狀態(tài)，不用啟動(dòng)散熱器應(yīng)能維持正常工作油溫。提下鉆工作過(guò)程除外，因液壓鉆機(jī)提下鉆過(guò)程的鉆具勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為熱能，由液壓油帶走，釋放于空氣中。據(jù)已有驗(yàn)證數(shù)據(jù)，系統(tǒng)匹配性好的鉆機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率132 kW時(shí)，S75口徑鉆孔正常施工孔深應(yīng)不小于1500 m。液壓系統(tǒng)元件選擇是按系統(tǒng)需求進(jìn)行，并且按系統(tǒng)要求設(shè)定的參數(shù)，尤其是主要工作部件，如主液壓泵、主液壓馬達(dá)、主控制閥等，是國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口不重要，重要的是液壓系統(tǒng)元件參數(shù)匹配合理，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)油溫恒定，從而能夠保證系統(tǒng)中密封件在許用溫度范圍內(nèi)工作，不因溫度過(guò)高造成流體變性、磨損加劇、密封失效等故障發(fā)生。例如，主液壓泵，原始系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用排量為74 mL/r，后因此型號(hào)泵市場(chǎng)上沒(méi)有貨，更換為90 mL/r，由于系統(tǒng)管路和流量控制不能與之匹配，先是系統(tǒng)發(fā)熱，油溫不可控，接下來(lái)就是液壓元件不斷損壞。用戶在選擇配件或更換元件時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。

2.6 鉆機(jī)全地形搬遷適應(yīng)性

鉆機(jī)搬遷是鉆探施工中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)礦區(qū)特點(diǎn)，選擇合適機(jī)型，對(duì)提升綜合效益很重要?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的主流機(jī)型，可分為整體式和可解體式。可解體式全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)，是針對(duì)山區(qū)不方便搬遷礦區(qū)設(shè)計(jì)的，解體后單件質(zhì)量不大于發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，動(dòng)力可采用電動(dòng)機(jī)也可采用柴動(dòng)機(jī)，更換非常方便，能夠在工地現(xiàn)場(chǎng)更換。用戶在選擇這類(lèi)機(jī)型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鉆機(jī)解體后再安裝的可實(shí)現(xiàn)性。一方面，解體重裝是否影響系統(tǒng)匹配。國(guó)內(nèi)很多廠家沒(méi)有液壓系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)能力，靠外聘或找系統(tǒng)元件經(jīng)銷(xiāo)商做的成熟系統(tǒng)，如果改變布局或管路零件，就會(huì)造成系統(tǒng)匹配不合適，影響效率。一方面，盲目追求輕便也不可取，要考慮到實(shí)際應(yīng)用能力和我國(guó)實(shí)際，例如，在材料選型上，選用鋁合金等輕質(zhì)材料，考慮使用環(huán)境、操作者焊接水平，采用鋁合金價(jià)格同鋼差不多，鋁合金強(qiáng)度同鋼相差太多，一旦出現(xiàn)損壞，修焊非常麻煩，越是不容易搬遷的工地，越應(yīng)該采用可靠性高、能力強(qiáng)的設(shè)備，不然會(huì)造成省了搬遷費(fèi)卻失去了鉆進(jìn)效率，甚至出現(xiàn)搬到山上用不成，達(dá)不到實(shí)際效果。還有，也是最重要的，就是鉆機(jī)解體后的重新安裝，系統(tǒng)清潔怎樣保證，野外環(huán)境同車(chē)間環(huán)境相差很大，用戶在選擇時(shí)要了解保持清潔所采取的措施及實(shí)現(xiàn)的可能性，簡(jiǎn)單清洗和注意保持清潔是達(dá)不到液壓系統(tǒng)要求的，廠家應(yīng)有必要的保潔手段。

2.7 鉆機(jī)移位方式分析比較

目前國(guó)內(nèi)全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)，在移位方式上分為履帶行走式和拖車(chē)行走式兩種，到底選擇哪種機(jī)型，用戶在選擇時(shí)很難做出判斷，針對(duì)這一問(wèn)題做如下分析。兩種鉆機(jī)都采用液壓驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)都是以鉆機(jī)為主要功能，履帶行走系統(tǒng)為主系統(tǒng)的分支，在匹配方面，廠家不會(huì)舍主就輔。同時(shí)，行走功能增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)故障或主輔功能互相影響。國(guó)外從事巖心鉆機(jī)生產(chǎn)多年的寶長(zhǎng)年、阿特拉斯等著名品牌，至今沒(méi)有把履帶行走類(lèi)產(chǎn)品當(dāng)作主流。巖心鉆機(jī)主要在礦山施工，很多礦區(qū)

沒(méi)有履帶通行條件，同時(shí)，隨著鉆孔深度越來(lái)越深，鉆機(jī)搬家次數(shù)少了很多，為實(shí)現(xiàn)次要功能投入較大，經(jīng)濟(jì)效益不好。巖心鉆探施工礦區(qū)越來(lái)越向以前難以完成的地方轉(zhuǎn)，搬遷難度越來(lái)越大，靠人力或直升飛機(jī)搬運(yùn)的已經(jīng)有很多了，履帶式鉆機(jī)很難適應(yīng)這種搬運(yùn)，而便攜可解體式鉆機(jī)就越來(lái)越受青睞。限于履帶能力，無(wú)論是動(dòng)力配置還是整機(jī)穩(wěn)定性都不能做大，因此履帶式巖心鉆機(jī)很難實(shí)現(xiàn)深孔鉆探，有些超深孔鉆探可能施工一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，履帶更沒(méi)有用處。在淺孔和戈壁礦區(qū)施工，采用履帶式可以發(fā)揮靈活優(yōu)勢(shì)，一般施工300～500 m深的孔，差不多半個(gè)月移動(dòng)一次，這種施工環(huán)境采用履帶式非常好。

3 結(jié)語(yǔ)

以上從7個(gè)方面分析了全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)選型時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題，由于各廠家的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)各有特色，性能差異較大，用戶應(yīng)結(jié)合自己的工程實(shí)際和經(jīng)濟(jì)實(shí)力進(jìn)行選擇。建議用戶在選擇時(shí)采用權(quán)重分析法進(jìn)行比較，列出比較項(xiàng)目，根據(jù)需求設(shè)置權(quán)重賦值，最后求出各比較廠家某產(chǎn)品的得分，最終選擇得分高的符合自己需要的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)物盡其用。

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