GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

劉 珂， 王圣君， 楊東河， 薛 磊

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

在環(huán)境治理、城市勘察施工、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目中，鉆探工程孔分布較散，孔位也較多，尤其是市政道路勘察中，孔距較遠(yuǎn)，使用傳統(tǒng)的滑橇式工勘鉆機(jī)搬遷困難、搭建鉆塔費(fèi)事，再加上單孔施工時(shí)間較短，搬遷輔助時(shí)間占用了較大比例，施工效率不高，機(jī)臺(tái)全要素生產(chǎn)率極低。為更好地解決施工中存在的問(wèn)題，縮短工地轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間，提高施工效率，保證施工質(zhì)量，需要專(zhuān)門(mén)研制履帶式工勘鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自行移動(dòng)，鉆塔自行起落，泥漿泵和鉆具隨鉆一同到位，提高鉆機(jī)單機(jī)獨(dú)立作業(yè)能力。

根據(jù)鉆機(jī)研制的目的任務(wù)，確定鉆機(jī)技術(shù)方案如下：

(1)履帶行走裝置選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鋼履帶底盤(pán)；

(2)主機(jī)選用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)立軸式工勘鉆機(jī)；

(3)鉆機(jī)鉆塔采用門(mén)式兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，液壓起落；

(4)鉆機(jī)液壓動(dòng)力源采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆機(jī)行走、就位時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)泥漿泵；

(5)鉆機(jī)行走設(shè)置快速及慢速兩擋速度，采用遙控操作，確保行走作業(yè)安全。

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院根據(jù)以上要求，專(zhuān)門(mén)研制了GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

鉆孔深度：240 m(?91 mm口徑)

回轉(zhuǎn)速度：43～612 r/min

給進(jìn)行程：460 mm

最大扭矩：2960 N·m

給進(jìn)力：27 kN

提升力：36 kN

卷?yè)P(yáng)機(jī)最大提升力：20 kN

立軸鉆機(jī)功率：20 kW(柴油機(jī))

鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)組功率：20 kW(柴油機(jī))

液壓系統(tǒng)額定壓力：20 MPa

泥漿泵：BW250型

履帶接地比壓：0.055 MPa

行走速度：一擋0.57 km/h，二擋1.5 km/h

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：5470 mm×2100 mm×2650 mm

鉆機(jī)質(zhì)量：6 t

3 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)主要由工勘主機(jī)、鉆塔、底盤(pán)、履帶底盤(pán)、鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)組、泥漿泵、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、隨機(jī)附件等部分組成(參見(jiàn)圖1)。

3.1 工勘主機(jī)

工勘主機(jī)選用GJ- 240型工勘鉆機(jī)配套，滿(mǎn)足鉆機(jī)移動(dòng)方便的要求，選擇柴油機(jī)動(dòng)力配置。在不改動(dòng)原機(jī)動(dòng)力配置及其他性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化鉆機(jī)性能，增加修改了一些附屬設(shè)計(jì)，如：卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩導(dǎo)向滑輪組、電啟動(dòng)柴油機(jī)裝置等。卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩導(dǎo)向滑輪可杜絕鋼絲繩擠進(jìn)卷筒側(cè)邊，消除安全隱患。

3.2 鉆塔

按照鉆機(jī)設(shè)計(jì)目的，本著搭建鉆塔方便快捷、在滿(mǎn)足有效鉆塔高度的基礎(chǔ)上減小運(yùn)輸尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)載大的要求。設(shè)計(jì)了可以液壓油缸起落、上下兩節(jié)伸縮形式的門(mén)式鉆塔(見(jiàn)圖2)。

圖2 可伸縮式鉆塔

鉆塔主要由天車(chē)、上塔、主塔、塔座等部件組成。為使鉆塔工作時(shí)穩(wěn)定、起下鉆具時(shí)不易晃動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用以下3種解決方式：(1)采用塔座與鉆機(jī)底盤(pán)一體結(jié)構(gòu)，塔座采用矩形方管焊接，下部直接焊接在鉆機(jī)底盤(pán)上；(2)工作時(shí)主塔和塔座螺栓緊固，主塔在液壓油缸控制下豎直于塔座后，通過(guò)螺栓將兩者緊固，提高鉆塔整體穩(wěn)定性；(3)油缸輔助塔撐作用，油缸活塞到位后，靠平衡閥背壓作用自動(dòng)鎖止，鉆塔、底盤(pán)與油缸形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

為縮小鉆機(jī)運(yùn)輸尺寸，同時(shí)滿(mǎn)足鉆塔有效高度，設(shè)計(jì)了兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)的鉆塔，通過(guò)鋼絲繩滑輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上塔和主塔之間的伸縮，節(jié)省了人力，完全伸出或完全收起后通過(guò)4個(gè)銷(xiāo)軸固定，保證鉆塔整體性。鉆塔高8.4 m，有效高度6 m。

天車(chē)配置了2個(gè)滑輪組，在鉆機(jī)鉆進(jìn)和移位時(shí)，保證鋼絲繩受力合理，提高鋼絲繩使用壽命。

3.3 底盤(pán)

底盤(pán)上部主要安裝鉆塔、主機(jī)、動(dòng)力機(jī)組、泥漿泵、液壓系統(tǒng)等部件，下部連接履帶底盤(pán)。為增強(qiáng)底盤(pán)抗撓曲變形能力，底盤(pán)左右兩側(cè)設(shè)計(jì)兩組共4根18號(hào)槽鋼對(duì)焊作為縱梁，將鉆塔、主機(jī)、履帶底盤(pán)等主要施力部件連接點(diǎn)作用在縱梁上，底盤(pán)受力均衡。

為滿(mǎn)足鉆機(jī)多工藝施工的要求，底盤(pán)設(shè)計(jì)雙層孔口裝置，工勘施工時(shí)使用?100 mm孔口；在進(jìn)行給水孔、基礎(chǔ)工程等大口徑施工時(shí)，使用下層孔口，最大通徑600 mm。

底盤(pán)四角設(shè)計(jì)了4個(gè)液壓油缸支腿，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)支腿高度可以調(diào)節(jié)鉆塔的垂直度，整個(gè)鉆機(jī)質(zhì)量通過(guò)4個(gè)支腿承載，也增加了鉆機(jī)的穩(wěn)定性。

3.4 履帶底盤(pán)

鋼制履帶底盤(pán)特有的通過(guò)性好、穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)可以提高工程機(jī)械設(shè)備爬坡越野性能，因此，采用鋼制履帶底盤(pán)解決鉆機(jī)自行移動(dòng)問(wèn)題，能夠滿(mǎn)足鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性和場(chǎng)地適應(yīng)性。

履帶底盤(pán)是鉆機(jī)的主要承載基礎(chǔ)，要有足夠的強(qiáng)度，又要運(yùn)行可靠，容易維修。履帶行走裝置由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、張緊裝置、H架、液壓馬達(dá)等部件組成。通過(guò)控制左右兩側(cè)馬達(dá)前后轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、原地轉(zhuǎn)彎的功能。

3.4.1 履帶底盤(pán)初選

經(jīng)初步理論計(jì)算，鉆機(jī)質(zhì)量約為5.7 t，據(jù)此，選型時(shí)選擇6 t的履帶底盤(pán)，據(jù)廠家樣本該型履帶底盤(pán)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最小排量qMmin=1.219 L/r，最大排量qMmax=1.874 L/r，驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑377 mm。

3.4.2 鉆機(jī)行駛速度計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鉆機(jī)低速擋速度不宜過(guò)快，控制在0.5 km/h左右，同時(shí)考慮到鉆機(jī)功率匹配適宜，燃料消耗水平低的要求，初步選擇排量20 mL/r的小齒輪泵作為鉆機(jī)基本功能及低速行走的動(dòng)力源。根據(jù)下式驗(yàn)算鉆機(jī)的行駛速度。

式中：V——鉆機(jī)行走速度，km/h；D——泵排量，20 mL/r；n——驅(qū)動(dòng)泵的動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，1000 r/min；qMmax——履帶馬達(dá)最大排量，1.874 L/r；I——馬達(dá)傳動(dòng)比，取值1；R——驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑，377 mm。

計(jì)算得：V=0.57 km/h。根據(jù)計(jì)算所選液壓泵可以滿(mǎn)足鉆機(jī)行駛速度的要求。

3.4.3 履帶行走牽引力計(jì)算

履帶行走時(shí)，在爬坡工況下所需的牽引力最大，我們以爬坡工況計(jì)算履帶行走牽引力。該牽引力FT需克服坡度阻力Fs、履帶運(yùn)行內(nèi)阻力Fn、土壤變形阻力Fd、風(fēng)載阻力FW、慣性阻力Fi。

其中坡度阻力：

Fs=M×9.8×sin(δπ/180)=29386 N

式中：M——鉆機(jī)質(zhì)量，取值6000 kg；δ——爬坡能力，取值25°。

土壤變形阻力：

Fd=(M×9.8/10)=5880 N

慣性阻力：

Fi=0.015×M×9.8=882 N

查選型手冊(cè)，履帶運(yùn)行內(nèi)阻力Fn=7600 N，風(fēng)載阻力FW=1500 N。

則30°爬坡工況下，履帶行走牽引力FT=Fd+Fs+Fw+Fi+Fn=45248 N，液壓馬達(dá)輸出扭矩大于該值則鉆機(jī)可以爬坡。

3.4.4 功率計(jì)算

根據(jù)30°爬坡工況下，履帶行走牽引力計(jì)算驅(qū)動(dòng)履帶馬達(dá)的液壓泵需要達(dá)到的最小壓力p可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：η——液壓馬達(dá)機(jī)械效率，取0.85。

鉆機(jī)30°爬坡工況下所需功率P：

經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，該6 t履帶底盤(pán)及選配的20 mL/r液壓泵可以滿(mǎn)足鉆機(jī)行駛速度、牽引能力等設(shè)計(jì)使用要求。

3.5 鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)組

為滿(mǎn)足鉆機(jī)自行移動(dòng)的要求，鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)組選用柴油機(jī)動(dòng)力配置。動(dòng)力機(jī)組為鉆機(jī)液壓系統(tǒng)、泥漿泵提供動(dòng)力(見(jiàn)圖3)。液壓系統(tǒng)主要有鉆塔起落、履帶行走、底盤(pán)支腿3種功能，這幾種功能均是鉆機(jī)移機(jī)運(yùn)輸?shù)裙r下使用，這些功能與泥漿泵的使用互不沖突，因此動(dòng)力機(jī)組功率計(jì)算以滿(mǎn)足液壓系統(tǒng)和泥漿泵兩者最大功率為準(zhǔn)。通過(guò)計(jì)算最大負(fù)荷工況下履帶底盤(pán)理論功率為9.7 kW，泥漿泵功率為12 kW，考慮柴油機(jī)功率轉(zhuǎn)速曲線及功率因數(shù)，選用最大功率20 kW的柴油機(jī)。

圖3 動(dòng)力機(jī)組

柴油機(jī)飛輪端固定皮帶輪，皮帶輪端通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)液壓泵組，皮帶輪用來(lái)驅(qū)動(dòng)泥漿泵和發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)啟動(dòng)后，液壓泵組和泥漿泵帶輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)結(jié)合離合器手柄即可開(kāi)啟泥漿泵。由于液壓系統(tǒng)無(wú)工作時(shí)壓力為0，功率消耗非常小，不影響泥漿泵的工作。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，泥漿泵離合松開(kāi)，皮帶輪空轉(zhuǎn)，同樣不影響液壓系統(tǒng)的正常工作。

發(fā)電機(jī)為蓄電池充電的同時(shí)提供鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的電能。

3.6 液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)主要滿(mǎn)足鉆塔起落、底盤(pán)調(diào)平、履帶行走3個(gè)功能。履帶行走需要滿(mǎn)足左右兩側(cè)履帶分別能實(shí)現(xiàn)前后行走功能，履帶行走速度設(shè)置兩擋速度，遠(yuǎn)距離行走時(shí)使用快速擋，近距離移位、爬坡等工況下使用低速擋。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵配置，排量較大的主泵僅在遠(yuǎn)距離行走時(shí)開(kāi)啟使用，排量相對(duì)小的副泵作為日常工作使用泵，不設(shè)計(jì)單獨(dú)控制的開(kāi)關(guān)。

圖4液壓系統(tǒng)

在主油路設(shè)計(jì)上主要將系統(tǒng)分成兩個(gè)功能組，一個(gè)是履帶行走功能，另一個(gè)就是支腿和鉆塔起落功能。兩個(gè)功能組互不影響。操作履帶行走功能時(shí)，支腿功能切斷。主油路安裝兩位的電磁閥，出口分別接液壓系統(tǒng)的兩個(gè)功能組。履帶行走馬達(dá)通過(guò)電磁閥控制，在接通任意履帶電磁閥時(shí)同時(shí)接通主油路的兩位電磁閥，實(shí)現(xiàn)通電時(shí)油路僅通向履帶行走功能區(qū)。同樣，主油路電磁閥不通電時(shí)(不觸按履帶行走按鈕)，油路通向支腿油缸功能區(qū)。通過(guò)電磁閥控制了鉆機(jī)功能使用的安全性，防止在行走時(shí)伸縮支腿油缸，造成鉆機(jī)接近角減小碰壞支腿油缸，或避免行走時(shí)進(jìn)行起落鉆塔等危險(xiǎn)操作。

履帶行走采用遙控操作，電磁閥組實(shí)現(xiàn)左右履帶兩個(gè)方向的油路控制，鉆塔起落及4個(gè)底盤(pán)調(diào)平支腿升降采用手控液壓閥控制。

整機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全閥及調(diào)整系統(tǒng)壓力的溢流閥。為保證鉆塔起落安全性，保證其在起塔或落塔過(guò)程中動(dòng)作均勻無(wú)沖擊，起塔油缸安裝平衡閥。

為使鉆機(jī)工作時(shí)穩(wěn)固，支腿油缸設(shè)計(jì)雙向液壓鎖鎖緊回路，該回路可使液壓油缸在任意位置鎖止。油缸就位后操作換向閥手柄回到中位，油缸的液控單向閥關(guān)閉，油缸兩個(gè)油腔封閉，油缸則鎖止。油缸需要移動(dòng)時(shí)，操作換向閥手柄，在油壓作用下，液控單向閥打開(kāi)，油缸兩腔油液可以流動(dòng)，油缸實(shí)現(xiàn)伸縮功能。

液壓油使用32號(hào)低凝抗磨液壓油，油箱內(nèi)有回油過(guò)濾器和吸油過(guò)濾器，用以過(guò)濾液壓油中的雜質(zhì)。

3.7 其他部件

鉆機(jī)電氣系統(tǒng)主要由蓄電池組、發(fā)電機(jī)、控制柜等組成。鉆機(jī)配置鉆桿架、工具箱等其他附屬裝置。

4 試驗(yàn)情況

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)樣機(jī)試制完成后，在山西呂梁某鋁土礦工地進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，17 d時(shí)間，施工深度為80 m的鉆孔3個(gè)。試驗(yàn)期間主要驗(yàn)證鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)效率、履帶行走裝置通過(guò)性、鉆塔起落底盤(pán)調(diào)平等功能。

該礦區(qū)地表碎石、坑洼較多，鉆機(jī)履帶正常行走時(shí)泵壓平均在5 MPa，在通過(guò)坑洼碎石地面時(shí)，瞬時(shí)壓力可達(dá)11 MPa，鉆機(jī)順利通過(guò)，履帶底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力滿(mǎn)足野外工況下的鉆機(jī)行走需要，通過(guò)性良好。

我們以該工地沒(méi)有履帶行走裝置的普通工勘鉆機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)普通鉆機(jī))為例，對(duì)比了兩種鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)施工效率情況。

普通鉆機(jī)采用人工現(xiàn)場(chǎng)搭建的鉆塔，塔高9 m。從第一個(gè)孔就位開(kāi)始統(tǒng)計(jì)，由于兩鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)械部分相同，地層情況也相近，同樣設(shè)計(jì)80 m深的鉆孔，12 h/d的工作時(shí)間，兩鉆機(jī)進(jìn)度相似，普通鉆機(jī)用時(shí)63.5 h，GJ- 240L型鉆機(jī)用時(shí)65.5 h。終孔后需要轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，我們將兩臺(tái)鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)每個(gè)步驟用時(shí)分別進(jìn)行記錄，并制作了表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)。

表1 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)同普通鉆機(jī)移機(jī)時(shí)間對(duì)比

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，普通鉆機(jī)移機(jī)用時(shí)9.5 h，GJ- 240L型鉆機(jī)僅用1 h。經(jīng)過(guò)一個(gè)月時(shí)間使用統(tǒng)計(jì)，GJ- 240L型鉆機(jī)施工6個(gè)孔用時(shí)383 h，普通鉆機(jī)此時(shí)剛施工第6個(gè)孔至3.7 m。在該工地，GJ- 240L型鉆機(jī)比普通鉆機(jī)一個(gè)月幾乎多施工一個(gè)鉆孔。使用GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)，轉(zhuǎn)場(chǎng)移孔時(shí)鉆機(jī)自行移動(dòng)，泥漿泵和鉆具隨鉆機(jī)移動(dòng)，鉆塔在油缸作用下豎直固定，安裝就位方便，移孔時(shí)間縮減了約8.5 h，若孔距>1 km，轉(zhuǎn)場(chǎng)效率優(yōu)勢(shì)將更顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)可以履帶行走、鉆塔安裝就位方便、隨機(jī)自帶泥漿泵幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)解決了普通工勘鉆機(jī)難以移動(dòng)，移孔安裝就位繁瑣等難題，提高了機(jī)臺(tái)全要素生產(chǎn)率。

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機(jī)將機(jī)械、液壓、電氣高度一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力大、操作簡(jiǎn)單輕巧、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效、整機(jī)故障率低等優(yōu)點(diǎn)，施工配套齊全，是移動(dòng)的機(jī)臺(tái)，對(duì)環(huán)境破壞小，是一款綠色高效的新型鉆機(jī)產(chǎn)品?？梢詮V泛用于冶金、地質(zhì)探礦、水力、水電、建筑、鐵路、橋梁、公路、隧道及其他基礎(chǔ)性建設(shè)等領(lǐng)域，滿(mǎn)足基礎(chǔ)工程勘察，水井鉆進(jìn)，監(jiān)測(cè)檢測(cè)孔、探礦等多種工藝的施工要求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，施工領(lǐng)域廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉延俊.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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

[3] 王漢寶,劉秀美，梁健，等.DR- 150型全液壓履帶取樣鉆機(jī)的研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010,37(1):27-30.

[4] 侯慶國(guó),馮少春，王玉吉，等.DZ- 200型多功能鉆機(jī)研制及其在淺層地埋管孔施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010,37(9):33-36.

[5] 侯慶國(guó).XD- 3型全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)的研制與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007,35(8):27-30.

[6] 殷新勝，姚寧平，陳跟馬，等.ZDY6000L型履帶式全液壓坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007,35(6):77-80.

[7] 譚禾豐，趙玉璽，應(yīng)忠卿，等.工程鉆機(jī)用履帶行走裝置的研制[J].地質(zhì)裝備，2009,(2):11-15.

[8] 盧春陽(yáng)，歐陽(yáng)志強(qiáng)，李明星.XY- 4L型巖心鉆機(jī)的研制與應(yīng)用[J].地質(zhì)裝備，2010,(2):11-12.