XD-800型便攜式全液壓巖心鉆機的研制

高明帥，沈懷浦，臧臣坤，張雅石，何磊，郝杰

(中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

目前綠色地質(zhì)勘探是我國地質(zhì)找礦事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。特別是難進入地區(qū)勘探面臨設(shè)備搬運困難、修路難、設(shè)備安裝難、井場布置平整難、設(shè)備成本高、運營成本高等困局。

源自加拿大的便攜鉆探設(shè)備及其配套的工藝、鉆具很好的打破了困局，成為目前國內(nèi)快速、安全、經(jīng)濟的商業(yè)勘探模式之一。受其影響國內(nèi)外關(guān)于便攜式鉆機取樣技術(shù)也快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于地質(zhì)與工程勘查中，目前滿地寶，普華英工AMMECO，凱瑞克Hydracore，英格爾EGR，徐工凱地、四川諾克等公司都已經(jīng)研制出一系列的便攜式機型，產(chǎn)品覆蓋200～800 m地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域[1-4]。

為了大力推進便攜式鉆機的技術(shù)發(fā)展及更好的服務(wù)國內(nèi)地質(zhì)勘探更快速、更安全、更經(jīng)濟的需求，中國地質(zhì)裝備集團有限公司所屬的中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院自主研發(fā)了XD800/600/400系列便攜式巖心鉆機以及用于工程勘查的XD200G型便攜鉆機。本文將重點介紹XD-800型便攜鉆機的功能參數(shù)及動力匹配，并簡要介紹部分功能模塊的特點及廠內(nèi)和生產(chǎn)試驗情況。

1 總體設(shè)計及功能參數(shù)

1.1 總體設(shè)計

XD-800型便攜式全液壓巖心鉆機使用3臺日本久保田33 kW柴油發(fā)動機驅(qū)動，可實現(xiàn)BTW口徑800 m(NTW口徑600 m)鉆探能力。該鉆機的主要特點是：主要部件使用鋁合金材料，模塊化設(shè)計；進場快，不用修路無需基礎(chǔ)工程，節(jié)約輔助時間及成本；移位快，進尺快。

XD-800型鉆機鉆進90°孔時高度約5 m，也可以配備更高的桅桿用于提升不同規(guī)格尺寸巖心管；整個鉆機可以鉆進45°～90°之間任意角度，通過撐桿固定支撐使鉆機在鉆進過程中保持穩(wěn)定，見圖1。

動力頭隨著給進油缸可以沿著主桅桿上下運動，實現(xiàn)鉆進和起下鉆作業(yè)。整個鉆機井場布置如圖2所示，共由16個功能部件組成，其中質(zhì)量最大的部件為柴油機模塊180 kg，可更好地實現(xiàn)快速搬遷和運移。

圖1 XD-800便攜鉆機主機桅桿90°和45°工況示意

1.桅桿，2.動力頭，3.動力頭滑架，4.背鉗夾持器，5.底座，6.繩索絞車，7.給進油缸，8.撐桿，9.操縱臺，10.發(fā)動機總成，11.發(fā)動機總成(串泵)，12.液壓油箱，13.燃油箱，14.液壓操控系統(tǒng)，15.電氣操控系統(tǒng)，16.泥漿泵，17.攪拌器，18.水泵圖2 XD-800便攜鉆機主要模塊示意圖

1.2 功能參數(shù)

鉆機使用3臺柴油發(fā)動機驅(qū)動兩臺排量為28 mL/r液壓泵和一臺30.5 mL/r和3.1 mL/r的液壓串泵，經(jīng)過合流后可實現(xiàn)80～230 L/min的流量，再經(jīng)過液壓閥塊的分流分別供給回轉(zhuǎn)、給進、絞車和泥漿泵。鉆機的主要性能參數(shù)詳見表1。

針對市場上現(xiàn)有的便攜鉆機產(chǎn)品在使用過程中暴露出的工藝不匹配性，我們對XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機做了優(yōu)化設(shè)計改進。首先采用雙速動力頭可滿足金剛石鉆進的最高轉(zhuǎn)速1500 r/min，同時特有的雙速裝置可以實現(xiàn)最大回轉(zhuǎn)扭矩1528 N·m，可以很好地解決鉆具遇卡及鉆具擰卸問題。針對很多便攜鉆機操作者的反饋，當(dāng)鉆深超過一定深度后會出現(xiàn)背鉗夾持力不夠?qū)е裸@具下滑。而XD-800型鉆機采用雙油缸對夾的方式進行夾持，通過配備兩種不同弧度和齒型的卡瓦，可調(diào)節(jié)有效夾持面積進而改變夾持力大小。在此改進的基礎(chǔ)上還配備有自重型木馬夾持器，XD-800型鉆機的背鉗可承受比其他形式鉆機背鉗更大的軸向載荷，同時木馬夾持器可以在深孔鉆進時更有效的防止鉆具打滑下溜的問題。

表1 XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機性能參數(shù)表

2 廠內(nèi)測試試驗

2.1 動力頭運行測試

對于全液壓動力頭鉆機，其運行溫度是關(guān)乎設(shè)備能否達到設(shè)計要求的重要考核指標(biāo)。回轉(zhuǎn)部件的運行溫度受到轉(zhuǎn)速、承載、潤滑方式、散熱等情況的影響也各有不同，所有設(shè)備在出廠前都會進行空載或加載溫升測試，檢測是否達到預(yù)期設(shè)計要求。

XD-800型全液壓便攜式鉆機屬于新產(chǎn)品，利用廠內(nèi)試驗設(shè)備和條件先后對其進行實驗性測試，針對實驗結(jié)果對部分機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，在出廠前又通過測試驗證優(yōu)化設(shè)計的效果。表2是動力頭轉(zhuǎn)速在1060 r/min下采用與傳統(tǒng)水龍頭相同密封形式(V型夾織物密封圈)狀態(tài)下測得的隨著運行時間變化各部分溫度變化。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)整理可得如圖3所示的曲線。

表2 高速齒輪馬達變速箱直傳各部件空載運行溫度測試

圖3 高速齒輪馬達變速箱直傳各部件空載運行溫度曲線

通過圖3的曲線可以看出，首先液壓油溫度在運行30 min左右基本趨于平穩(wěn)，說明獨立的水冷散熱系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)溫升的控制是有效的；其次水龍頭上下位置存在溫差是由特有的動力頭泥漿循環(huán)通道結(jié)構(gòu)帶來的，水龍頭上位與動力頭軸承距離較近所以其溫度變化趨勢相近，但都處于軸承和密封件的工作溫度內(nèi)，屬于正常溫升。圖3中變速箱的溫度曲線波動筆者認(rèn)為是由于在前期變速箱內(nèi)機械結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)和潤滑油的攪動沒有達到熱平衡，當(dāng)運行一小時以后趨于平穩(wěn)運行，達到溫升的穩(wěn)定區(qū)。

在以上試驗的基礎(chǔ)上，我們還進行了另外一組采用小排量高速擺線馬達不經(jīng)過變速箱直接驅(qū)動動力頭以700 r/min回轉(zhuǎn)時對動力頭的主要承載部件溫升測試。試驗數(shù)據(jù)記錄在表3中，將表3數(shù)據(jù)進行整理分析可以得到圖4所示的曲線。

由表3和圖4可見，動力頭在運行45 min后，軸承溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度70℃，處于軸承正常工作溫度區(qū)間，達到設(shè)計要求。

表3 高速擺線馬達直驅(qū)動力頭溫升數(shù)據(jù)表

圖4 動力頭空載溫度測試曲線圖

2.2 帶排繩的繩索打撈絞車

傳統(tǒng)地質(zhì)巖心打撈絞車存在亂繩、壓繩、跳繩等問題，主要原因在于打撈絞車鋼絲繩直徑小，自排繩效果差。同時在下放鉆具時多采用無動力下放，由于重力原因使?jié)L筒回轉(zhuǎn)速度逐漸加大，快速的回轉(zhuǎn)就要求鋼絲繩快速的下放。XD-800型全液壓便攜式鉆機采用了一種新型的排繩器，排繩器可以對排繩速度和排繩方向進行控制調(diào)節(jié)，此外還可以實現(xiàn)在下放鉆具不需要排繩時完全放開排繩器，讓滾筒快速運行不受排繩器的影響。通過絞車支座上的圓周把合孔可以調(diào)節(jié)排繩器的扶繩方向，方便調(diào)節(jié)鉆機在進行各種角度鉆孔時絞車—導(dǎo)輪—鵝頭之間的鋼絲繩夾角，組裝后的帶排繩裝置的絞車如圖5所示，通過現(xiàn)場試鉆實驗發(fā)現(xiàn)其排繩效果達到預(yù)期設(shè)計要求。

圖5 安裝排繩器的打撈絞車

2.3 下置式水龍頭

圖6和圖7為XD-800便攜式全液壓巖心鉆機配備的兩種不同結(jié)構(gòu)型式的下置式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖，由于兩種結(jié)構(gòu)不同，使用操作也有不同。圖6所示的結(jié)構(gòu)在更換密封圈時需要將整個水龍頭全部拆除，其優(yōu)點是密封結(jié)構(gòu)簡單，密封圈容易采購且成本低廉；圖7所示水龍頭采用與傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機水龍頭相同的V型夾織物密封圈，與圖6所示結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)點是可單獨拆卸水龍兩端進行密封圈更換，同時根據(jù)現(xiàn)場使用者反饋和理論分析水龍頭更換頻率更高的是下面的密封材料，但該結(jié)構(gòu)的缺點在于密封材料較第一種復(fù)雜，裝配時需要將多組密封圈組合裝配。兩種密封裝置密封性能均經(jīng)過廠內(nèi)測試達到設(shè)計要求，進一步的性能測試還有待野外使用時進行測試。

圖6 獨立密封圈式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 組合密封圈式水龍頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 生產(chǎn)試驗

該鉆機從井場布置到終孔歷時7天，于2017年10月11日順利在黑龍江伊春市友好區(qū)友誼林場完成生產(chǎn)試驗孔作業(yè)，臺月效率可達2115米/月，如圖8所示。完成NTW鉆桿規(guī)格鉆進65°斜孔、孔深546 m的生產(chǎn)試驗任務(wù)，整個施工過程中鉆機各功能部件運行狀態(tài)良好，順利完成取心作業(yè)，巖心采取率滿足業(yè)主要求。圖9為采用繩索取心鉆具采取的巖樣。

圖8 XD-800型鉆機野外施工作業(yè)

圖9 XD-800型鉆機鉆取的巖心

4 結(jié)論

通過對XD-800型全液壓便攜式巖心鉆機的組裝調(diào)試及生產(chǎn)試驗，證明整套設(shè)備達到設(shè)計要求。但鉆機的研制成功僅僅是基礎(chǔ)，完善的鉆具和輔助設(shè)備才能更好地發(fā)揮便攜式鉆機獨特勘探模式的優(yōu)勢，為實現(xiàn)快速、難進入、綠色勘探提供強有力的支撐；同時設(shè)備使用者也是十分重要的環(huán)節(jié)，要充分發(fā)揮便攜鉆機勘探模式的優(yōu)點，對人員的培訓(xùn)是十分必要的。隨著國內(nèi)對便攜式鉆機工藝、配套、培訓(xùn)、服務(wù)等方面的不斷進步，更快、更安全、更經(jīng)濟的商業(yè)勘探模式將是未來的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] 馬超林. 便攜式全液壓巖心鉆機研究與開發(fā)[D].西南交通大學(xué),2016.

[2] 馬超林,劉文平,舒智,等.HF30便攜式全液壓金剛石巖心鉆機的研發(fā)與應(yīng)用[J].地質(zhì)裝備,2015,16(03):11-13.

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