利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鉆冰機(jī)試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)

劉國(guó)忠，劉靖軒

（1.松遼委水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江同江156400；2.嫩江尼爾基水利水電有限公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

目前，現(xiàn)有大型鉆冰機(jī)，體積過(guò)于龐大，難以用于條件復(fù)雜的冰面（如無(wú)路、陡坡、梯形路面、冰面承重量等）鉆孔且成本高。水文人員一般使用市場(chǎng)出售的輕便成型的鉆孔產(chǎn)品，但這類產(chǎn)品多數(shù)是為垂釣開(kāi)發(fā)的，適用冰層厚度?。ǘ鄶?shù)為80 cm以下）、成孔直徑?。ǘ酁?5～20 cm），水文測(cè)流無(wú)法使用（冬季受氣溫的影響，ADCP無(wú)法使用，只能使用流速儀，其配套的鉛魚最小直徑為42 cm。

為了解決這一問(wèn)題，我們嘗試使用液壓馬達(dá)為動(dòng)力的鉆冰機(jī)，收到了較好的效果。

1 工作原理及工藝

1.1 工作原理

鉆冰機(jī)的主要配件有液壓泵、液壓馬達(dá)、鏈輪、高壓油管、電動(dòng)機(jī)（直流12 V）、齒條及齒輪、絞龍、鉆頭刀片等。基本原理利用相應(yīng)的裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)能—?jiǎng)菽堋獎(jiǎng)恿Φ霓D(zhuǎn)換，將冰層鉆穿，并將碎冰拋出。

1.2 工藝

動(dòng)力輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)液壓泵提供勢(shì)能→通過(guò)高壓油管傳遞給移動(dòng)平臺(tái)上的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能→帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)（絞龍和鉆頭刀片與鉆桿同步）→平臺(tái)上下移動(dòng)→鉆桿帶動(dòng)鉆頭刀片將冰破碎→平臺(tái)下移→絞龍將碎冰排出冰孔→完成打孔作業(yè)。

2 設(shè)備研制過(guò)程

2.1 動(dòng)力輸出設(shè)備的確定

設(shè)備的動(dòng)力輸出設(shè)備包括：動(dòng)力源、動(dòng)力轉(zhuǎn)換器以及連接設(shè)備。

為降低成本、便于使用，動(dòng)力源選擇農(nóng)用四輪車備用的后輸出軸為動(dòng)力源。

液壓泵和液壓馬達(dá)強(qiáng)度高、耐腐蝕、重量輕，這次選擇其為動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備，從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，液壓泵與液壓馬達(dá)是可逆工作的液壓元件，向任何一種液壓泵輸入工作液體，都可使其變成液壓馬達(dá)工況；反之，當(dāng)液壓馬達(dá)的主軸由外力矩驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，也可變?yōu)橐簤罕霉r。因?yàn)樗鼈兙哂型瑯拥幕窘Y(jié)構(gòu)要素--密閉而又可以周期變化的容積和相應(yīng)的配油機(jī)構(gòu)。

為保證動(dòng)力源和動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備的穩(wěn)定連接，確保設(shè)備正常運(yùn)行，配套鏈輪、高壓油管。

通過(guò)反復(fù)運(yùn)用，調(diào)節(jié)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，最終選定農(nóng)用四輪車備用的后輸出軸的轉(zhuǎn)速、配套鏈輪的大小比例、液壓泵的轉(zhuǎn)速。

2.2 配套設(shè)施的確定

配套設(shè)備主要包括：移動(dòng)平臺(tái)、設(shè)備底座、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)等。

為確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備能與動(dòng)力源可靠連接，設(shè)備底座采用正方形框架，前端通過(guò)兩個(gè)橫臂與四輪車后橋連接，在橫臂與正方形框架連接處，設(shè)有可上下移動(dòng)的滑道，用于提升或降低鉆冰機(jī)底座（改變?cè)O(shè)備總高度，方便車輛進(jìn)入車庫(kù)）；立柱上安裝一個(gè)可在立柱上滑動(dòng)、與底座平行的平臺(tái)。

移動(dòng)平臺(tái)上安裝有液壓馬達(dá)、鉆桿軸承座、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、同軸的兩個(gè)齒輪。液壓馬達(dá)軸上安裝一套鏈輪，降低轉(zhuǎn)速。

電動(dòng)機(jī)采用車載帶行星減速機(jī)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)試功率、扭力、輸出軸轉(zhuǎn)速、等參數(shù)保證移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度穩(wěn)定。

減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)。

2.3 鉆具的確定

根據(jù)鉆孔的要求與可操性，選定鉆桿長(zhǎng)度，鉆桿底端裝有絞龍，鉆桿底端，安裝兩個(gè)鋸齒形的鉆頭刀片和一個(gè)三角形刀片，鉆冰頭刀片與三角形刀片相互垂直。

3 解決難點(diǎn)

1）增加鉆孔的深度。傳統(tǒng)鉆冰機(jī)采用鉆桿中間驅(qū)動(dòng)的方式，由于受四輪車后面高度的影響，支架只能在距離地面1.2 m左右，機(jī)器移動(dòng)時(shí)，鉆頭需要離開(kāi)地面0.2 m，實(shí)際絞龍長(zhǎng)度只有1 m，而此時(shí)，支架上方的絲杠必須大于1.2 m，才能保證打孔深度超過(guò)1 m，設(shè)備總高度為2.4 m；如果將絞龍?jiān)黾拥?.2 m，則需要將車輛后面的支架提高至1.4 m，相應(yīng)的絲杠長(zhǎng)度也要增加到1.4 m，此時(shí)，設(shè)備總高度為2.8 m，顯然影響了機(jī)器行走的穩(wěn)定性。如果單純?cè)黾又Ъ苌戏浇z杠的長(zhǎng)度而絞龍長(zhǎng)度不變，則存在使用中深度超過(guò)1 m時(shí)鉆下來(lái)的碎冰，不能及時(shí)從冰孔中排出，造成卡鉆，尤其是剛透水時(shí)，此現(xiàn)象更為嚴(yán)重，影響正常作業(yè)。而且支架上方的絲杠由于沒(méi)法增加支撐設(shè)施，擺動(dòng)嚴(yán)重，即影響使用壽命也存在安全隱患（安裝方式見(jiàn)圖1）。

新制作的鉆冰機(jī)采用鉆桿頂端驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)備距離地面高度為2.3 m，鉆桿上下行程為1.6 m，設(shè)備支架距離地面0.3 m（便于移動(dòng)方便），可鉆孔深度為1.3 m，根據(jù)黑龍江的結(jié)冰厚度，設(shè)計(jì)絞龍長(zhǎng)度為1.1～1.2 m，滿足了作業(yè)需要。

圖1 鉆冰機(jī)安裝方式對(duì)比

2）解決了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦無(wú)法有效潤(rùn)滑的矛盾。以前鉆冰機(jī)的鉆桿通過(guò)絲杠傳動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)需要上下移動(dòng)，存在兩種摩擦力，且由于絲杠需要鍵槽滑動(dòng)傳輸動(dòng)力，鍵槽的存在，使得絲杠無(wú)法密封，不能使用液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，只能使用固體潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑效果不好，存在干磨現(xiàn)象，導(dǎo)致襯套使用壽命短、使用中設(shè)備擺動(dòng)嚴(yán)重的問(wèn)題。

新制作的鉆冰機(jī)，由于采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鉆桿的方式，只存在上下移動(dòng)的摩擦力，且運(yùn)動(dòng)速度慢，固體潤(rùn)滑油即可滿足其需要，有效的解決問(wèn)題。

3）液壓傳動(dòng)不受空間的限制，可以軟連接傳動(dòng)，安裝制作簡(jiǎn)單，操作便利，只需駕駛員在車內(nèi)即可獨(dú)立完成鉆孔作業(yè)。

4）降低了設(shè)備的高度，由于采用了可升降支架，車輛入庫(kù)時(shí)降低設(shè)備，使之與車輛同高，方便了進(jìn)入車庫(kù)，有利于冬季車輛的啟動(dòng)和設(shè)備的養(yǎng)護(hù)。

4 試驗(yàn)成果

鉆冰機(jī)能夠有效的提高工作效率，以太平溝水文站為例，測(cè)流需要打26個(gè)冰眼，用人工打，三人一組，打一個(gè)需要15 min左右，在不休息的情況下，需要6.5 h，由于人的體力逐漸下降，實(shí)際工作中耗時(shí)會(huì)更長(zhǎng)?，F(xiàn)實(shí)情況是，五個(gè)人用一天時(shí)間打冰眼，第二天再由兩人重打（一晚上大約能凍20 cm），三人測(cè)流，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，僅測(cè)流就需要近5 h。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用鉆冰機(jī)，理想狀態(tài)打一個(gè)冰眼大約3 min，加上移動(dòng)位置5 min，共計(jì)8 min，有效的縮短了時(shí)間，打冰眼的同時(shí)即可進(jìn)行測(cè)流工作，節(jié)約的勞動(dòng)力可以增加測(cè)流人員，在人員不變的前提下，可縮短一半的時(shí)間，使得26個(gè)數(shù)據(jù)取得的時(shí)間更短，能充分體現(xiàn)測(cè)流斷面在某一時(shí)段流速、流量的真實(shí)性，提高了數(shù)據(jù)的科學(xué)性。

5 存在不足及后期改進(jìn)方向

1）打孔時(shí)間比預(yù)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。原因分析：①鉆頭材質(zhì)強(qiáng)度、銳度未能滿足要求、鉆入角度存在偏差，導(dǎo)致速度慢，與鉆桿下降速度不匹配，甚至出現(xiàn)車輛輪胎離開(kāi)地面的情況；②農(nóng)用四輪車電瓶電力不足，導(dǎo)致移動(dòng)速度慢甚至停頓。

后期改進(jìn)：增強(qiáng)鉆頭強(qiáng)度，細(xì)化鉆入角度試驗(yàn)；尋找更穩(wěn)定的動(dòng)力源，確保設(shè)備使用穩(wěn)定。

2）操作人員不熟練。后期駕駛員需培訓(xùn)，牢固掌握操作程序，避免造成設(shè)備損壞和安全事故，通過(guò)培訓(xùn)，提高工作效率。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)未卸載液壓泵就啟動(dòng)四輪車的現(xiàn)象。同時(shí)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和功率與四輪車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，需要密切配合，熟練掌握技巧。

6 設(shè)備適用條件及應(yīng)用前景

該設(shè)備可用于鉆孔直徑在50 cm以下、鉆孔深度30～130 cm的冰上鉆孔作業(yè)，設(shè)備總重量約為2 t，冬季結(jié)冰超過(guò)30 cm即可作業(yè)（設(shè)備上冰之前需查明工作路線的冰厚度情況）。

冰厚度與承重量的關(guān)系（淡水捕撈學(xué)，1983.6）

冰厚5 cm，人可行走；

冰厚12 cm，人可持一匹馬行走；

冰厚30 cm，可行駛9～10 t履帶式機(jī)器；

冰厚40 cm，可荷重15～20 t。

該設(shè)備負(fù)荷能力大，性能穩(wěn)定，工作效率高；可與任意型號(hào)拖拉機(jī)車體配套使用（應(yīng)考慮設(shè)備總重量），安裝方便；操作人員可獨(dú)立完成全部操作，提高作業(yè)效率，操作熟練的情況下每小時(shí)不低于20個(gè)（厚度為1 m）冰孔，較傳統(tǒng)工藝鉆孔相比，工作效率可提高80%。設(shè)備研制成功后可用于嚴(yán)寒冰凍地區(qū)的水文測(cè)流、水庫(kù)養(yǎng)殖和池塘養(yǎng)殖的打孔補(bǔ)氧、漁業(yè)捕撈冰下大拉網(wǎng)打孔作業(yè)等，運(yùn)用前景較廣泛。