機(jī)械傳動(dòng)立軸式巖心鉆機(jī)自動(dòng)化升級(jí)的研究及應(yīng)用

柴喜元，譚穎，歐陽(yáng)志強(qiáng)，周親宗，田愛(ài)民

(衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，湖南衡陽(yáng) 421002)

0 引言

機(jī)械傳動(dòng)立軸式巖心鉆機(jī)自二十世紀(jì)六十年代研制成功以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐應(yīng)用和不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)性能已趨合理完善，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)可靠、價(jià)格便宜、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一直是我國(guó)地質(zhì)巖心鉆探的主力機(jī)型，市場(chǎng)保有量大，工人熟悉程度高[1]。

但是“十三五”以來(lái)，隨著我國(guó)地勘單位推進(jìn)深部找礦，不斷增強(qiáng)深部礦產(chǎn)資源勘查能力，繼續(xù)采取“放大加深”技術(shù)路線研制的大型傳統(tǒng)機(jī)械立軸式巖心鉆機(jī)，在深孔地質(zhì)巖心鉆探施工中暴露出了許多不足之處，例如：①給進(jìn)行程短，停機(jī)倒桿頻次成倍增加，勞動(dòng)強(qiáng)度大；②隨著鉆進(jìn)深度的加深，液壓卡盤夾持力不夠，容易打滑；③深孔段起下鉆勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度成倍增大[2]，抱閘式卷?yè)P(yáng)提升力不足，作業(yè)危險(xiǎn)性增大，易造成人員疲勞；④鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速、扭矩調(diào)節(jié)范圍窄，不能無(wú)級(jí)變速，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[3]；⑤孔內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，靠經(jīng)驗(yàn)“盲打”，事故率高；⑥操作空間狹小，緊挨著孔口和鉆機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件，工作環(huán)境的舒適性、安全性低等。這些不足往往導(dǎo)致深孔地質(zhì)巖心鉆探施工鉆進(jìn)效率降低、勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、能耗較大、安全隱患增加等諸多問(wèn)題。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，地勘單位對(duì)鉆探設(shè)備的需求也逐漸從能力的提升轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)設(shè)備自動(dòng)化、數(shù)字化及安全性的新需求[4]。

為了更好地滿足深孔地質(zhì)巖心鉆探施工的要求，衡陽(yáng)中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司和山東省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)達(dá)成合作協(xié)議，對(duì)其在用的一臺(tái)傳統(tǒng)XY-8型立軸式巖心鉆機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在保留原XY-8型立軸鉆機(jī)機(jī)架、底座、分動(dòng)箱、回轉(zhuǎn)器等部件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電、氣、液、數(shù)字化等現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)，對(duì)其回轉(zhuǎn)、提升、給進(jìn)、液壓、操控等系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化升級(jí)，增加了司鉆房、VFD房等功能模塊，改造為XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)。如圖1所示，其主要由底座、動(dòng)力傳動(dòng)、機(jī)架、主絞車、VFD房、分動(dòng)箱、回轉(zhuǎn)器、液壓站、司鉆房等部件組成。

1.底座；2.動(dòng)力傳動(dòng)；3.機(jī)架；4.主絞車；5.VFD房；6.分動(dòng)箱；7.回轉(zhuǎn)器；8.液壓站；9.司鉆房圖1 XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)主要組成部件Fig.1 The main components of XY-8TD frequency conversion electric drive spindle drill

1.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

將原立軸鉆機(jī)的主電機(jī)由普通電機(jī)改為75 kW變頻電機(jī)，保留原立軸鉆機(jī)離合器、變速箱、萬(wàn)向軸、分動(dòng)箱傳動(dòng)鏈。配合變速箱、分動(dòng)箱常用或特殊工況下的幾個(gè)變速擋位[3]，實(shí)現(xiàn)立軸回轉(zhuǎn)擋內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。淺孔鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)動(dòng)力頭液壓卡盤，深孔鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)立軸上下兩端的導(dǎo)向傳扭套，將旋轉(zhuǎn)扭矩從立軸傳遞給主動(dòng)鉆桿。采用變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)立軸轉(zhuǎn)速和扭矩的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，輸出性能參數(shù)更加適用于施工工況需要，能夠滿足復(fù)雜地層工藝精細(xì)化的要求[5]。變頻電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速和過(guò)載特性使工人對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的控制更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

1.2 提升系統(tǒng)

去掉原立軸鉆機(jī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)、水剎車，將抱閘式主卷?yè)P(yáng)改為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓盤剎剎車主絞車。傳統(tǒng)抱閘式主卷?yè)P(yáng)是通過(guò)水剎車、抱閘機(jī)構(gòu)進(jìn)行制動(dòng)的，人工控制抱閘進(jìn)行制動(dòng)，在深孔鉆探施工中，工人勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大且存在打滑溜鉆等安全隱患。而變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓盤剎剎車主絞車(圖2)，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)+能耗制動(dòng)+盤剎的控制方式，通過(guò)變頻器、制動(dòng)電阻和鉗盤式制動(dòng)器進(jìn)行控制和制動(dòng)，輸出穩(wěn)定、控制精確，可以克服深孔鉆探施工中，抱閘式主卷?yè)P(yáng)因人力控制能力不夠，易發(fā)生打滑失控的缺點(diǎn)，且能大大減輕工人起下鉆勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.工作鉗；2.送鉆電機(jī)；3.制動(dòng)盤；4.卷筒；5.減速箱；6.安全鉗；7.動(dòng)力輸入鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2 主絞車部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of main winch components

主絞車具有快速起下鉆具和自動(dòng)送鉆等功能，由主變頻電機(jī)通過(guò)原鉆機(jī)分動(dòng)箱、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主絞車卷筒，實(shí)現(xiàn)起下鉆功能，由小功率送鉆電機(jī)通過(guò)減速箱輸出扭矩和轉(zhuǎn)速給卷筒，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。剎車裝置安裝在卷筒一側(cè)，由制動(dòng)盤、工作鉗、安全鉗等組成。工作鉗為液壓夾緊彈簧打開(kāi)的常開(kāi)式制動(dòng)鉗，安全鉗為彈簧夾緊液壓打開(kāi)的常閉式制動(dòng)鉗。

1.3 給進(jìn)系統(tǒng)

保留原立軸鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器的“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”給進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)變頻電驅(qū)動(dòng)主絞車增加自動(dòng)送鉆模式。淺孔加壓鉆進(jìn)時(shí)，采用“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”給進(jìn)系統(tǒng)；深孔減壓鉆進(jìn)時(shí)，拆掉液壓卡盤卡瓦，由主絞車送鉆電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒拖放鉆具，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程恒鉆速或恒鉆壓自動(dòng)送鉆。既保留了傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)開(kāi)孔和淺孔加壓鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了在深孔鉆進(jìn)時(shí)，給進(jìn)行程短、勞動(dòng)強(qiáng)度大和因鉆具重造成液壓卡盤卡瓦打滑溜鉆等問(wèn)題。

1.4 液壓系統(tǒng)

傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)緊湊的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制布局與鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)高度融合，很大程度降低了設(shè)備重量和外形尺寸，但由此也帶來(lái)液壓元器件的防護(hù)不夠、液壓系統(tǒng)維修空間狹小和操作不夠人性化、安全性低等問(wèn)題[4]。鑒于以上問(wèn)題，將原立軸鉆機(jī)液壓系統(tǒng)從鉆機(jī)主體中分離出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將液壓、電氣元器件均置于液壓站內(nèi)，液壓系統(tǒng)流量可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，配置單獨(dú)循環(huán)散熱系統(tǒng)[4]，集成了獨(dú)立液壓泵系統(tǒng)為主絞車液壓盤剎提供動(dòng)力，配備高壓蓄能器保證剎車系統(tǒng)在斷電后保持制動(dòng)能力。獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)使得整機(jī)的操控性更佳，同時(shí)為液壓系統(tǒng)的檢查和維修提供了更好的空間。

1.5 操控系統(tǒng)

鉆機(jī)各主要工作部件均由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓操作控制，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化司鉆集中精確控制創(chuàng)造了條件。鉆機(jī)主要部件均采用獨(dú)立的變頻器驅(qū)動(dòng)，所有變頻器、PLC控制柜、供電柜等均集中布置在獨(dú)立的VFD房?jī)?nèi)。通過(guò)各種變頻器、傳感器，采用數(shù)字控制技術(shù)，對(duì)各工作部件主電機(jī)及鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行采集、傳輸、運(yùn)算，并根據(jù)程序控制執(zhí)行單元，將信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)[1]。

獨(dú)立的司鉆房?jī)?nèi)安裝有觸控屏、操作手柄、手輪、監(jiān)控屏等，所有鉆進(jìn)動(dòng)作均通過(guò)觸控屏操作界面(如圖3所示)、操作手柄、手輪實(shí)現(xiàn)，所有鉆機(jī)參數(shù)、報(bào)警信息、故障信息均可在觸控屏上顯示，鉆塔二層臺(tái)等井場(chǎng)關(guān)鍵部位均安裝有攝像頭，畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿俱@房?jī)?nèi)監(jiān)控屏上，實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)字化施工，預(yù)防和減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，大幅改善了工作環(huán)境，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

圖3 觸控屏操作界面Fig.3 The operation interface of touch screen

2 主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

2.1 技術(shù)參數(shù)

XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。該鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、起下鉆的速度和扭矩的精細(xì)化精確控制，能更好地適應(yīng)深孔地質(zhì)巖心鉆探復(fù)雜多變的地層情況。

2.2 主要特點(diǎn)

(1)在傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，保留了原立軸鉆機(jī)“液壓卡盤夾緊+液壓缸加壓”的給進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力傳統(tǒng)系統(tǒng)，常用或特殊工況下的變速擋位可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔和淺孔時(shí)的加壓鉆進(jìn)和特殊工況對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩的需求，符合小口徑地質(zhì)巖心鉆探的施工工藝要求和工人操作習(xí)慣。

(2)新研制的變頻電驅(qū)動(dòng)、液壓盤剎式主絞車，大大提升了鉆機(jī)起下鉆能力和事故處理能力；實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程自動(dòng)送鉆功能，大幅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了深孔鉆進(jìn)施工時(shí)卡瓦打滑和高頻次停機(jī)倒桿引起各類事故的發(fā)生。

表1 XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of XY-8TD frequency conversion electric drive spindle drilling machine

(3)各主要工作部件均采用獨(dú)立變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出穩(wěn)定、控制精確，能做到按需輸出功率，能耗低，經(jīng)濟(jì)效益好；具有一定的過(guò)載能力，孔內(nèi)事故處理能力強(qiáng)[1]。

(4)在鉆機(jī)上應(yīng)用變頻電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，便于數(shù)據(jù)采集，為鉆進(jìn)施工中判斷孔內(nèi)狀況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及工藝參數(shù)匹配提供了可靠科學(xué)依據(jù)；具有過(guò)載保護(hù)和故障報(bào)警功能，降低和預(yù)防事故的發(fā)生，提升了工作效率和安全性；便于施工過(guò)程數(shù)據(jù)的記錄和追溯，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化科學(xué)鉆探。

(5)獨(dú)立的VFD房、司鉆房、液壓站模塊化設(shè)計(jì)，操作集中，設(shè)計(jì)更人性化，工作環(huán)境更舒適，勞動(dòng)強(qiáng)度低，維護(hù)檢修方便，作業(yè)環(huán)境得到極大改善。同時(shí)，為配置井場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、井口卡夾擰卸作業(yè)機(jī)械化、泥漿循環(huán)處理等其他功能模塊提供了便利的拓展平臺(tái)和擴(kuò)容空間。

3 工程應(yīng)用

XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)改制升級(jí)完成后，在西藏自治區(qū)甲瑪銅多金屬礦床3000 m科學(xué)深鉆項(xiàng)目投入生產(chǎn)應(yīng)用，圖4為施工現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖4 西藏甲瑪3000 m科學(xué)深鉆施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 3000 m scientific deep drilling site in Jiama, Tibet

3.1 工程概況

西藏自治區(qū)甲瑪銅多金屬礦床3000 m科學(xué)深鉆項(xiàng)目由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所組織實(shí)施，山東省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)負(fù)責(zé)鉆探施工。鉆孔位于中金華泰龍甲瑪銅多金屬礦區(qū)內(nèi)，海拔5100 m。鉆孔設(shè)計(jì)孔深3000 m，設(shè)計(jì)開(kāi)孔頂角3°，終孔直徑≥75 mm?？孜惶幱诟吆０蔚貐^(qū)，對(duì)人員、設(shè)備和后勤保障提出了更高的要求[6]。

工程采用改進(jìn)后的XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)，泥漿泵選用衡探BW-300/16型泥漿泵，鉆塔選用K型鉆塔，有效高度31 m，額定負(fù)荷900 kN，底座自帶4個(gè)水箱，可做泥漿循環(huán)池，實(shí)現(xiàn)泥漿不落地，滿足高原鉆探施工環(huán)保要求。同時(shí)，配備自制塔衣，能夠滿足高原雨雪天氣及冬季施工需求[6]。

3.2 實(shí)鉆情況

自2019年6月22日開(kāi)工以來(lái)，項(xiàng)目施工團(tuán)隊(duì)克服了高寒缺氧與新冠疫情的影響，于2020年10月21日竣工，歷時(shí)488天。深鉆鉆探進(jìn)尺3003.33 m，終孔口徑98 mm，巖心累計(jì)采取率高達(dá)98.8%，鉆孔質(zhì)量完全滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了青藏高原固礦勘查領(lǐng)域3000 m深鉆零的突破。深鉆實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.5 Actual drilling hole structure

一開(kāi)采用直徑175 mm雙管鉆具開(kāi)鉆，至孔深6.5 m，再采用直徑245 mm鉆頭擴(kuò)孔，下入直徑219 mm套管，固井。二開(kāi)采用直徑175 mm金剛石雙管鉆具鉆進(jìn)至孔深57.49 m，下入直徑168 mm套管。三開(kāi)采用直徑150/122 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆進(jìn)作業(yè)，鉆進(jìn)至224.5 m，提前下入直徑140 mm套管，換直徑122 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)。四開(kāi)采用直徑122 mm金剛石繩索取心工藝，順利鉆進(jìn)至1075.22 m，下入直徑114 mm鉆桿作為套管[6]。五開(kāi)采用直徑98 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝，順利鉆進(jìn)至3003.33 m終孔，完成施工任務(wù)。

在實(shí)鉆過(guò)程中，XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)綜合性能得到了充分驗(yàn)證，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作基本正常，傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)在深孔地質(zhì)巖心鉆探施工中暴露的問(wèn)題得到了很好解決。施工人員認(rèn)為該鉆機(jī)總體性能先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，安全性高，使用成本低，改善了勞動(dòng)環(huán)境；鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)和孔內(nèi)鉆進(jìn)工藝參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和集中顯示，為判斷、預(yù)防孔內(nèi)事故提供了科學(xué)依據(jù)。

同時(shí)，設(shè)備在鉆進(jìn)施工中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。一是送鉆電機(jī)電磁牙嵌離合器安裝精度要求高，工作頻繁，易損壞；二是施工現(xiàn)場(chǎng)缺乏電氣技術(shù)人員，一些簡(jiǎn)單的電氣問(wèn)題得不到快速解決，影響工作效率。

4 結(jié)論

XY-8TD型變頻電傳動(dòng)立軸鉆機(jī)是應(yīng)用電、氣、液、數(shù)字化等現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械立軸式巖心鉆機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)的一次探索和嘗試。既保留了傳統(tǒng)機(jī)械立軸鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又提升了鉆探設(shè)備的自動(dòng)化、數(shù)字化水平，能夠滿足深孔地質(zhì)巖心鉆探施工工藝的需要。將先進(jìn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)鉆探設(shè)備融合，進(jìn)行功能創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，既符合當(dāng)前地勘行業(yè)實(shí)際情況，又順應(yīng)鉆探設(shè)備向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。