全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

高玉林，張新，姚堅(jiān)毅，王瑜，孫懿琨

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇常熟 215557；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100010)

0 前言

全球環(huán)境日益惡化，人類的生存與發(fā)展條件受到了很大影響，包括我國(guó)在內(nèi)的世界多個(gè)國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策進(jìn)行環(huán)境治理。我國(guó)土壤和地下水污染嚴(yán)重，土壤、地下水污染防治工作起步較晚，工作基礎(chǔ)薄弱，土壤污染防治體系尚未形成，技術(shù)及裝備較為缺乏，高效鉆進(jìn)、高質(zhì)量取樣一直是我國(guó)污染土勘察的主要難題之一。

準(zhǔn)確的污染場(chǎng)地調(diào)查是進(jìn)行環(huán)境修復(fù)的前提條件。當(dāng)前土壤、地下水鉆探取樣主要有回轉(zhuǎn)取樣、振動(dòng)取樣和直推式取樣3種形式。與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式相比，全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中，遇到地層阻力較小時(shí)，給進(jìn)油缸產(chǎn)生靜壓力推動(dòng)動(dòng)力頭沿滑軌向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)取樣裝置無(wú)回轉(zhuǎn)地進(jìn)入地層；當(dāng)?shù)貙幼枇^大或者無(wú)法靜壓進(jìn)尺時(shí)，動(dòng)力頭產(chǎn)生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進(jìn)取樣。鉆機(jī)取樣鉆進(jìn)采用直推和沖擊的方式剪切地層取樣，具有成本低、取心率高、鉆進(jìn)速度快、對(duì)樣品無(wú)擾動(dòng)及無(wú)泥漿液循環(huán)的特點(diǎn)，是淺層土壤地層取樣的有效方法。

目前國(guó)內(nèi)環(huán)境取樣鉆機(jī)功能單一，回轉(zhuǎn)扭矩小，難以滿足取樣和水井建井監(jiān)測(cè)的需求；機(jī)器笨重造成運(yùn)輸不便、轉(zhuǎn)場(chǎng)效率低；鉆進(jìn)能力不足，造成取樣深度淺，特別是較硬地層鉆進(jìn)能力差。針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)污染場(chǎng)地的特點(diǎn)，課題組設(shè)計(jì)了一種中型回轉(zhuǎn)-直推式環(huán)保鉆機(jī)，既可以滿足土壤地層直推沖擊式快速取樣的需求，也可以大扭矩回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行建井監(jiān)測(cè)，可同時(shí)完成直推沖擊、直推-回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)等工藝，是一種綜合式環(huán)保取樣鉆機(jī)。直推式低頻環(huán)保取樣鉆機(jī)采用沖擊、回轉(zhuǎn)一體式動(dòng)力頭，結(jié)構(gòu)緊湊，易操作，采樣質(zhì)量、工作效率高，能夠滿足不同復(fù)雜地層的取樣需求，并在污染場(chǎng)地調(diào)查中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 鉆機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)主要由沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭、機(jī)架集成系統(tǒng)、集成式操作臺(tái)、履帶底盤(pán)系統(tǒng)、推鏟拖架系統(tǒng)、柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、吊車桅桿系統(tǒng)等組成，如圖1所示。鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，操控可視化，是集智能化、模塊化、輕便化于一體的技術(shù)集成，能夠滿足國(guó)內(nèi)土壤環(huán)境調(diào)查日益嚴(yán)格的技術(shù)要求以及業(yè)務(wù)增長(zhǎng)需求。鉆機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 直推式低頻液壓環(huán)保取樣鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 鉆機(jī)的主要參數(shù)

1.1 機(jī)架集成系統(tǒng)

機(jī)架集成系統(tǒng)主要由機(jī)架升降系統(tǒng)、液壓絞車、主油缸、動(dòng)力頭滑動(dòng)座板等零部件組成，機(jī)架集成系統(tǒng)的作用是調(diào)整機(jī)架坐落位置、實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的上下平移和起拔鉆桿。由液壓系統(tǒng)提供高壓油驅(qū)動(dòng)主油缸，主油缸與動(dòng)力頭滑動(dòng)座板固定在一起，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭滑動(dòng)底座沿機(jī)架滑軌上、下平移，保證鉆孔筆直，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的起拔、給進(jìn)，動(dòng)力頭滑移行程2 000 m，主油缸起拔力為171 kN，給進(jìn)力為115 kN。由液壓系統(tǒng)提供高壓油給小油缸，推動(dòng)機(jī)架升降組件使得機(jī)架底部著地；也可推動(dòng)無(wú)齒旋轉(zhuǎn)軸承左右旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)架集成系統(tǒng)能夠左右旋轉(zhuǎn)15°。配合液壓絞車、滑輪架以及鉆桿夾持器提拔取樣鉆桿使得取樣操作快捷，工作效率高，液壓絞車的拉力為10 780 N，機(jī)架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 履帶底盤(pán)系統(tǒng)

履帶底盤(pán)系統(tǒng)主要由橡膠履帶和矩形鋼管焊接而成的底盤(pán)組成，由于全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量在4.5 t左右，作業(yè)場(chǎng)地主要為固定位置，對(duì)行走速度要求不高，但為運(yùn)輸方便，整機(jī)質(zhì)量越輕越好，因此此設(shè)備選用橡膠形式履帶底盤(pán)，軸距1 700 mm，帶寬300 mm，爬坡能力不超過(guò)20°，行走速度為0～4 km/h,接地比壓為0.04 MPa。底盤(pán)由柴油機(jī)托架、液壓油箱托架、機(jī)架滑動(dòng)架托架和履帶等通過(guò)矩形鋼管組焊而成；集成式操作臺(tái)位于底盤(pán)前端，實(shí)現(xiàn)取樣操作過(guò)程中整機(jī)的可視性；系統(tǒng)動(dòng)力源布局在整機(jī)中心位置，確保液壓系統(tǒng)管路長(zhǎng)度的最短化和實(shí)現(xiàn)設(shè)備效率的最優(yōu)化；設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的有害振動(dòng)，將泵等核心組件遠(yuǎn)離振動(dòng)源，保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)的可靠性。底盤(pán)整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，運(yùn)行穩(wěn)定。履帶底盤(pán)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 履帶底盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)是鉆機(jī)最核心的動(dòng)力源，柴油機(jī)選用康明斯QSB3.9-C110-30，配備三合一冷卻器。該柴油機(jī)的額定功率為81 kW，最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。液壓系統(tǒng)的液壓泵采用帶有負(fù)載敏感的壓力補(bǔ)償控制變量泵，同時(shí)液壓泵上還配備有恒功率控制和壓力切斷功能，可以更好地保護(hù)整個(gè)液壓系統(tǒng)，滿足鉆機(jī)整體的動(dòng)力供應(yīng)。

1.4 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)采用單泵多執(zhí)行負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，在工作時(shí)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和沖擊錘的沖擊速度、沖擊力可隨地層的變化、工藝的要求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，所設(shè)計(jì)的液壓回路符合壓力自適應(yīng)、速度可調(diào)性的性能要求。鉆機(jī)的液壓原理如圖4所示。

圖4 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理

2 直推沖擊動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作原理

沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭是環(huán)保取樣鉆機(jī)的核心部件，主要由沖擊錘、擺線馬達(dá)、沖擊釬桿、主齒輪軸和馬達(dá)齒輪軸組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)物分別如圖5、圖6所示。3個(gè)2K-395擺線馬達(dá)通過(guò)3個(gè)馬達(dá)齒輪軸帶動(dòng)主齒輪減速旋轉(zhuǎn)，主齒輪再帶動(dòng)動(dòng)力頭底部的鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，液壓系統(tǒng)提供高壓油使得動(dòng)力頭上部沖擊錘錘芯不斷沖擊釬桿，將沖擊力傳遞給取樣鉆具，從而能夠快速鉆取擾動(dòng)小、無(wú)污染的圓柱狀土樣。動(dòng)力頭沖擊、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上下一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，取樣效率高，同時(shí)具備沖擊與回轉(zhuǎn)功能。由于鉆進(jìn)工藝需要低轉(zhuǎn)速、大扭矩，所以動(dòng)力頭設(shè)計(jì)的最大輸出扭矩為7 500 N·m，轉(zhuǎn)速0～110 r/min，液壓沖擊錘的沖擊頻率為5～40 Hz，充氣室內(nèi)的充氮壓力為1.6 MPa，沖擊功為550 J。

圖5 沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭設(shè)計(jì)圖

圖6 沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭

2.2 動(dòng)力頭核心部件仿真分析

釬桿是沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的核心部件，動(dòng)力頭所提供的沖擊、回轉(zhuǎn)功能都經(jīng)過(guò)釬桿傳遞給取樣鉆具，因此釬桿既受液壓沖擊錘錘芯的沖擊力，還受到3個(gè)擺線馬達(dá)施加的扭矩，因此釬桿對(duì)沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的平穩(wěn)運(yùn)行起到關(guān)鍵性的作用。

釬桿的材料選用42CrMo，釬桿所受的載荷約束在釬桿的六方連接處(與主齒輪連接)，負(fù)載按動(dòng)力頭最大輸出扭矩7 500 N·m加載，作為反力矩加載在釬頭處。通過(guò)ANSYS對(duì)釬桿進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7所示：釬桿所受的最大應(yīng)力為765.5 MPa，為局部應(yīng)力集中，整體應(yīng)力在600 MPa以下；最大位移約為0.34 mm。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，釬桿的許用應(yīng)力為930 MPa，釬桿滿足使用的強(qiáng)度與剛度要求。

圖7 釬桿仿真分析云圖

圖8 錘芯沖擊釬桿網(wǎng)格劃分(a)與等效應(yīng)力云圖(b)

3 現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)研究

3.1 直推式取樣鉆具設(shè)計(jì)

直推式取樣鉆具主要由取樣鉆頭、取樣透明管、沖擊鉆桿和卡爪等零件組成。取樣鉆頭為60 mm的硬質(zhì)合金鉆頭，取樣透明管為長(zhǎng)度1 500 mm的PVC管，取出土壤樣品直徑為32 mm，沖擊鉆桿直徑為57 mm，鉆桿之間為絲扣連接。通過(guò)沖擊回轉(zhuǎn)一體式動(dòng)力頭和機(jī)架主油缸的沖擊力和直推力將取樣鉆具推入土層取樣，整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)需鉆具回轉(zhuǎn)、泥漿液，保證了取出原狀土樣的完整性和連續(xù)性。

土壤取樣鉆具是為了采集連續(xù)的土芯，采樣既可以從地表開(kāi)始，也可以從地面以下預(yù)定深度開(kāi)始。直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。當(dāng)從地表開(kāi)始取樣時(shí)，應(yīng)該使用帶卡爪的取樣透明管收集第一個(gè)土芯，通過(guò)小吊拉住取樣桿提頭將土壤樣品從沖擊鉆桿內(nèi)鉆具取出，如圖9(b)所示，然后拆除第一根取樣透明管和土芯后，在取樣管接頭的末端插入新的取樣透明管，并用沉頭螺釘固定，相應(yīng)地再增加一節(jié)沖擊鉆桿和取樣鉆桿，在動(dòng)力頭的沖擊下整個(gè)鉆具繼續(xù)向下推進(jìn)，土樣相繼進(jìn)入透明的PVC管內(nèi)，然后將填滿的取樣透明管從沖擊鉆桿中取出，以回收第二個(gè)土芯，整個(gè)采樣間隔內(nèi)重復(fù)上述過(guò)程。從地表開(kāi)始取樣的鉆具如圖9(a)所示，當(dāng)從地表以下某一深度取樣時(shí)就需要在取樣鉆頭上安裝超前鉆頭，鉆機(jī)推進(jìn)，到達(dá)指定深度后取出超前鉆頭，換上卡爪再繼續(xù)鉆進(jìn)。

圖9 直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)于2021年12月1日在天津市河西區(qū)郁江道(陳塘科技商務(wù)區(qū))7號(hào)地塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行污染土取樣工作。7號(hào)地塊東至崇巖東路，南至東江道，西至內(nèi)江路，北至怒江道，總面積63 491.8 m，天津丹明化工有限公司等多家化工企業(yè)在此安廠，為保障地塊安全利用，需要進(jìn)行取樣調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，明確后期是否需要開(kāi)展修復(fù)治理工作。

鉆機(jī)在2021年12月1日共取樣兩處點(diǎn)位，取樣深度分別為4.5 m和13.5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)污染土的取樣要求，取樣深度要求為16 m即可。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的直推式環(huán)保取樣鉆機(jī)的取樣深度大于30 m的能力，在2021年12月2日進(jìn)行了30 m以上的取樣試驗(yàn)，取樣深度為31.5 m，鉆進(jìn)深度為32 m。鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)取樣施工和土壤樣品分別如圖10、圖11所示。

圖10 鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)取樣

圖11 土壤取樣樣品

表2所示為2021年12月2日現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中32 m深度時(shí)鉆機(jī)和取樣的各項(xiàng)參數(shù)。

表2 取樣32 m數(shù)據(jù)記錄

從三次取樣情況看，全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)具備取樣深度30 m的能力，取出的土樣擾動(dòng)小、無(wú)污染、取樣效率高，鉆機(jī)的最快鉆進(jìn)速度也達(dá)到了3 m/min以上，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果良好。

4 結(jié)論

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊，發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、動(dòng)力頭等關(guān)鍵元件除性能可靠、質(zhì)量過(guò)硬外，更有匹配的自適應(yīng)負(fù)載液壓調(diào)節(jié)及油路系統(tǒng)，保證鉆機(jī)整體各元件協(xié)調(diào)工作。鉆機(jī)前后質(zhì)量分布合理、重心位置合理，能適應(yīng)惡劣的場(chǎng)地工作條件。沖擊回轉(zhuǎn)一體式動(dòng)力頭配備相應(yīng)的鉆具和鉆探工藝，使得鉆機(jī)有較強(qiáng)的地層適應(yīng)性，能在沉積層、砂層及堅(jiān)硬地層鉆探取樣。鉆機(jī)整體技術(shù)特點(diǎn)概括如下：

(1)沖擊回轉(zhuǎn)一體式的多功能沖旋機(jī)構(gòu)

該部分包括機(jī)架、油缸、回轉(zhuǎn)軸承、動(dòng)力頭以及各類傳感器等。將回轉(zhuǎn)功能和沖擊功能集成在一個(gè)動(dòng)力頭上，形成回轉(zhuǎn)、沖擊一體式動(dòng)力頭，在切換沖擊和回轉(zhuǎn)功能時(shí)無(wú)需更換動(dòng)力頭；通過(guò)機(jī)架傾倒和搖擺可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)角度的調(diào)節(jié)；通過(guò)配備的傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)角度自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)鉆進(jìn)功能。沖旋機(jī)構(gòu)動(dòng)力頭最大輸出扭矩達(dá)7 500 N·m，最大鉆進(jìn)速度達(dá)3 m/min，通過(guò)搖擺和傾倒調(diào)節(jié)，并配合傾斜度傳感器，垂直度可控制在1%以內(nèi)。

(2)自適應(yīng)液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)采用單泵多執(zhí)行器負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流量-壓力的動(dòng)態(tài)調(diào)整，借鑒負(fù)載敏感技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)直推式液壓鉆機(jī)電液比例液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；通過(guò)負(fù)載敏感閥和比例泵控制原理實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)不同地質(zhì)、不同深度下的鉆機(jī)速度和鉆機(jī)沖擊力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并減少發(fā)熱的工效。

(3)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

通過(guò)配備的各類傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)設(shè)備的監(jiān)控，在施工過(guò)程中可實(shí)時(shí)采集相關(guān)施工數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備超限情況進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備的安全使用。