GDC系列多功能鉆機(jī)車的研制

沈中華，熊君，臧臣坤，王春蕾，高明帥，薛善忠，孫衛(wèi)娜，沈懷浦，朱江龍

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

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和不斷加快的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，鐵路、公路等基礎(chǔ)工程建設(shè)成為國(guó)家大力投資的領(lǐng)域。除此之外，隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略實(shí)施，涉及資源環(huán)境承載力評(píng)估及修復(fù)等工程勘察和環(huán)境調(diào)查的鉆探工作量逐年遞增。研制一種適應(yīng)鉆探環(huán)境和鉆探工藝的鉆探機(jī)械裝備，對(duì)勘察質(zhì)量的提升起決定性作用[1-3]。

機(jī)械傳動(dòng)、立軸式的汽車鉆或落地鉆機(jī)是工勘市場(chǎng)普遍應(yīng)用的機(jī)型，幾十年中盡管生產(chǎn)廠家和使用者不斷努力去使其更適用于實(shí)際施工，但受限于其自身的傳動(dòng)方式及立軸鉆進(jìn)模式，無法滿足無擾動(dòng)、無循環(huán)液的原狀取樣質(zhì)量要求，運(yùn)移、鉆進(jìn)及取樣的效率很難提升[4-8]。相對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家的工程勘察及環(huán)境鉆機(jī)絕大多數(shù)為全液壓鉆機(jī)或電液傳動(dòng)與控制鉆機(jī)，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)裝備遠(yuǎn)滯后于行業(yè)需求、工業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，表1所述為國(guó)內(nèi)外工程鉆機(jī)特點(diǎn)對(duì)比[9-11]。

表1 國(guó)內(nèi)外工程鉆機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

為解決工程勘察與環(huán)境調(diào)查行業(yè)技術(shù)裝備的供需矛盾，中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司推出GDC系列多功能汽車鉆。不同于傳統(tǒng)車載鉆機(jī)使用單獨(dú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，GDC系列汽車鉆采用四驅(qū)柴油皮卡/輕卡裝載、全功率斷軸取力、液壓傳動(dòng)與集中操控，搭載常規(guī)勘察、高速回轉(zhuǎn)、沖擊、沖擊回轉(zhuǎn)、自動(dòng)標(biāo)貫及靜力觸探等工藝及功能機(jī)構(gòu)，可根據(jù)工程施工自由配置，功能模塊可快速切換，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，尤其適用于200 m之內(nèi)的快速工程勘察、環(huán)境調(diào)查及淺部找礦領(lǐng)域。該系列鉆機(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)多功能汽車鉆的空白[12-13]，受到業(yè)內(nèi)專家和用戶的廣泛關(guān)注，如圖1、圖2所示。

圖1 GDC-50多功能皮卡鉆機(jī)車

圖2 GDC-100多功能輕卡鉆機(jī)車

1 總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

GDC-50型皮卡鉆機(jī)車總體結(jié)構(gòu)見圖3，鉆機(jī)車采用4驅(qū)95 kW柴油皮卡裝載，全功率斷軸取力器安裝在皮卡車變速箱與分動(dòng)箱之間，取力器帶液壓泵作為鉆機(jī)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)與控制。鉆機(jī)配備高速回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭、低速回轉(zhuǎn)+沖擊動(dòng)力頭、自動(dòng)標(biāo)貫器等功能模塊。

1.皮卡底盤；2.空壓機(jī)；3.鉆機(jī)平臺(tái)；4.操控臺(tái)；5.回轉(zhuǎn)沖擊頭；6.給進(jìn)系統(tǒng)；7.自動(dòng)標(biāo)貫器；8.工具卷?yè)P(yáng)

GDC-100型輕卡鉆機(jī)車總體結(jié)構(gòu)見圖4，鉆機(jī)車采用4驅(qū)105 kW柴油輕卡裝載，全功率斷軸取力器[14]安裝在輕卡車變速箱與分動(dòng)箱之間，取力器帶液壓串泵作為鉆機(jī)動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)與控制。鉆機(jī)配備回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭、低速回轉(zhuǎn)+沖擊動(dòng)力頭、自動(dòng)標(biāo)貫器、靜力觸探等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)工程勘察、環(huán)境振動(dòng)+直推取樣等施工工藝，同時(shí)具備螺旋建井等水文監(jiān)測(cè)井施工能力。

1.夾持器；2.動(dòng)力頭；3.自動(dòng)標(biāo)貫器；4.桅桿；5.工具絞車；6.提鉆絞車；7.輕卡；8.鉆機(jī)操作臺(tái)；9.泥漿泵

1.2 動(dòng)力傳動(dòng)與控制

動(dòng)力是一切機(jī)械的“心臟”，只有充分掌握汽車動(dòng)力的性能數(shù)據(jù)才能正確進(jìn)行動(dòng)力匹配。為使汽車鉆機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及耐久性得到較佳性能指標(biāo)，將取力器置于變速箱之后，通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及汽車變速箱擋位實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力的面工況[15]。鉆機(jī)所有動(dòng)作均為液壓傳動(dòng)，液壓手柄和電氣元件控制相結(jié)合，與機(jī)械傳動(dòng)相比部件布置更靈活、形體更小、質(zhì)量更小。以GDC-100型輕卡鉆機(jī)車的動(dòng)力傳動(dòng)路線圖為例，如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)通過離合器將動(dòng)力輸出至汽車變速箱，汽車變速箱通過雙球籠聯(lián)軸器連接斷軸取力器，斷軸取力器為氣控操作，可實(shí)現(xiàn)行車不取力、取力不行車。斷軸取力器輸出法蘭連接串聯(lián)液壓泵，分別為鉆機(jī)各個(gè)功能模塊提供液壓動(dòng)力。斷軸取力器兩端的“軟”連接保障了在行車過程中引起的各個(gè)模塊的空間竄動(dòng)，降低功能模塊的非正常承載，提升設(shè)備可靠性進(jìn)而延長(zhǎng)設(shè)備維修保養(yǎng)周期。

圖5 GDC-100型鉆機(jī)動(dòng)力傳輸路線圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)(表2)

表2 GDC系列鉆機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)

2 多工藝鉆探解決方案

GDC系列鉆機(jī)車適用于一定路網(wǎng)條件下200 m內(nèi)的淺層地質(zhì)工程領(lǐng)域，包括工程勘察、環(huán)境調(diào)查、探礦工程等。鉆機(jī)車提供了多工藝鉆探平臺(tái)，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域、施工工藝及工程地質(zhì)的功能要求，配置了多種動(dòng)力頭與不同鉆具組合，滿足原位工程勘察取樣、環(huán)境原狀取樣、金剛石探礦取心等多種需求，為客戶提供高效率、低污染、低擾動(dòng)、高質(zhì)量、多手段的施工解決方案[1]。

具體配置方案如下：①高速回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)探礦取心，單/雙管普鉆合金取樣鉆具、金剛石繩索取心鉆具；②低速大扭矩工程勘察與淺層探礦，單/雙管普鉆合金取樣鉆具、金剛石繩索取心鉆具、中空螺旋取樣鉆具、無擾動(dòng)跟管快速取樣鉆具；③沖擊/回轉(zhuǎn)環(huán)境取樣，土壤直推取樣鉆具、水文采樣鉆具、無擾動(dòng)跟管快速取樣鉆具、標(biāo)準(zhǔn)貫入取樣器；④標(biāo)準(zhǔn)貫入取樣，標(biāo)準(zhǔn)貫入取樣器。

3 施工案例

針對(duì)GDC系列2種機(jī)型分別進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)及野外試驗(yàn)。以GDC-100鉆機(jī)為例，廠內(nèi)試驗(yàn)完成單孔直徑108 mm單管全孔取心深度120 m，在河南駐馬店地區(qū)完成5個(gè)工程勘察孔累計(jì)209 m全孔取心施工，最大設(shè)計(jì)孔深65 m，如圖7、圖8所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鉆機(jī)的人機(jī)交互界面、孔口輔助工具以及液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。針對(duì)混凝土層、覆蓋層、卵礫石層以及砂層等分別進(jìn)行了機(jī)具適配性試驗(yàn)，總結(jié)出一套適用于工勘、環(huán)境等施工的配套體系及工藝參數(shù)。

圖7 GDC-100施工現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

只有快速提升勘探設(shè)備的自主創(chuàng)新能力，不斷提高鉆機(jī)、鉆具和工藝之間的適配性，才能在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)文明齊頭并進(jìn)的新時(shí)代構(gòu)建生態(tài)環(huán)境友好型地質(zhì)裝備體系。對(duì)于GDC系列多功能鉆機(jī)車總結(jié)如下：

(1) GDC系列多功能鉆機(jī)車采用全功率取力模式，將設(shè)備運(yùn)行所需動(dòng)力與汽車動(dòng)力高效結(jié)合提升設(shè)備節(jié)能特性。

(2)采用液壓傳動(dòng)提升原有汽車鉆機(jī)械式操控模式，降低從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，符合未來高效、快速、節(jié)能的施工定位需求。同時(shí)具備多種功能模塊配套模式，通過不同模塊組合滿足多工藝施工需求。

(3)針對(duì)未來工程勘察施工、環(huán)境調(diào)查取樣等施工工藝仍需要繼續(xù)開拓新的、高效的機(jī)具配套體系，逐漸加快設(shè)備從人工作業(yè)、機(jī)械化作業(yè)到半自動(dòng)化作業(yè)的進(jìn)程，最終達(dá)到提質(zhì)增效的目標(biāo)。

根據(jù)以上內(nèi)容，中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研制的GDC型多功能鉆機(jī)車，通過大量的施工試驗(yàn)與驗(yàn)證，為地勘行業(yè)裝備高質(zhì)量發(fā)展提供一種新思路。