救援車載鉆機(jī)同步自平衡式給進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄒祖杰，田宏亮，劉慶修，常江華，劉 祺，朱國棟

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

礦山發(fā)生重大災(zāi)害事故，短時間內(nèi)難以形成井下救援通道時，地面鉆孔應(yīng)急救援成為解救更多生命的有效手段。通過構(gòu)建小直徑生命保障孔進(jìn)行人員搜尋、信息聯(lián)絡(luò)、給養(yǎng)輸送，通過構(gòu)建大直徑井實(shí)現(xiàn)人員升井脫困[1-3]。車載鉆機(jī)是一種動力頭(頂驅(qū))式全液壓裝備，具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)、移動搬遷迅速、占地面積小的特點(diǎn)，是地面鉆孔救援的理想機(jī)型，在美國魁溪煤礦透水、智利圣何塞銅礦坍塌、山東平邑石膏礦坍塌、山東棲霞金礦爆炸等國內(nèi)外礦難救援中發(fā)揮了重要作用[4-5]。

國外車載鉆機(jī)的代表機(jī)型有德國寶峨的RB 系列、美國雪姆公司的TXD 系列、瑞典阿特拉斯的RD 系列等。國內(nèi)車載鉆機(jī)的典型機(jī)型有西安煤科院ZMK系列、江蘇天明TMC 系列、石家莊煤機(jī)廠SMJ 系列、天合眾邦CMD 系列。國內(nèi)外車載鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)主要分為箱式桁架結(jié)構(gòu)和伸縮桅桿式結(jié)構(gòu)2 種[6-7]。箱式桁架結(jié)構(gòu)，由游動滑架、液壓油缸、鋼絲繩等組成，油缸驅(qū)動游動滑架，游動滑架上的兩組滑輪分別從上下兩個方向帶動鋼絲繩，鋼絲繩一端固定在動力頭上，另一端鉸接在鉆架中部，實(shí)現(xiàn)動力頭沿鉆架導(dǎo)軌運(yùn)動，動力頭行程與油缸行程為2∶1，且鉆架受力從中部向上為逐步減小趨勢，頂部不承受拉力，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，但是尺寸大，影響整機(jī)布局，不利于救援工況使用。伸縮桅桿式結(jié)構(gòu)，采用直線式導(dǎo)軌，動力頭-油缸-鋼絲繩組成倍速機(jī)構(gòu)，動力頭行程與油缸行程為2∶1，給進(jìn)和起拔力為油缸工作時力的1/2，工作行程長、運(yùn)輸尺寸短，提高了鉆機(jī)的道路通過性和整機(jī)的機(jī)動性[8-9]，是復(fù)雜地形條件救援施工的理想結(jié)構(gòu)。

目前國內(nèi)外車載鉆機(jī)使用過程中存在以下問題：

(1) 國外車載鉆機(jī)整體價格、配件成本高昂，導(dǎo)致使用成本居高不下，增加了鉆探成本，個別配件供貨周期長耽誤工期；只提供車載鉆機(jī)產(chǎn)品，配套鉆探施工工藝服務(wù)不到位，給進(jìn)系統(tǒng)與施工工藝適配性不足。

(2) 大直徑救援井井型和鉆進(jìn)工藝復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)不同鉆進(jìn)工藝的切換，要求鉆機(jī)高效倒桿，更換不同鉆具組合，國內(nèi)外鉆機(jī)配套了換桿裝置，解決了主要矛盾，仍需從給進(jìn)系統(tǒng)上做進(jìn)一步提升。

(3) 礦山應(yīng)急救援地點(diǎn)不確定性高，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆進(jìn)時較易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故等異常工況，要求給進(jìn)系統(tǒng)具備較大的轉(zhuǎn)矩和提升力，實(shí)現(xiàn)鉆具解卡、強(qiáng)力起拔等事故處理能力，國內(nèi)救援隊(duì)配備的救援鉆機(jī)起拔力和轉(zhuǎn)矩均偏小。

(4) 大提升力下動力頭兩側(cè)滾輪的同步性不夠，導(dǎo)軌和滾輪偏磨問題嚴(yán)重；給進(jìn)裝置一二級給進(jìn)機(jī)身之間的側(cè)方定位滾輪組和張緊滑輪組維護(hù)困難。

(5) 為預(yù)防孔底和結(jié)構(gòu)損壞等事故的發(fā)生，需實(shí)時監(jiān)測孔底鉆壓和起拔拉力。國內(nèi)外車載鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)在鉆壓和起拔力監(jiān)測方面做出了嘗試，但準(zhǔn)確度不高。

依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“地面應(yīng)急救援車載鉆機(jī)及配套機(jī)具”，開展地面救援車載鉆機(jī)主要單元的研究，給進(jìn)系統(tǒng)從大能力伸縮桅桿式給進(jìn)裝置、雙給進(jìn)油缸同步系統(tǒng)、自平衡式調(diào)節(jié)及起拔力監(jiān)測3 方面進(jìn)行攻關(guān)，并通過理論模擬、測試及現(xiàn)場應(yīng)用的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

1 大能力伸縮桅桿式給進(jìn)裝置

車載鉆機(jī)有給進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)兩個主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，給進(jìn)系統(tǒng)是鉆機(jī)的主體承力部件，并配合其他機(jī)構(gòu)完成鉆進(jìn)、起拔、倒桿等工序，其性能直接影響鉆機(jī)整體性能。救援鉆孔要求開孔直徑大于800 mm，井型復(fù)雜[10-12]，對給進(jìn)系統(tǒng)提出了更高要求。從給進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)、快換式輪系、鋼絲繩張緊系統(tǒng)3 方面提升起拔能力、維護(hù)便捷性、運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.1 給進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

伸縮桅桿式給進(jìn)裝置(圖1)由給進(jìn)油缸、給進(jìn)機(jī)身、天車、起拔鋼絲繩、給進(jìn)鋼絲繩、張緊滑輪、托板、張緊油缸、防扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。給進(jìn)機(jī)身由一二級給進(jìn)機(jī)身組成，一級給進(jìn)機(jī)身內(nèi)側(cè)有兩組直線凹槽導(dǎo)軌，導(dǎo)軌斷面為“”形，二級給進(jìn)機(jī)身安裝了左右、側(cè)方各兩組定位滾輪，與直線導(dǎo)軌接觸，限制一二級給進(jìn)機(jī)身左右和前后兩個方向的運(yùn)動，并實(shí)現(xiàn)上下滑動。動力頭底部托板上的滾輪將動力頭安裝于二級給進(jìn)機(jī)身焊接導(dǎo)軌上，托板上下兩端均加工有通孔，起拔鋼絲繩和給進(jìn)鋼絲繩接頭通過銷軸分別鉸接在托板上部和下部通孔內(nèi)。起拔鋼絲繩繞過天車滑輪，給進(jìn)鋼絲繩繞過張緊滑輪。給進(jìn)油缸安裝于一級給進(jìn)機(jī)身的大臂方鋼內(nèi)部，兩端分別鉸接于一級給進(jìn)機(jī)身和天車滑輪架，油缸伸縮時，二級給進(jìn)裝置上下和側(cè)方滾輪沿一級給進(jìn)機(jī)身“”形導(dǎo)軌滾動，鋼絲繩帶動動力頭完成起拔和給進(jìn)動作。

圖1 救援車載鉆機(jī)給進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理Fig.1 Structure and working principle diagram of feed device for rescue truck-mounted drilling rig

根據(jù)大直徑救援井施工工藝要求，確定ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)的相關(guān)參數(shù)，其中給進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)見表1。最大給進(jìn)和起拔力分別為180 kN 和1 200 kN，可以較好滿足加壓、減壓鉆進(jìn)和解卡、強(qiáng)力起拔等事故處理的要求；給進(jìn)行程14 m，有效行程大于套管、隨鉆測斜、測井等儀器長度，油缸縮回至最小行程時，給進(jìn)機(jī)身13.6 m，較好適應(yīng)汽車底盤的長度，結(jié)構(gòu)緊湊，易于轉(zhuǎn)場。

表1 給進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of the feed system

1.2 二級給進(jìn)快換式輪系

救援鉆孔常用潛孔錘鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)速度快，振動大，給進(jìn)裝置一二級給進(jìn)機(jī)身之間的側(cè)方定位滾輪組和張緊滑輪組易出現(xiàn)磨損和軸承碎裂。救援現(xiàn)場不具備將給進(jìn)裝置從鉆機(jī)車上拆除，以及抽出二級給進(jìn)機(jī)身，更換滾輪、滑輪、軸承等的條件，時效關(guān)乎井下被困人員生命安全，需要實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)快速更換。基于此，設(shè)計(jì)了快換式左右和側(cè)方定位滾輪。

如圖2 所示，將側(cè)方定位滾輪組設(shè)計(jì)為兩端軸套加輪軸結(jié)構(gòu)，軸套與二級給進(jìn)輪軸安裝孔間隙配合，并使用高強(qiáng)度螺釘緊固。軸套內(nèi)孔和輪軸端部加工配合螺紋，通過旋轉(zhuǎn)輪軸調(diào)整滾輪外伸長度，調(diào)整至設(shè)計(jì)位置后采用兩根限位銷對稱安裝限制輪軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)滾輪及內(nèi)部軸承等出現(xiàn)故障時，拔出限位銷，轉(zhuǎn)動輪軸，使輪軸進(jìn)入軸套中；拆除緊固螺釘，將軸套與二級給進(jìn)機(jī)身的配合端從孔中拔出，通過變換角度將側(cè)方滾輪組取出。同理，將給進(jìn)滑輪軸設(shè)計(jì)為兩端半軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)給進(jìn)滑輪及內(nèi)部軸承出現(xiàn)故障時，可整體更換給進(jìn)滑輪組。

圖2 快換式輪系Fig.2 Quick changing gear train

1.3 鋼絲繩張緊系統(tǒng)

油缸鋼絲繩倍速傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，但也存在兩方面問題：傳動過程中鋼絲繩易松弛，易導(dǎo)致鋼絲繩從滑輪槽內(nèi)脫出，給傳動帶來沖擊；鋼絲繩由多股細(xì)繩螺旋組合而成，受扭轉(zhuǎn)載荷時會磨損滑輪。

給進(jìn)鋼絲繩一端通過防轉(zhuǎn)接頭與張緊油缸的缸桿端連接，張緊油缸缸桿通過導(dǎo)向螺栓在橫梁上的U 形槽內(nèi)滑動，防止鋼絲繩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。如圖3 所示，車載鉆機(jī)開機(jī)時，液壓泵經(jīng)先導(dǎo)油源給張緊油缸供油，通過液壓手動換向閥可隨時調(diào)整張緊油缸缸桿伸長量，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩有效快速張緊。蓄能器安裝在先導(dǎo)油源和手動換向閥之間，發(fā)動機(jī)停機(jī)時，由蓄能器給張緊油缸供油，保證給進(jìn)鋼絲繩張緊，即使出現(xiàn)液壓泵損壞也可以有效防止鋼絲繩松弛和跳繩。

圖3 給進(jìn)鋼絲繩張緊液壓原理Fig.3 Feed wire rope tensioning hydraulic schematic diagram

2 雙給進(jìn)油缸同步系統(tǒng)

救援車載鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)采用雙油缸提供給進(jìn)和起拔力，雙油缸不同步將導(dǎo)致一二級給進(jìn)機(jī)身及動力頭的偏載，特別是強(qiáng)力起拔過程中，過大的偏載將導(dǎo)致動力頭滾輪的過度磨損、給進(jìn)機(jī)身偏斜，甚至鉆機(jī)的直接損壞。

如圖4 所示，給進(jìn)系統(tǒng)采用柴油機(jī)驅(qū)動主泵和副泵，主泵經(jīng)過主換向閥驅(qū)動給進(jìn)油缸，實(shí)現(xiàn)快速升降，完成快速起下鉆工序；副泵經(jīng)過換向閥驅(qū)動給進(jìn)油缸，實(shí)現(xiàn)慢速升降，完成正常鉆進(jìn)工序。主泵和副泵的出油口分別接在梭閥的進(jìn)口，梭閥的出口經(jīng)過減壓閥為先導(dǎo)閥提供油源，先導(dǎo)閥分別控制主換向閥和換向閥。

圖4 給進(jìn)系統(tǒng)液壓原理Fig.4 Hydraulic schematic diagram of feed system

快速起下鉆時，主泵通過主多路閥驅(qū)動給進(jìn)油缸運(yùn)動，具有流量大、速度快的優(yōu)點(diǎn)，壓力與負(fù)載相適應(yīng)；給進(jìn)油缸的無桿腔油口(起拔油口)貼裝管路防爆閥，管路防爆閥主油路的控制油由先導(dǎo)閥提供，當(dāng)先導(dǎo)閥控制主換向閥快速給進(jìn)時，其壓力油通過防爆閥的進(jìn)油口，推動其主閥芯打開，實(shí)現(xiàn)了任意負(fù)載條件下油缸的快速回縮，滿足快速倒桿的需求，解決了油缸帶載下降時的失速問題，實(shí)現(xiàn)了與負(fù)載有關(guān)的平穩(wěn)下降，左右給進(jìn)油缸可保持同步；當(dāng)起拔油管破損漏油時，給進(jìn)油缸也能實(shí)現(xiàn)自鎖，安全可靠[13-14]。

3 自平衡式調(diào)節(jié)及起拔力監(jiān)測機(jī)構(gòu)

救援車載鉆機(jī)通過雙油缸推動天車，經(jīng)起拔鋼絲繩拉動動力頭，實(shí)現(xiàn)起拔作業(yè)，在雙油缸同步的同時，還需保證起拔鋼絲繩對動力頭的上拉力均衡，避免出現(xiàn)動力頭在起拔過程中的偏斜。如圖1、圖5 所示，設(shè)計(jì)的抽屜式調(diào)平體安裝在上橫梁的方形槽內(nèi)，調(diào)平體內(nèi)部安裝了一個大調(diào)平輪、兩個小調(diào)平輪，并與方形槽采用小間隙配合，保證調(diào)平輪與天車滑輪的出繩點(diǎn)一致。調(diào)平體整體采用測力銷軸與上橫梁方形槽上下橫板鉸接，測力銷軸的監(jiān)測壓力即為起拔鋼絲繩所受拉力。

圖5 自平衡式調(diào)節(jié)及鉆壓、起拔力監(jiān)測機(jī)構(gòu)Fig.5 Self-balancing adjustment and drilling pressure and pulling force monitoring mechanism

起拔鋼絲繩分內(nèi)、外兩根，外起拔鋼絲繩繞過2個小調(diào)平輪，經(jīng)左右兩側(cè)的天車輪，2 個接頭連接動力頭上端，內(nèi)起拔鋼絲繩繞過大調(diào)平輪，經(jīng)中間的2 個天車輪，2 個接頭連接動力頭上端，2 根起拔鋼絲繩均有1 個繩頭為可調(diào)結(jié)構(gòu)，且在起拔工況下，調(diào)平輪結(jié)構(gòu)可保證動力頭兩側(cè)鋼絲繩長度和磨損量一致，實(shí)現(xiàn)動力頭的自平衡式調(diào)節(jié)，增強(qiáng)鉆機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

同時，天車采用4 組滑輪分?jǐn)偲鸢屋d荷，安全系數(shù)不變的前提下大幅度縮小了鋼絲繩繩徑，延長了鋼絲繩使用壽命；滑輪采用通軸結(jié)構(gòu)，蓋瓦固定，更易安裝和拆卸；天車架受力更加均衡，優(yōu)化了天車架受力條件。各部件均采用Q345B 結(jié)構(gòu)鋼，在強(qiáng)力起拔工況下添加約束，施加起拔力為1 500 kN。

有限元軟件分析計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，應(yīng)力呈對稱分布，且分布區(qū)域大、均衡，平均應(yīng)力187.99 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服應(yīng)力345 MPa，符合鉆機(jī)1.5 倍安全系數(shù)的設(shè)計(jì)和使用要求。

圖6 天車架應(yīng)力分析Fig.6 The stress and strain analysis of crane frame

如圖7 所示，測力銷軸是一種應(yīng)變式傳感器，加工成銷軸的形狀，同時滿足銷軸承受剪切力和應(yīng)變片測量形變轉(zhuǎn)換成力的作用。測力銷軸為空心截面圓軸，雙剪型電阻應(yīng)變片粘貼合在中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上，共同組成一個惠斯通電橋，對銷軸承受的剪切力進(jìn)行測量。電阻應(yīng)變片布置位置一方面是對應(yīng)變片的保護(hù)，另一方面凹槽為銷軸相對薄弱部分，剪切力最終均在此處集中和體現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)在核工業(yè)、傳播、機(jī)床等領(lǐng)域已較為成熟。測力銷軸額定剪切力1 200 kN，測力銷軸量程0～1 500 kN，輸出信號4～20 mA，供電24 V。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，測力銷軸輸出壓力即為起拔過程中鉆機(jī)的起拔力，該起拔力監(jiān)測方式相對于液壓系統(tǒng)壓力計(jì)換算的方式更為直觀、迅速、準(zhǔn)確，方便司鉆人員在鉆機(jī)強(qiáng)力起拔狀態(tài)下對各種工況做出快速判斷和操作。

圖7 測力銷軸結(jié)構(gòu)Fig.7 Force measurement pin shaft structure diagram

4 給進(jìn)裝置力學(xué)分析及測試

伸縮桅桿式給進(jìn)裝置最大行程處可等同于細(xì)長桿件，是給進(jìn)機(jī)身受力最薄弱的位置，強(qiáng)力起拔工況下，孔內(nèi)鉆具的反作用力會對機(jī)身施加指向鉆孔側(cè)的彎矩，造成機(jī)身變形，甚至失穩(wěn)引起結(jié)構(gòu)破壞。同時，給進(jìn)系統(tǒng)工作過程中，鉆桿上下、前后、左右3 個方向的耦合振動，對給進(jìn)裝置的穩(wěn)定性影響較大，給進(jìn)裝置、動力頭和鉆桿柱組成的多體動力學(xué)系統(tǒng)的固有頻率與發(fā)動機(jī)頻率重合時，會激發(fā)共振，對車載鉆機(jī)的給進(jìn)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)都產(chǎn)生不利影響。基于此，在最長行程處對給進(jìn)裝置進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，以驗(yàn)證和排除以上不利狀況。

4.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

給進(jìn)裝置各部件均采用Q345B 結(jié)構(gòu)鋼，在強(qiáng)力起拔工況下添加約束，同時在最大動力頭轉(zhuǎn)矩和最大起拔力的基礎(chǔ)上考慮安全系數(shù)，動力頭施加轉(zhuǎn)矩為60 000 N·m，施加起拔力為1 500 kN。

有限元軟件分析計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，變形最大值為19.568 mm，發(fā)生在給進(jìn)油缸與一級給進(jìn)機(jī)身接觸處，沿大臂方鋼兩側(cè)往下遞減。應(yīng)力主要集中在一級給進(jìn)機(jī)身上橫梁與大臂方鋼焊接處，沿方鋼從上往下傳遞，舍去應(yīng)力奇點(diǎn)，給進(jìn)機(jī)身和動力頭結(jié)構(gòu)件平均應(yīng)力172.5 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服應(yīng)力345 MPa，應(yīng)變和應(yīng)力的變化趨勢基本一致，符合設(shè)計(jì)和使用要求[15-16]。

圖8 給進(jìn)裝置應(yīng)變及應(yīng)力分析Fig.8 The stress and strain analysis of feed device

4.2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

對給進(jìn)裝置整體進(jìn)行模態(tài)分析，獲取整體結(jié)構(gòu)動態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，對比激勵輸入，驗(yàn)證穩(wěn)定性和可靠性，為給進(jìn)裝置拓?fù)鋬?yōu)化和動態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

通過有限元軟件計(jì)算，并提取給進(jìn)裝置的前4 階模態(tài)振型圖(表2、圖9)，可以得出給進(jìn)裝置在低階固有頻率16.302 Hz 和22.975 Hz 時發(fā)生整體變形，高階固有頻率32.453 Hz 和44.583 Hz 時總體穩(wěn)定，以油缸缸桿的局部彎曲變形為主，對于整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫激勵響應(yīng)貢獻(xiàn)較小。低階固有頻率16.302 Hz 和22.975 Hz與ZMK5550TZJF50/120 救援車載鉆機(jī)選配的康明斯QSK19(597 kW)發(fā)動機(jī)的固有工作頻率35 Hz 差距較大，動力系統(tǒng)的工作頻率不會激發(fā)給進(jìn)裝置整體的固有振型，排除了共振的可能性，給進(jìn)裝置整體表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠[17-19]。

表2 給進(jìn)裝置前4 階固有頻率及振型特征Table 2 The first 4 natural frequencies and mode characteristics of the feed system

圖9 給進(jìn)裝置前4 階模態(tài)振型Fig.9 Diagram of the first four modal shapes of feed device

4.3 給進(jìn)裝置應(yīng)變測試

根據(jù)給進(jìn)裝置的功能要求，需要在以下幾種工況中研究車載鉆機(jī)給進(jìn)裝置的應(yīng)變情況：

(1)車載鉆機(jī)起拔及給進(jìn)上下運(yùn)動工況中，給進(jìn)裝置不同測點(diǎn)位置的應(yīng)變情況。

(2)立起、下放工況中，給進(jìn)裝置托板測點(diǎn)位置的應(yīng)變情況。

(3)回轉(zhuǎn)、起拔或給進(jìn)工況中，給進(jìn)裝置動力頭測點(diǎn)位置的應(yīng)變情況。

給進(jìn)裝置從下到上隔一段距離共布置14 個應(yīng)變貼片，通過對不同工況下，給進(jìn)裝置測點(diǎn)位置應(yīng)變的檢測，研究和驗(yàn)證給進(jìn)裝置的應(yīng)變趨勢和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，重點(diǎn)研究第1 種工況。測試采用應(yīng)變片方式，通過16 通道DH5921 應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，對測點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行檢測分析，每一條線代表一個應(yīng)變貼片對應(yīng)點(diǎn)的受力情況(圖10)。

圖10 為起拔工況4 組測試數(shù)據(jù)曲線，其中第1 組實(shí)驗(yàn)中，力的加載出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，導(dǎo)致曲線與后3 組曲線差異加大。后3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線為正常加載過程，第1 段向上延伸曲線為緩慢加載階段，第2 段水平線為到達(dá)系統(tǒng)限定壓力后的保壓階段，第3 段階躍下降曲線為卸載階段，通過3 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，最大應(yīng)變?yōu)?70×10-6左右，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。最大應(yīng)變出現(xiàn)在強(qiáng)力起拔時一級給進(jìn)機(jī)身大臂的頂部位置，與上述靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中的趨勢一致。

圖10 4 組起拔及給進(jìn)工況測試數(shù)據(jù)Fig.10 Four groups of test data for pulling and feeding conditions

4.4 給進(jìn)系統(tǒng)起拔力測試

為檢驗(yàn)給進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際性能，在車載鉆機(jī)靜態(tài)性能測試臺上進(jìn)行了測試，如圖11 所示。該試驗(yàn)臺在地面以下預(yù)埋了一根?800 mm，深度80 m 的灌注樁，可對給進(jìn)系統(tǒng)加載2 000 kN 的靜態(tài)載荷。測試采用鉆進(jìn)用鉆桿通過鋼絲繩和孔口灌注樁的法蘭連接，在起拔狀態(tài)下逐步提高泵壓確定起拔能力，儀表顯示最大起拔力為1 205 kN，與測力銷軸監(jiān)測數(shù)值基本一致，對應(yīng)液壓系統(tǒng)工作壓力34 MPa，系統(tǒng)無泄漏，工作正常。

圖11 給進(jìn)系統(tǒng)性能檢測Fig.11 Feed system performance test

5 試驗(yàn)應(yīng)用

給進(jìn)系統(tǒng)與其它功能單元集成形成了ZMK5550-TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)，工業(yè)性試驗(yàn)在寧夏寧煤梅花井煤礦進(jìn)行。試驗(yàn)孔位設(shè)置于梅花井煤礦副立井工業(yè)廣場，位于+697 m 水平車場上方，如圖12 所示。

圖12 ZMK5550TZJF50/120 救援車載鉆機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)Fig.12 Industrial test of ZMK5550TZJF50/120 type rescue truck-mounted drilling rig

該孔位地層為大傾角、造斜能力強(qiáng)不易控制井斜，巖層偏軟、含水，該地區(qū)的鉆孔施工常因出現(xiàn)涌水、漏失、縮徑、坍塌等造成鉆孔事故。工業(yè)性試驗(yàn)克服了施工條件惡劣、地層情況復(fù)雜等困難，采用ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機(jī)施工完成了一口井徑830 mm、深度654.1 m 的鉆孔。施工準(zhǔn)備期間，鉆場空間有限，鉆機(jī)現(xiàn)場轉(zhuǎn)移迅速、布局靈活，充分體現(xiàn)了短運(yùn)輸尺寸下機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)。施工過程中，給進(jìn)系統(tǒng)雙油缸同步性好、動力頭在抽屜式調(diào)平機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)下運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)鋼絲繩跳繩、給進(jìn)裝置傳動輪系故障等問題，鉆機(jī)整體表現(xiàn)穩(wěn)定；給進(jìn)系統(tǒng)起拔力監(jiān)測準(zhǔn)確，配合大轉(zhuǎn)矩動力頭，處理了多次孔內(nèi)卡鉆、埋鉆事故隱患；給進(jìn)系統(tǒng)在先導(dǎo)控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了任意負(fù)載條件下油缸的快速回縮，配合鉆桿加卸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速起下鉆具、套管、測井儀器，單根起下鉆桿效率小于3 min/根。

6 結(jié) 論

a.ZMK5550TZJF50/120 救援車載鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)通過油缸-鋼絲繩的伸縮桅桿式倍速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了長工作行程和短運(yùn)輸尺寸，鉆機(jī)機(jī)動性強(qiáng)，道路通過性好，同時長工作行程可滿足不同規(guī)格套管、測井儀器的順利安全下放。

b.大回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和強(qiáng)力起拔能力是解決大直徑救援井施工過程中卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故的最直接手段，給進(jìn)裝置最大起拔力達(dá)1 205 kN，可以滿足600 m 深度救援井施工需求。

c.給進(jìn)系統(tǒng)配合動力頭、鉆桿加卸系統(tǒng)，具有快速起下鉆具功能，可有效減少空行程和鉆具更換等輔助工序的時間，后續(xù)研究中需優(yōu)化各工序的銜接，實(shí)現(xiàn)多機(jī)構(gòu)并行協(xié)同工作，進(jìn)一步提高倒桿效率。

d.經(jīng)過理論分析、應(yīng)變測試和現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用，作為救援車載鉆機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可承受給進(jìn)起拔過程中鉆桿對鉆機(jī)的反作用力、動力頭回轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)矩、主軸中心和給進(jìn)驅(qū)動裝置不同軸產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定性和可靠性好。

e.救援車載鉆機(jī)是地面鉆孔救援的主體裝備，隨著國家道路法規(guī)的健全，對上路行駛的車載裝備的尺寸、質(zhì)量提出了更明確和嚴(yán)格的要求，給進(jìn)系統(tǒng)在保證能力、可靠性的前提下，融合箱式桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行給進(jìn)裝置輕量化研究，及執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及動力系統(tǒng)之間的響應(yīng)匹配優(yōu)化研究是今后的重點(diǎn)方向。