王漢寶,劉秀美,梁 健
(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)
DR-150型全液壓履帶取樣鉆機(jī)的研究
王漢寶,劉秀美,梁 健
(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)
為解決區(qū)域地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及農(nóng)業(yè)地質(zhì)填圖工作,特別是在鉆探驗(yàn)證工程中孔位淺,分布散等問題,設(shè)計(jì)一款新型的適合于工地常搬遷、快速遷移的集成化、模塊化輕便取樣鉆機(jī),其需具有能更好的解決工程施工中存在的問題、提高鉆探施工質(zhì)量和效率、實(shí)現(xiàn)鉆探設(shè)備的整體搬遷和多種鉆探工藝組合配套施工工藝等優(yōu)點(diǎn)。
DR-150型全液壓鉆機(jī);取樣;履帶式
區(qū)域地質(zhì)填圖以及農(nóng)業(yè)地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)填圖工作在新一輪國土資源大調(diào)查中占有重要地位。在地質(zhì)調(diào)查填圖工作中,鉆探驗(yàn)證工程孔深較淺、孔位分散,應(yīng)用傳統(tǒng)的鉆探設(shè)備必然存在搬遷困難、拆卸運(yùn)移不便等問題。為更好地解決工程施工中存在的問題,提高鉆探工程施工質(zhì)量和效率,需要研究開發(fā)車載 (裝)式多功能地質(zhì)取樣鉆機(jī)系列,提高鉆探裝備的輕便化、集約化水平,實(shí)現(xiàn)鉆探設(shè)備的整體快速運(yùn)移和多種鉆探工藝組合配套,提高地質(zhì)調(diào)查鉆探單機(jī)獨(dú)立作業(yè)能力,優(yōu)質(zhì)、高效地完成地質(zhì)鉆探工作任務(wù)。
結(jié)合地質(zhì)調(diào)查規(guī)劃和工作部署,中國地質(zhì)調(diào)查局將“車裝全液壓取樣鉆機(jī)研制及推廣應(yīng)用”作為地質(zhì)調(diào)查的工作項(xiàng)目下達(dá)。由我所承擔(dān)研究任務(wù),與無錫探礦機(jī)械廠共同研制。
根據(jù)以上地質(zhì)取樣工作需要和調(diào)研中多數(shù)用戶的建議,確定了鉆機(jī)方案:
(1)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)履帶式底盤驅(qū)動(dòng);
(2)鉆機(jī)鉆架為施工 0°~45°頂角鉆孔的可變角度鉆架,可進(jìn)行斜孔鉆進(jìn);
(3)鉆機(jī)液壓動(dòng)力站動(dòng)力源分別采用電動(dòng)機(jī)組、柴油機(jī)兩種方式,供不同用戶選擇;
(4)作為多功能全液壓地質(zhì)取樣鉆機(jī),要能夠滿足 CSR雙壁鉆桿反循環(huán)鉆探。但因雙壁鉆具質(zhì)量大,鉆工擰卸移擺鉆具費(fèi)力費(fèi)時(shí),鉆機(jī)須增加移擺鉆具液壓輔助機(jī)械手,以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
研制的DR-150型全液壓多功能鉆機(jī)樣機(jī)如圖 1所示。
圖 1 DR-150型鉆機(jī)
2.1 鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)
鉆孔深度:150~300 m
鉆桿規(guī)格:“89 mm(推薦)
鉆孔直徑:90~130 mm
鉆孔角度:90°~45°
額定轉(zhuǎn)速 (正反轉(zhuǎn) ):27、37、54、61、93、139 r/min
額定提升力:80 kN
額定給進(jìn)力:41 kN
給進(jìn)行程:3670 mm
額定功率:75 kW
質(zhì)量:7000 kg
外形尺寸 (長 ×寬 ×高):5500 mm ×2200 mm×2700 mm
履帶爬坡能力:30°
2.2 鉆機(jī)設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)
(1)鉆機(jī)采用工程履帶底盤,移動(dòng)方便,適合高原、丘陵、濕地等地貌環(huán)境。鉆機(jī)底盤設(shè)有 4個(gè)液壓支腿,鉆探施工中鉆機(jī)振動(dòng)小,穩(wěn)定性好。
(2)鉆機(jī)為全液壓型式 (液壓驅(qū)動(dòng) +液壓控制)。液壓關(guān)鍵元件采用進(jìn)口、合資產(chǎn)品,系統(tǒng)設(shè)有壓力保護(hù)和報(bào)警裝置,液壓效率高,熱平衡控制良好。
(3)鉆機(jī)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制手柄、儀表集中在操作臺(tái)上,操作、控制方便可靠。
(4)鉆機(jī)采用獨(dú)創(chuàng)的伸縮鉆架,鉆架給進(jìn)行程達(dá)到 3300 mm,同時(shí)抗扭能力 >4500 N·m。伸縮鉆架結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,便于搬遷,孔口操作比較方便,并可施工大頂角鉆孔。伸縮鉆架的動(dòng)架可作為液壓起重千斤頂使用,比動(dòng)力頭提升力增加 1倍,有利于孔口管、套管的起拔和孔內(nèi)事故處理。
(5)鉆機(jī)采用具有抗大沖擊功能力的大扭矩雙通道動(dòng)力頭,回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速適合空氣反循環(huán)鉆探需要,提升力、扭矩等參數(shù)可滿足 300 m以淺,“110 mm鉆孔直徑要求 (空氣反循環(huán)潛孔錘鉆探、空氣潛孔錘鉆探等)。同時(shí)可滿足 150 m深度,“150 mm鉆孔直徑要求 (復(fù)雜地層取樣、地源熱泵鉆井等)。
(6)鉆機(jī)設(shè)有加接鉆桿的液壓機(jī)械手,可在直孔及小頂角 (不大于 13°)工況下使用。同時(shí)鉆機(jī)還配有輔助液壓絞車,可大大減輕機(jī)臺(tái)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,有利于機(jī)臺(tái)安全施工、文明施工。
(7)采用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力的鉆機(jī)噪聲低、污染小、高效節(jié)能,適合城市地質(zhì)、地源熱泵等鉆孔施工。采用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的鉆機(jī)配置 75 kW康明斯高速柴油機(jī),效率高,動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)較大,主要適用于空氣反循環(huán)鉆探、野外地質(zhì)調(diào)查取樣、物探爆破孔等工程。
(8)與進(jìn)口全液壓多功能鉆機(jī)相比,該鉆機(jī)具有整機(jī)質(zhì)量輕、性價(jià)比高、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低等優(yōu)勢。
3.1 液壓系統(tǒng)
3.1.1 加壓提升油路設(shè)計(jì)思路
在該油路中的無桿腔中設(shè)計(jì)了一個(gè)平衡閥,主要是為滿足鉆機(jī)在施工過程中加壓提升油缸在負(fù)載變化時(shí)仍能平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),防止事故發(fā)生。
3.1.2 起塔油路的設(shè)計(jì)思路
因?yàn)槲U質(zhì)量大,在豎直過程中需緩慢勻速,在該起塔油缸的進(jìn)油口設(shè)置了一個(gè)節(jié)流接頭,使起塔時(shí)桅桿能勻速動(dòng)作,同時(shí)控制其速度。
3.1.3 支腿油路的設(shè)計(jì)思路
在支腿油缸的進(jìn)出油口設(shè)置了兩個(gè)液控單向閥(又稱雙向液壓鎖)的鎖緊回路。其作用是使液壓缸能在任意位置上停留,且停留后不會(huì)因外力作用而移動(dòng)位置。到了需要停留的位置,只要使換向閥處于中位,因兩個(gè)液控單向閥均關(guān)閉,使油缸雙向鎖緊。該回路中由于液控單向閥的密封性好,泄漏極少,鎖緊的精度主要取決于液壓缸的泄漏。
3.1.4 主油路的設(shè)計(jì)思路
在操縱臺(tái)內(nèi)有六聯(lián)操縱閥兩組,三聯(lián)操縱閥一組,單聯(lián)操縱閥一組。單聯(lián)閥與大雙聯(lián)泵連接,供油給三聯(lián)閥來實(shí)現(xiàn)液壓變速系統(tǒng)。兩組六聯(lián)閥分別與小雙聯(lián)泵連接,來控制卡頭油缸、機(jī)械手油缸、支腿油缸、行走馬達(dá)、絞車馬達(dá)、卸扣油缸、起塔油缸。
3.2 履帶底盤的功率計(jì)算
3.2.1 附著力分析
履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力必須大于或等于各阻力之和,但應(yīng)小于或等于履帶對(duì)地面的附著力。
式中:T0——鉆機(jī)的附著力;φ——附著系數(shù);G——鉆機(jī)的質(zhì)量。
3.2.2 履帶行走機(jī)構(gòu)牽引力的計(jì)算確定
履帶行走機(jī)構(gòu)的最小牽引力應(yīng)滿足鉆機(jī)在最大設(shè)計(jì)坡度上作業(yè)、爬坡和轉(zhuǎn)彎等工況的要求,最大牽引力應(yīng)小于在水平路面履帶的附著力。鉆機(jī)在最大設(shè)計(jì)爬坡能力時(shí)的牽引力為最大,而且移動(dòng)速度低,空氣阻力可以忽略不計(jì),所以履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力的計(jì)算以下列公式為依據(jù):
式中:T2——履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力;Tf——履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力;Ti——履帶行走機(jī)構(gòu)的坡道阻力;f——履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力系數(shù);α——最大設(shè)計(jì)坡度角。
根據(jù)對(duì)履帶行走原理的分析,要求:
所以當(dāng)牽引力足夠大的時(shí)候,鉆機(jī)的最大爬坡角度只與路面的附著系數(shù)和滾動(dòng)阻力系數(shù)有關(guān),因此設(shè)計(jì)時(shí)只能按照最大爬坡角度設(shè)計(jì),但該角度并不是在所有路面都可以的。根據(jù)鉆機(jī)的當(dāng)前使用情況,取:
3.2.3 單條履帶行走機(jī)構(gòu)輸入功率的確定
式中:P——履帶行走機(jī)構(gòu)的輸入功率;V——履帶行走機(jī)構(gòu)工作時(shí)的行走速度;η1——履帶鏈的傳動(dòng)效率,0.89~0.92,此處取η1=0.89。
3.3 操縱臺(tái)的作用
鉆機(jī)的液壓操縱臺(tái)安裝在離孔口很近的機(jī)架上,主要是為了看清整個(gè)施工過程。操縱臺(tái)內(nèi)裝有六聯(lián)操縱閥兩組,單聯(lián)合流閥一組,三聯(lián)操縱閥一組。高壓油通過合流閥的工作油路再到三聯(lián)閥負(fù)責(zé)鉆機(jī)的快速鉆進(jìn)提升、回轉(zhuǎn)及卷揚(yáng)。一路負(fù)責(zé)鉆機(jī)一邊行走馬達(dá)行走、支腿油缸、慢速和調(diào)速提升給進(jìn)及其他輔助動(dòng)作的工作;另一路負(fù)責(zé)鉆機(jī)的另一邊行走馬達(dá)行走、支腿油缸、起塔及其他輔助動(dòng)作的工作。通過操縱液壓閥手把,來實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的各種動(dòng)作,操作人員可根據(jù)操縱手前方的 4個(gè)壓力表所顯示的鉆機(jī)工作時(shí)的實(shí)際壓力值,及時(shí)地調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù),以便獲得最佳的鉆進(jìn)效率。
3.4 機(jī)械手設(shè)計(jì)及技術(shù)參數(shù)
3.4.1 提取質(zhì)量及長度
提取質(zhì)量是用來表明機(jī)械手負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù),根據(jù)鉆機(jī)使用鉆桿情況 (雙壁鉆桿、加重鉆桿等),機(jī)械手作業(yè)對(duì)象鉆桿的直徑 89~108 mm,長度為 3 m,質(zhì)量為 45~90 kg。
3.4.2 自由度
機(jī)械手自由度越多,其動(dòng)作越靈活,適應(yīng)性也越廣,但結(jié)構(gòu)相應(yīng)趨于復(fù)雜。機(jī)械手設(shè)計(jì)為 3個(gè)自由度。
3.4.3 運(yùn)動(dòng)行程
運(yùn)動(dòng)行程 (指直線距離或回轉(zhuǎn)角度),即臂部、手部、整個(gè)機(jī)械手的變動(dòng)量。鉆桿可調(diào)傾角與鉆架保持一致,機(jī)械手伸縮行程設(shè)計(jì)為 600 mm。
3.4.4 運(yùn)動(dòng)速度
運(yùn)動(dòng)速度是反映機(jī)械手性能的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù),它與機(jī)械手的提取質(zhì)量、位置精度等參數(shù)有密切關(guān)系,同時(shí)亦影響著機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)周期。為了縮短機(jī)械手整個(gè)運(yùn)動(dòng)的周期,提高生產(chǎn)效率,通常總是希望啟動(dòng)加速和減速制動(dòng)階段的時(shí)間盡可能的縮短,而運(yùn)行速度盡可能的提高,即提高全運(yùn)動(dòng)過程的平均速度。但在這種情況下,慣性力也越大,容易使鉆桿松拖。同時(shí)由于受到較大的動(dòng)載荷而影響機(jī)械手工作的平穩(wěn)性和位置精度。目前,國內(nèi)外通用機(jī)械手的最大直線運(yùn)行速度大部分在 1000 mm/s以下;最大回轉(zhuǎn)運(yùn)行速度一般不超過 120°/s。因此,鉆機(jī)輔助機(jī)械手的直線速度設(shè)計(jì)為 300 mm/s。
3.4.5 位置精度
位置精度的高低取決于位置控制方式以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件本身的精度和剛度,而與提取質(zhì)量、運(yùn)行速度等也有密切關(guān)系。設(shè)計(jì)機(jī)械手為點(diǎn)位控制,位置精度應(yīng)達(dá)到 ±0.5~1 mm。
4.1 試驗(yàn)區(qū)地理及地層概況
2008年 3月 28日~4月 18日,在北京中資環(huán)鉆探有限公司的配合下,項(xiàng)目研制的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的150 m全液壓多功能鉆機(jī)在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市張家溝鉛鋅礦進(jìn)行了野外生產(chǎn)試驗(yàn)。
試驗(yàn)礦區(qū)地勢西高東低,地面由西向東緩慢傾斜。西部為中山熔巖臺(tái)地區(qū),海拔 1000~2000 m,山體中、上部為坡積、殘積物,中、下部為第四系黃土,并有小部分侵蝕地貌。中部為低山丘陵侵蝕區(qū),海拔 500~1000 m,區(qū)內(nèi)山川交錯(cuò),丘陵起伏,山體除上部有坡積、殘積物出露外,下部均由厚度 10~50 m的黃土所覆蓋,地表被流水切割得支離破碎。靠近東部沙區(qū)的邊緣地帶,風(fēng)蝕較重,形成了一部分風(fēng)蝕沙化地貌。東部為坨甸相間沙丘地區(qū),海拔300~500 m。在廣闊的沖積平原上,遍布連綿起伏的沙丘,丘間零星分布著草甸和沼澤地。
地層主要有上太古界烏拉山群、下元古界二道凹群、中元古界渣爾泰群、上元古界什那干群、古生界石炭系拴馬樁組、中生界侏羅系中下統(tǒng)石拐群、上統(tǒng)大青山組、白堊系下統(tǒng)固陽組及新生界第三系、第四系等。
4.2 試驗(yàn)使用的配套機(jī)具
4RHP750型移動(dòng)式螺桿空壓機(jī);“89 mm空氣反循環(huán)雙壁鉆桿 300 m,定尺 3 m,每根重 55 kg;阿特拉斯高風(fēng)壓潛孔錘 (型號(hào) CIR110)2套,“110 mm錘頭 4只;“130 mm硬質(zhì)合金反循環(huán)取心鉆頭 3只;“127 mm套管 22 m,套管靴 2個(gè),套管夾板 1副;轉(zhuǎn)換接頭:套管 -鉆桿,潛孔錘 -鉆桿,雙管 -鉆桿等;高壓送風(fēng)膠管 2根,每根 12 m;低壓排樣管 2根,每根 15 m;反循環(huán)巖樣旋流收集器 1個(gè)。
4.3 野外試驗(yàn)情況
根據(jù)地質(zhì)工作需要,并結(jié)合鉆機(jī)野外試驗(yàn)要求,礦區(qū)地質(zhì)部門布置了空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆孔 4個(gè) ,孔深 100~260 m,傾角 35°~45°,方位角 165°。
野外鉆探試驗(yàn)歷時(shí) 11天,施工臺(tái)時(shí) 66 h,完成試驗(yàn)孔 4個(gè),最大終孔深度 186 m,累計(jì)鉆探工作量485 m,見表 1。主要鉆進(jìn)工藝參數(shù)為:給進(jìn)壓力 7~10 kN,回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 34~56 r/min,空壓機(jī)風(fēng)量 18~20 m3/min,空壓機(jī)壓力 1.6~1.8 MPa。在通常情況下(鉆孔孔內(nèi)無水或水量很小,空氣潛孔錘工作正常),鉆進(jìn)時(shí)效 15~22 m,巖心采取率 90%~100%。在鉆進(jìn)深度 >150 m,或出水量較大時(shí),鉆進(jìn)時(shí)效明顯下降。
正常情況下,因空壓機(jī)能力不足 (鉆孔深度大、水量大),鉆進(jìn)效率 <5 m/h時(shí),認(rèn)為已經(jīng)不適合空氣反循環(huán)鉆探 (因空氣反循環(huán)鉆探油耗很大,在時(shí)效明顯降低而無法采取措施提高時(shí),建議終孔或改用繩索取心鉆進(jìn))。
表 1 試驗(yàn)鉆孔一覽表
鉆機(jī)輔助機(jī)械手在赤峰和貴州兩個(gè)施工現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。機(jī)械手可順利完成加接及移卸鉆桿的動(dòng)作程序,在基本熟練操作的情況下加接與拆卸鉆桿時(shí)間為 3~5 min。
鉆機(jī)輔助機(jī)械手基本上替代了人工加接與拆卸鉆桿,操作人員只需將鉆桿扶住即可,減輕了現(xiàn)場工人體能消耗,有利于安全生產(chǎn)和文明生產(chǎn)。
機(jī)械手的使用并沒有縮短鉆探輔助時(shí)間,即省力不省時(shí)。同時(shí),在斜孔施工時(shí),現(xiàn)場鉆探人員需上前站在孔口部位扶住鉆桿,比較費(fèi)力。且在斜孔情況下因孔口座 (補(bǔ)心)與鉆機(jī)工作臺(tái)有相對(duì)的松動(dòng)(間隙),而輔助機(jī)械手油缸自由活動(dòng)余量較小,動(dòng)作時(shí)常受到干涉。
(1)DR-150型履帶式全液壓多功能鉆機(jī)為全液壓型式,液壓關(guān)鍵元件采用進(jìn)口、合資產(chǎn)品,系統(tǒng)設(shè)有壓力保護(hù)和報(bào)警裝置,液壓效率高,熱平衡控制良好。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制手柄、儀表集中在操作臺(tái)上,操作、控制方便可靠。
(2)鉆機(jī)采用獨(dú)創(chuàng)的伸縮鉆架,鉆架給進(jìn)行程達(dá)到 3300 mm,同時(shí)抗扭能力 >4500 N·m。伸縮鉆架結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,便于搬遷,孔口操作比較方便,并可施工大頂角鉆孔。伸縮鉆架的動(dòng)架可作為液壓起重千斤頂使用,提升力增加 1倍,有利于孔口管、套管的起拔和孔內(nèi)事故處理。
(3)鉆機(jī)采用具有抗大沖擊功能力的大扭矩雙通道動(dòng)力頭,回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速適合空氣反循環(huán)鉆探需要,提升力、扭矩等參數(shù)可滿足 300 m以淺空氣反循環(huán)潛孔錘鉆探、空氣潛孔錘鉆探等多工藝要求。
(4)鉆機(jī)設(shè)有加接鉆桿的液壓機(jī)械手,可在直孔及小頂角 (不大于 13°)工況下使用。同時(shí)鉆機(jī)還配有輔助液壓絞車,可大大減輕機(jī)臺(tái)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,有利于機(jī)臺(tái)安全施工、文明施工。
DR-150型鉆機(jī)經(jīng)過課題組的嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì),得到無錫鉆探機(jī)械廠的精密加工,經(jīng)受了用戶苛刻的地理及地層的嚴(yán)格考驗(yàn),驗(yàn)證了 DR-150型鉆機(jī)是一款多功能,多地形,完全滿足于當(dāng)代地質(zhì)要求的新型鉆機(jī),現(xiàn)在已經(jīng)定型推廣。
[1] 孫友宏,胡志堅(jiān),等.JQW-30型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].工程機(jī)械,2006,(9):41-45.
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致謝:在本項(xiàng)目的立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、研究及試驗(yàn)過程中,得到了中國地質(zhì)調(diào)查局領(lǐng)導(dǎo)及專家,無錫探礦機(jī)械總廠有限公司、北京中資環(huán)鉆探有限公司、黑龍江省有色地質(zhì)勘查局 707地質(zhì)隊(duì)、北京市地勘局 101地質(zhì)隊(duì)等單位協(xié)作人員的大力支持,為本項(xiàng)目工作的順利完成奠定了基礎(chǔ)。在此表示衷心的感謝!在論文編寫中,感謝孫建華、張永勤、李振亞、相重琨等專家提供的支持和幫助。
Development of DR-15 Crawler Hydrolic Sampl ing Drill ing Rig
WANG Han-bao,L IU Xiu-mei,L IANG Jian(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China)
To meet the requirement ofmapping for regional geology,environmental geology and rural geology,and accord-ing to the shallow hole and frequent transferring,a light sampling drilling rig with integration and modular was designed,which has the advantages in improving the quality and efficiency of drilling construction,and realizes the drilling integral transpotation of equipments and combination of drilling technologies.
DR-150 hydrolic drilling rig;sampling;crawler
P634.3+1
A
1672-7428(2010)01-0027-04
2009-10-29
中國地質(zhì)調(diào)查局“車裝全液壓取樣鉆機(jī)研制及推廣應(yīng)用”(項(xiàng)目編號(hào):1212010660800)
王漢寶 (1983-),男 (漢族),寧夏銀川人,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所工程師,機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè),從事鉆探機(jī)械的設(shè)計(jì)及研究工作,河北省廊坊市金光道 77號(hào),whb7910496@163.com。