MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機的研制與試驗

李 偉，吳 浩，楊 愷

(1.中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局，河北 涿州 072750； 2.中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100040)

傳統(tǒng)勘察鉆機一般采用泥漿回轉或沖擊鉆進方式，容易對土樣造成污染和擾動，而聲頻振動鉆機采用超高頻振動鉆進方式。該鉆進方法不用泥漿、不污染樣品，能夠快速、連續(xù)獲取高質(zhì)量的地層樣品，為勘察和勘探工作提供準確地層，市場前景廣闊。該類鉆機已在尾礦壩勘察、砂金礦取樣、水域沉積物取樣和地質(zhì)環(huán)境勘測等多領域逐步推廣使用。

1 鉆機結構

MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機引入工業(yè)設計理念，采用三維仿真設計及模塊化設計方案，整機分為動力總成、行走總成、桅桿—動力頭總成、操作臺總成、工具箱和鉆桿箱總成、液壓系統(tǒng)總成和電控系統(tǒng)總成共七大總成(圖1)。整機結構緊湊、外表美觀、操作安全舒適、便于維護與保養(yǎng)，易于改型，有利于產(chǎn)品的系列化和標準化。

圖1 鉆機結構Figure 1 Drill configuration

1.1 動力總成

主要由6BTAA-C150型東風康明斯柴油發(fā)動機及配套三合一冷卻器組成。鉆機的總功率得到優(yōu)化，液壓系統(tǒng)功率優(yōu)化為112kW，較第一臺減少了14.5%，油耗也相應降低。

1.2 行走總成

包括橡膠履帶和底盤。橡膠履帶質(zhì)量約1T，允許總質(zhì)量6.5T，爬坡能力25°，行駛速度1.5～3km/h，最大牽引力5.5T，平均接地比壓0.04 MPa。底盤由底梁焊接件、柴油機托架、液壓油箱托架和桅桿支座組焊而成(圖2)。底盤剛度大，桅桿起落平穩(wěn)，整機行走由有線遙控盒控制，實現(xiàn)了人機分離駕駛，安全可靠，適合于不平坦地形的運移。

圖2 底盤三維簡圖Figure 2 Chassis 3D sketch

1.3 桅桿—動力頭總成

包括桅桿和聲頻動力頭兩部分。桅桿由桅桿部件和桅桿托架部件組成。桅桿部件可沿桅桿托架部件滑移，滑移行程250mm，滑移落地能確保鉆機穩(wěn)固、鉆孔筆直。桅桿部件包括動力頭滑板、絞車—鵝頭輔助提升裝置、油缸—鏈條倍速給進機構和自動卸扣夾持器。桅桿托架部件由鋼板組焊而成，形成箱型梁的結構，承載能力高、剛度大、桅桿部件滑移平穩(wěn)。桅桿底部還配備了自動卸扣液壓夾持器，降低了擰卸鉆桿的勞動強度。

聲頻動力頭是鉆機的核心部件，主要由回轉馬達、動力頭框架、減振塊和振動器組成。動力頭采用整體式框架結構和側面橡膠減振方式，力學結構合理、性能可靠(圖3)。經(jīng)空載和負載試驗，動力頭框架減振效果良好，同步帶-同步輪機構和回轉馬達未見松動，振動馬達和振動箱體升溫正常，減振結構設計合理。

圖3 聲頻動力頭三維簡圖Figure 3 Sonic frequency top drive power head 3D sketch

1.4 操作臺總成

包括固定操作臺和孔口操作臺。固定操作臺由六聯(lián)換向閥和翹板開關組成，控制鉆機前后4個液壓支腿、桅桿起落和桅桿滑移。孔口操作臺布置5塊壓力表和兩組先導控制手柄，分別控制自動卸扣液壓夾持器、絞車和聲頻動力頭的給進/提升、回轉和振動?？卓诓僮髋_可移近鉆孔，方便操作者觀察、掌控鉆進工況。

1.5 鉆桿箱和工具箱總成

包括工具箱、液壓閥箱和其上的鉆桿箱。工具箱用來盛放日常維修工具，液壓閥箱用來安裝負載敏感比例多路換向閥，鉆桿箱用于放置鉆桿。

1.6 液壓系統(tǒng)總成

由雙聯(lián)液壓泵、液壓油箱、液壓閥、液壓執(zhí)行元件、液壓冷卻器和管路、管接頭組成。液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，由1個主油路和1個輔助油路構成。主油路由負載敏感變量泵、負載敏感比例多路換向閥和液壓執(zhí)行元件組成，控制聲頻動力頭的振動、回轉和給進/提升、自動卸扣液壓夾持器、絞車和履帶行走。輔助油路由定量齒輪泵、普通多路換向閥、液壓油缸、液壓鎖和平衡閥等組成，控制鉆機支腿、桅桿起落和桅桿滑移等輔助鉆進動作。液壓系統(tǒng)總成采用集成化技術和組合閥塊，液壓管線布局更加合理、美觀。液壓先導控制技術的引入實現(xiàn)長距離控制和低壓、小流量控制高壓、大流量，安全、高效、節(jié)能。

1.7 電控系統(tǒng)總成

包括電控箱和有線遙控盒。電控箱安裝在液壓油箱上，包括柴油機運行參數(shù)顯示儀表、報警燈、鑰匙開關、急停按鈕和油門。電控系統(tǒng)采用CANBUS總線控制技術，布設多個電控儀表及按鈕線路，可對發(fā)動機轉速、水溫、機油壓力、發(fā)動機啟停、電瓶電壓等信號進行檢測及調(diào)節(jié)，能及時監(jiān)測發(fā)動機運行狀況；履帶行走及桅桿起落實現(xiàn)聲光報警，大幅提高了操作的安全性和舒適性。

2 關鍵部件的設計

2.1 聲頻動力頭激振力

F激振力=2×m×e×ω2

(1)

式中：m—單根偏心軸的質(zhì)量，kg；

e—偏心距，m；

ω—角速度，rad/s。

聲頻動力頭單個偏心軸質(zhì)量為2.64kg，偏心距為0.023 1m，偏心軸最大角速度1 130rad/s(即角頻率為180Hz)，代入式(1)：

F最大激振力=156kN

聲頻動力頭的激振能力優(yōu)于荷蘭SonicSampDrill公司生產(chǎn)的CS型聲波動力頭，其最大角頻率為150Hz、最大激振力為100kN。

2.2 液壓系統(tǒng)

參考國內(nèi)外同類鉆機的液壓系統(tǒng)工作壓力及相關參數(shù)，查閱國內(nèi)外液壓元件的技術性能，考慮鉆機的緊湊結構及液壓系統(tǒng)集成，經(jīng)相關技術參數(shù)計算，選定液壓系統(tǒng)工作壓力為21MPa。

依據(jù)鉆機液壓執(zhí)行元件的運動速度，重點測算聲頻動力頭的振動頻率、回轉速度和給進/提升速度，經(jīng)相關技術參數(shù)驗算，選定主油路額定流量為320L/min，其中動力頭振動最大流量130L/min、動力頭回轉最大流量200L/min、動力頭給進最大流量65L/min。三者不會同時在最大流量下工作，主油路額定流量滿足主油路各工況要求。選定輔助油路額定流量為70L/min，滿足各輔助工況要求，主油路和輔助油路不能同時工作，按主油路計算液壓總功率如下：

P=q×Δp/60

(2)

式中：Δp—壓差，MPa；

q—流量，L/min。

將相關數(shù)據(jù)代入式(2)，得：

P=320×21/60=107kW

3 主要技術參數(shù)及現(xiàn)場測試

MGD-S50Ⅱ型聲頻振動鉆機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 鉆機技術參數(shù)

2016年9月在河北涿州一加工廠外對聲頻動力頭和液壓系統(tǒng)進行了空載測試。室外溫度23°，液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件工作正常，各部件動作靈活自如。使用測溫儀對聲頻動力頭進行溫升測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 聲頻動力頭測試結果

備注：1.每次試驗后，停歇5分鐘，使振動馬達適當降溫。

由表2可知，隨著振動壓力的增大，振動馬達及振動器殼體溫升加快，應采取適當?shù)目諝饣蛴蜐櫥冉禍厣岽胧拐駝玉R達溫度不超過其額定使用溫度(殼體泄油溫度115℃)，因為液壓油箱有散熱器，所以溫升值較低，系統(tǒng)油溫不超過70℃。

4 工業(yè)性試驗

鉆機試制成功后，于2017年在河北涿州開展了場地試驗，全部采用聲頻振動鉆探方法，累計進尺二百余米，最大孔深52.85m，采用108mm半合管鉆具快速、連續(xù)、完整地獲取了粉土、黏土和砂土等地層樣品(圖4)。取樣率高達95%以上，其中鉆進含水量大的粘土層時機械鉆速高達6m/min，約為傳統(tǒng)勘察鉆機機械鉆速的2～3倍。

圖4 測試地層樣品Figure 4 Testing strata samples

5 結語

經(jīng)過樣機調(diào)試、測試和場地試驗，新型聲頻振動鉆機的各項技術參數(shù)達到設計要求，整機性能穩(wěn)定可靠、取樣質(zhì)量高。該鉆機在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、污染土取樣、水溶性礦物(如砂金礦和膨潤土礦等)勘探、公路和鐵路勘察以及振動處理井下事故等領域應用前景廣闊。

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