全液壓系列智能鉆機(jī)

胡金亮 靳宣強(qiáng) 王 永 孫 瑞 李 飛

（1.蒙陰縣科技信息情報(bào)研究所，蒙陰 276200；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031；3.蒙陰縣科學(xué)技術(shù)局，蒙陰276200；4.蒙陰縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，蒙陰 276200；5.蒙陰縣飛達(dá)礦山工程機(jī)械有限公司，蒙陰 276200）

國內(nèi)現(xiàn)有在用水井鉆機(jī)主要還是水循環(huán)式巖心鉆機(jī)，機(jī)器笨重，組裝復(fù)雜，鉆鑿速度慢，條件限制多。而電動(dòng)水井鉆機(jī)雖然具有小巧靈便、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其主要針對(duì)農(nóng)村民用水井市場(chǎng)，不能適應(yīng)大孔深孔的需要。現(xiàn)有鉆機(jī)的操作系統(tǒng)一般由手動(dòng)操作系統(tǒng)控制，其缺點(diǎn)是：工作過程中需要操作人員近距離操作鉆機(jī)，危險(xiǎn)系數(shù)較大；鉆井過程中揚(yáng)起的粉塵吸入和機(jī)器工作中產(chǎn)生的噪音，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害；控制面板集動(dòng)力、傳動(dòng)、升降等操作系統(tǒng)于一體，操作不熟練時(shí)易混淆導(dǎo)致失誤等。國際市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品普遍存在造價(jià)高、操作復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。智能化液壓水井鉆機(jī)正可以滿足大孔、深孔的市場(chǎng)要求，同時(shí)又具有機(jī)器緊湊、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)地域廣的優(yōu)點(diǎn)，未來幾年將在強(qiáng)大的市場(chǎng)需求推動(dòng)下有較快發(fā)展。

全液壓智能鉆機(jī)能夠適應(yīng)各種地形條件及多種復(fù)雜地質(zhì)條件，在野外條件下能夠快速鉆井取得水源。目前，我國軍用的鉆井設(shè)備仍普遍采用研磨式水循環(huán)巖心鉆機(jī)，全液壓智能鉆機(jī)能夠替代研磨式水循環(huán)巖心鉆機(jī)設(shè)備，在軍事后勤保障領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，有助于提高軍隊(duì)后勤保障能力，同時(shí)項(xiàng)目產(chǎn)品也符合軍民融合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策。另外，隨著光伏發(fā)電、地?zé)豳Y源等開發(fā)和推廣，液壓水井鉆機(jī)將極大推動(dòng)地溫利用技術(shù)的應(yīng)用，加速綠色能源的開發(fā)利用。

1 目標(biāo)產(chǎn)品分析

國外進(jìn)口產(chǎn)品存在造價(jià)高昂、能耗高、維修保養(yǎng)成本奇高且不方便的難題。其液壓操控系統(tǒng)繁雜，操作人員不易掌握，液壓元件壽命較短，維修保養(yǎng)麻煩。有關(guān)人員經(jīng)過廣泛市場(chǎng)調(diào)研，認(rèn)真聽取廣大鉆探施工人員的意見，研發(fā)制造出全液壓系列智能鉆機(jī)，其具有安全可靠、操作維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，節(jié)省大量人力物力，提高工作效率。該系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更緊湊，重量輕，經(jīng)濟(jì)耐用易操作；一次推進(jìn)加長(zhǎng)，扭矩增大，鉆孔更深；推進(jìn)加速，支臂穩(wěn)固，性能更高。加大變速箱，增加扭矩，提高鉆孔深度；鉆臂改為伸縮式二次推進(jìn)，加長(zhǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度，同等深度減少換桿次數(shù)，節(jié)約時(shí)間，節(jié)省油耗和人工費(fèi)用。同時(shí)，縮短鉆機(jī)整體長(zhǎng)度和重量。支腿油頂由前伸縮、后固定方式改進(jìn)為前伸縮后90°回轉(zhuǎn)折疊式，整機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)增加支腿伸展400mm，便于機(jī)器遷移裝車。液壓系統(tǒng)增加快速提升控制閥，提高效率40%。鉆機(jī)機(jī)頭底座加裝自主開發(fā)的新型聚酯纖維復(fù)合材料耐磨滑塊，有效避免機(jī)座和滑軌之間滑動(dòng)對(duì)滑軌的磨損，耐磨滑塊更換簡(jiǎn)單，在其磨損到一定程度后能夠方便進(jìn)行更換，而不是對(duì)整個(gè)鉆機(jī)滑軌進(jìn)行更換，減少了維護(hù)成本。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、開發(fā)

全液壓智能鉆機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)水井鉆機(jī)自動(dòng)化控制，能夠打大孔徑、深孔井，適應(yīng)不同的工作環(huán)境，工作狀態(tài)和行走狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自由切換，提高鉆井作業(yè)的效率及安全系數(shù)、減少對(duì)人體的危害等。

2.1 鉆臂改為伸縮式二次推進(jìn)，加長(zhǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度

如圖1所示，鉆臂改進(jìn)后，二次推進(jìn)長(zhǎng)度增加到6.6m，鉆機(jī)整體長(zhǎng)度縮短，整機(jī)重量減輕。該設(shè)備采用實(shí)用新型專利《一種水井鉆機(jī)升降架》，該實(shí)用新型包括位于鉆機(jī)機(jī)體上方的支撐架，支撐架上方鉸接有升降架，升降架包括兩側(cè)為滑軌結(jié)構(gòu)的外支架，外支架內(nèi)部設(shè)有通過若干伸縮缸伸縮連接的內(nèi)滑架，內(nèi)架中部滑動(dòng)連接安裝鉆機(jī)的鉆機(jī)座；鉆機(jī)座的縱向位置分別連接有傳動(dòng)滑鏈，下方經(jīng)繞過內(nèi)滑架下端與內(nèi)滑架上側(cè)固定，上方繞過內(nèi)滑架上端與外支架的上側(cè)固定，鉆機(jī)座下方與內(nèi)滑架連接部設(shè)有若干截面為“匚”形的長(zhǎng)條形滑塊。本實(shí)用新型能夠使得鉆機(jī)的行程得到增加，便于長(zhǎng)鉆桿的使用；多伸縮缸設(shè)計(jì)能夠在工作過程中平穩(wěn)運(yùn)行；鉆機(jī)座與內(nèi)滑架之間的滑塊進(jìn)一步增加穩(wěn)定性，減少了對(duì)零件的磨損[1]。

圖1 鉆臂

2.2 支腿油頂由前伸縮、后固定方式改進(jìn)為前伸縮后90°回轉(zhuǎn)折疊式

如圖2所示，鉆機(jī)支腿油頂由前伸縮、后固定方式改進(jìn)為前伸縮后90°回轉(zhuǎn)折疊式，整機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)增加支腿伸展400mm，便于機(jī)器遷移裝車。改進(jìn)后，其提供了一種可轉(zhuǎn)動(dòng)鉆機(jī)支架，包括固定行進(jìn)裝置和鉆機(jī)裝置的車架，車架兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有若干支撐裝置，支撐裝置與車架轉(zhuǎn)動(dòng)連接部處設(shè)有固定位置的限位裝置；限位裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)部上方的2塊帶若干固定孔的限位板，固定孔限位板分別上下交錯(cuò)地固定在支撐裝置和車架上，固定孔相互配合并由固定銷固定。本實(shí)用新型能夠方便地對(duì)支撐裝置位置進(jìn)行調(diào)整，便于鉆機(jī)運(yùn)輸和移動(dòng)；避免利用液壓設(shè)備將支撐裝置伸出收回，減少整機(jī)的質(zhì)量；相對(duì)于液壓缸支撐的強(qiáng)度更高，可靠性和安全性更好；結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，降低了成本和加工難度。

圖2 支腿油頂

2.3 新型聚酯纖維復(fù)合材料耐磨滑塊

由于鉆機(jī)滑架部分在鉆鑿過程中有上下鉆進(jìn)，滑架和滑軌來回磨損，滑軌的磨損較快，為有效避免機(jī)座和滑軌之間滑動(dòng)對(duì)滑軌的磨損，減少維護(hù)成本，在滑軌上加裝自主開發(fā)的新型聚酯纖維復(fù)合材料耐磨滑塊，如圖3所示。

這種水井鉆機(jī)用滑塊為截面呈“匚”形的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，滑塊中間沿縱向設(shè)有與鉆機(jī)滑軌接觸的滑槽，滑槽上方設(shè)有與鉆機(jī)底座接觸的底座面，滑槽開口的后方和底部設(shè)有與固定滑塊的L形卡板配合的豎面和橫面，滑槽的底面向下傾斜與水平面呈1°～2°夾角，豎面和橫面兩側(cè)設(shè)有與卡板邊緣相接觸的限位邊，滑塊材料為玻璃纖維復(fù)合材料。本實(shí)用新型利用玻璃纖維復(fù)合材料制成，耐磨性好，能夠有效避免鉆機(jī)座和滑軌之間接觸滑動(dòng)對(duì)滑軌的磨損，由于滑塊是可替換件，在其磨損到一定程度后能夠方便地進(jìn)行更換而不用對(duì)整個(gè)鉆機(jī)滑軌進(jìn)行更換，減少維護(hù)成本[2]。

圖3 滑塊

2.4 系統(tǒng)集成及設(shè)備組裝（以FY130自行式液壓鉆機(jī)為例）

現(xiàn)有的鉆機(jī)設(shè)備往往比較笨重，移動(dòng)不便，需要由其他運(yùn)輸設(shè)備搬運(yùn)，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，往往由機(jī)械、液壓、電氣等多套系統(tǒng)組成，不利于維護(hù)，并且要求操作人員起吊裝卸等付出很大的勞動(dòng)力，不僅費(fèi)時(shí)、效率低下，而且工作環(huán)境噪音大。此外，普通的鉆井機(jī)械不能實(shí)現(xiàn)傾斜作業(yè)，對(duì)于一些需要在斜面鉆探的工作場(chǎng)合，難以正常工作，一些履帶式的機(jī)械在長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)單獨(dú)需要運(yùn)輸機(jī)械，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的行進(jìn)。本項(xiàng)目為解決以上鉆機(jī)設(shè)備構(gòu)成移動(dòng)不便、工作效率低下，操作人員多、工作環(huán)境惡劣、不能長(zhǎng)途運(yùn)輸，不能在一些特殊需要的工作條件下完成作業(yè)的問題，提供一種自行式液壓鉆機(jī)。

該鉆機(jī)動(dòng)力件均采用液壓元件，連接同一系統(tǒng)并統(tǒng)一控制，結(jié)構(gòu)緊湊，原理簡(jiǎn)單，易于維護(hù)；采用氣鉆進(jìn)行鉆井，提高工作效率；輪式行進(jìn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)方便的移動(dòng)，活動(dòng)銷的設(shè)置不僅適應(yīng)短途遷移，也很適合長(zhǎng)途牽引。該鉆機(jī)只需2名操作人員就能進(jìn)行操作，由于全部采用液壓裝置和支撐架的設(shè)計(jì)，噪音減少，工作環(huán)境的質(zhì)量和鉆探的精度得到提高。此外，鉆機(jī)架與平面呈0°～90°任意夾角，解決了傳統(tǒng)鉆井設(shè)備無法在傾斜平面作業(yè)的難題。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

鉆臂改為伸縮式二次推進(jìn)，加長(zhǎng)推進(jìn)長(zhǎng)度，縮短鉆機(jī)整體長(zhǎng)度，減輕整機(jī)重量；滑架部分加裝自主開發(fā)的新型聚酯纖維復(fù)合材料耐磨滑塊，有效避免機(jī)座和滑軌之間滑動(dòng)對(duì)滑軌的磨損，減少了維護(hù)成本；支腿油頂由前伸縮、后固定方式改進(jìn)為前伸縮后90°回轉(zhuǎn)折疊式，整機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)增加支腿伸展400mm，便于機(jī)器遷移裝車；整機(jī)遠(yuǎn)距離無線操作，自動(dòng)鉆進(jìn)、清井，液壓平衡履帶行走地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。

4 結(jié)語

全液壓智能鉆機(jī)的關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)，取得多項(xiàng)專利技術(shù)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性，達(dá)到國際先進(jìn)水平。項(xiàng)目完成可達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，填補(bǔ)國內(nèi)產(chǎn)品空白。該項(xiàng)目產(chǎn)品具有高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)，它將取代現(xiàn)有傳統(tǒng)的水循環(huán)巖心鉆機(jī)，具有在廣大發(fā)展中國家和欠發(fā)達(dá)地區(qū)推廣的優(yōu)勢(shì)。