CBQ-30A型輕便取樣鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

朱 慧， 趙彥軍， 劉 志， 李勇前， 蔡 周

(長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠(chǎng)，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

CBQ-20型背包式取樣鉆機(jī)，整機(jī)輕便，適用于各種淺層地質(zhì)調(diào)查，能實(shí)現(xiàn)“以鉆代槽”[1]。通過(guò)走訪(fǎng)客戶(hù)了解到該鉆機(jī)存在以下缺點(diǎn)：(1)鉆具口徑較小，不能與常規(guī)鉆具通用，需要專(zhuān)門(mén)定制；(2)取樣直徑偏小，不滿(mǎn)足樣品化驗(yàn)要求；(3)無(wú)輔助加壓結(jié)構(gòu)，單人作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大；(4)受限于設(shè)備自身鉆進(jìn)能力，鉆進(jìn)深度有限。長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠(chǎng)原暢銷(xiāo)機(jī)型WTY-30，雖鉆探能力優(yōu)于CBQ-20型鉆機(jī)，但整體偏笨重、各部件拆解性差。

為貫徹落實(shí)地質(zhì)勘查“十三五”發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)展綠色勘探實(shí)踐[2]，大力推廣淺層取樣鉆探技術(shù)，解決特殊淺覆蓋地層取樣難題，滿(mǎn)足當(dāng)下地質(zhì)調(diào)查、填圖等系列業(yè)務(wù)對(duì)新型輕便、高效取樣換代裝備新需求[3-13]，針對(duì)以上兩款機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)，長(zhǎng)沙探礦機(jī)械廠(chǎng)于2017年研制成功了CBQ-30型便攜式取樣鉆機(jī)，并于同年將第一代試制樣機(jī)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，升級(jí)后產(chǎn)品型號(hào)確定為CBQ-30A型(見(jiàn)圖1)。相較CBQ-30型取樣鉆機(jī)，CBQ-30A機(jī)型便捷性得到了明顯的改善。

圖1 CBQ-30A型輕便取樣鉆機(jī)

1 CBQ-30A型輕便鉆機(jī)的研制思路

(1)根據(jù)勘查取樣目標(biāo)及深度要求，并參照WTY-30型鉆機(jī)，確定新機(jī)型鉆進(jìn)深度、扭矩、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)行程等主要技術(shù)參數(shù)以及配套鉆進(jìn)鉆具。

(2)在滿(mǎn)足取樣鉆進(jìn)能力的前提下，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型輕便化，優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)。選擇輕巧型動(dòng)力機(jī)、小型水泵，主要功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)重拆裝方便快捷。

(3)考慮野外地質(zhì)勘查環(huán)境，減少零部件種類(lèi)和易損件的數(shù)量，按功能分解設(shè)計(jì)模塊，降低生產(chǎn)和施工成本[4]。

2 CBQ-30A型輕便鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

CBQ-30A型輕便取樣鉆機(jī)主要由動(dòng)力機(jī)、離合器、變速箱、水龍頭及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其主要技術(shù)參數(shù)為：

名義深度：30 m(?75 mm)；

鉆桿規(guī)格：?33.5 mm×750 mm；

最大扭矩：120 N·m；

轉(zhuǎn)速：200、500、800 r/min；

給進(jìn)行程：1.2 m；

最大加壓力：10 kN；

手輪加壓比：22∶1；

動(dòng)力機(jī)功率：3.2 kW；

鉆機(jī)質(zhì)量：120 kg；

鉆機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：1306 mm×608 mm×2788 mm；

水泵流量：40 L/min；

水泵壓力：3 MPa；

水泵質(zhì)量：25 kg；

水泵功率：4 kW。

2.1 動(dòng)力機(jī)選型

國(guó)內(nèi)背包式鉆機(jī)常采用二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，隨著鉆進(jìn)深入，鉆具與孔壁之間摩擦力逐漸加大，鉆進(jìn)深度>5 m時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)乏力的情況，影響施工效率，甚至導(dǎo)致卡鉆[14]。

通過(guò)調(diào)研對(duì)比各品牌和型號(hào)汽油機(jī)，選用進(jìn)口HONDA GXV160型汽油機(jī)。該汽油機(jī)型式為單缸、四沖程、強(qiáng)制空氣冷卻，凈重15.5 kg，功率3.2 kW，最高轉(zhuǎn)速3600 r/min，最大扭矩9.6 N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速為2500 r/min。具有質(zhì)量輕、容易啟動(dòng)、操作方便省力等優(yōu)點(diǎn)，符合CBQ-30A型便攜式取樣鉆機(jī)設(shè)計(jì)的要求。

2.2 離合器設(shè)計(jì)

根據(jù)CBQ-30A型輕便取樣鉆機(jī)使用工況條件，要求離合器拆裝方便、質(zhì)量輕，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，避免加接或拆卸鉆桿時(shí)停機(jī)[4]，選用離心離合器帶彈簧閘塊式，其受力分析如圖2所示。該離合器的離心體是閘塊，啟動(dòng)開(kāi)始靠彈簧作用，閘塊不與殼體接觸。當(dāng)動(dòng)力機(jī)輸出軸達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速n0時(shí)，閘塊有效離心力Q超過(guò)彈簧力T，閘塊開(kāi)始與殼體逐步接合傳遞轉(zhuǎn)矩Tt。相關(guān)參數(shù)理論計(jì)算[15]如下。

圖2 帶彈簧閘塊式拉簧受力示意圖

(1)計(jì)算轉(zhuǎn)矩：

Tc=βTt

(1)

式中：Tc——轉(zhuǎn)矩，N·cm；β——工作儲(chǔ)備系數(shù)，一般取β=1.5～2；Tt——需傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·cm。

(2)傳遞扭矩所需離心力：

Qj=Tc/(Rμz)

(2)

式中：Qj——傳遞扭矩所需的離心力，N；R——閘塊外半徑，cm；μ——摩擦面材料摩擦因數(shù)；z——閘塊數(shù)量。

(3)閘塊有效離心力：

(3)

式中：Q——離心力，N；m——單個(gè)閘塊質(zhì)量，kg；r——閘塊質(zhì)心S所處半徑，cm；n——正常工作轉(zhuǎn)速，r/min；n0——開(kāi)始接合轉(zhuǎn)速，r/min，一般取n0=(0.7～0.8)n。

(4)摩擦面壓強(qiáng)：

p=Tc/(R2bφμz)≤pp

(4)

式中：p——摩擦面壓強(qiáng)，N/cm2；R——?dú)んw內(nèi)半徑，即閘塊摩擦半徑，cm；b——閘塊寬度，cm；φ——閘塊所對(duì)角度，(°)；μ——摩擦面材料摩擦因數(shù)；pp——摩擦面許用壓強(qiáng)，N/cm2。

(5)預(yù)定彈簧力：

(5)

式中：T——預(yù)定彈簧力，N；L1、L2、L3——長(zhǎng)度(詳見(jiàn)圖2)，cm。

通過(guò)上述理論驗(yàn)算，獲得計(jì)算扭矩Tc=1425 N·cm，傳遞扭矩所需離心力Qj=489.69 N，閘塊有效離心力Q=1159.49 N，摩擦面壓強(qiáng)p=0.346 N/cm2，預(yù)定彈簧力T=499.37 N。滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，離合器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。實(shí)際測(cè)得，當(dāng)動(dòng)力機(jī)怠速為1000 r/min時(shí)，處于離合狀態(tài)；逐步調(diào)大油門(mén)，提高轉(zhuǎn)速至1700 r/min時(shí)，閘塊與殼體運(yùn)動(dòng)同步，可完全接合傳遞扭矩。

圖3 離合器結(jié)構(gòu)

2.3 變速箱設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足多數(shù)淺覆蓋層施工工藝要求，設(shè)計(jì)變速箱輸出3擋轉(zhuǎn)速：200、500、800 r/min。國(guó)內(nèi)同類(lèi)鉆機(jī)變速箱，通常需要更換第一級(jí)減速齒輪，才能實(shí)現(xiàn)高低兩種速度的轉(zhuǎn)化[6]。CBQ-30A型便攜式取樣鉆機(jī)的變速箱(見(jiàn)圖4)設(shè)計(jì)采用兩級(jí)齒輪變速，同時(shí)沿用自主專(zhuān)利結(jié)構(gòu)換擋機(jī)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)輕松實(shí)現(xiàn)三擋變速。該換擋機(jī)構(gòu)可避免三聯(lián)齒輪擠壓和換擋撥塊磨損，防止跳擋，保證換擋可靠。變速箱體外殼選用鑄鋁ZL104，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合野外地質(zhì)調(diào)查工作的需求。

2.4 水龍頭設(shè)計(jì)及水泵選用

圖4 變速箱結(jié)構(gòu)

常規(guī)水龍頭試鉆時(shí)，由于沖洗液摻雜沙粒，結(jié)構(gòu)內(nèi)O形密封圈易形成環(huán)道磨損間隙，導(dǎo)致漏水。CBQ-30A型便攜式取樣鉆機(jī)改用Y形橡膠密封圈，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)簡(jiǎn)單、密封可靠。

圖5 水龍頭結(jié)構(gòu)

該水龍頭結(jié)構(gòu)包含水龍頭芯軸、水龍頭體和水管接頭。水龍頭芯軸連通變速箱輸出軸，傳遞扭矩，貫穿水龍頭體。水龍頭體內(nèi)部?jī)啥顺蓪?duì)裝配帶防塵蓋深溝球軸承，實(shí)現(xiàn)水龍頭芯軸和水龍頭體相對(duì)運(yùn)動(dòng)。水龍頭體外壁安裝水管接頭，連通水龍頭芯軸內(nèi)孔，配合兩組Y形橡膠密封圈，再連接水泵形成密封式水道。

根據(jù)便攜式取樣鉆機(jī)施工確定水泵流量40 L/min和壓力3 MPa，并考慮配套設(shè)備輕量化，故選用市場(chǎng)上成熟化產(chǎn)品：T45動(dòng)力噴霧機(jī)。除去噴頭，直接將噴霧機(jī)出水口通過(guò)水管與水龍頭的水管接頭相連。該噴霧機(jī)動(dòng)力為汽油機(jī)，且整機(jī)為擔(dān)架式，輕便易搬遷。通過(guò)試鉆驗(yàn)證，其水壓穩(wěn)定，可替代工程類(lèi)常規(guī)水泵輔助常規(guī)取樣鉆進(jìn)。

2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按功能分為底架和塔架兩部分，其余主體模塊見(jiàn)圖6。利用“鏈輪-鏈條”傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、提升。

圖6傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

Fig.6Transmission mechanism

以底架為基座，可根據(jù)取樣地層施工情況，按需就地取材增加配重，保證施工過(guò)程鉆壓穩(wěn)定。避免出現(xiàn)因鉆機(jī)輕巧，振動(dòng)幅度過(guò)大，影響取樣質(zhì)量。原底架包含“鏈輪-鏈條”傳動(dòng)下鏈輪支座，通過(guò)焊接固定，分體搬遷必須拆解鏈條，增加輔助作業(yè)。優(yōu)化后，將“鏈輪-鏈條”傳動(dòng)劃歸塔架，僅需拆解底架與塔架之間裝配螺栓，實(shí)現(xiàn)模塊化拆分。

塔架為龍門(mén)式，副撐桿和滑移桿搭配底架基座，構(gòu)成穩(wěn)定性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含兩組“鏈輪-鏈條”。傳動(dòng)Ⅰ連通給進(jìn)機(jī)構(gòu)、頂座；傳動(dòng)Ⅱ依次連接下鏈輪座、滑移架和頂座。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)給進(jìn)組件手輪時(shí)，傳遞扭矩至頂座，關(guān)聯(lián)傳動(dòng)Ⅱ。變速箱攜帶動(dòng)力機(jī)安裝至滑移架上，三者同步沿滑移桿升降，實(shí)現(xiàn)給進(jìn)提升。為提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)滑移架為開(kāi)箱式，變速箱能讓開(kāi)孔口。再利用增高架和加長(zhǎng)桿提升鉆塔總高，滑輪組件為鋼絲繩導(dǎo)向正對(duì)孔口，實(shí)現(xiàn)手搖絞車(chē)一次性提升多根鉆桿。

3 應(yīng)用情況

CBQ-30A型樣機(jī)在不同施工地進(jìn)行試鉆驗(yàn)證，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該鉆機(jī)推廣進(jìn)入市場(chǎng)后，迅速得到客戶(hù)青睞。

2017年11月，在安化縣東坪鎮(zhèn)大村，某水利水電勘察院購(gòu)置了CBQ-30A型輕便鉆機(jī)進(jìn)行水壩勘測(cè)孔施工(見(jiàn)圖7)。地處偏僻，交通不便，只能靠人力搬遷設(shè)備。計(jì)劃勘測(cè)地以灰層巖為主，3～5 m為覆蓋層，開(kāi)孔?110 mm，終孔?75 mm，鉆深達(dá)12～20 m，獲得的完整巖樣如圖8所示。

圖7 水壩勘測(cè)孔施工現(xiàn)場(chǎng)

圖8 獲取的巖心

2018年4月，某勘探隊(duì)參與漣源市碧桂園某樓盤(pán)地基勘查孔施工(見(jiàn)圖9)，土質(zhì)粘性較大，下有斷層和碎石。因受限于施工場(chǎng)地，無(wú)法使用常規(guī)工勘鉆機(jī)。該勘探隊(duì)購(gòu)置了CBQ-30A型輕便鉆機(jī)，采用?75 mm三翼鉆頭鉆穿覆蓋層，再更換電鍍金剛石鉆頭，進(jìn)行普鉆取心，鉆深達(dá)6～8 m。

圖9 地基勘查孔施工現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)用戶(hù)使用反饋意見(jiàn)，CBQ-30A相較CBQ-30具有以下特點(diǎn)：

(1)更換了水龍頭密封件，改用多組Y形橡膠密封圈，解決了漏水問(wèn)題。

(2)將“傳動(dòng)Ⅱ”結(jié)構(gòu)中上下鏈輪合為一體，下鏈輪支座通過(guò)螺栓與底架相連，實(shí)現(xiàn)模塊化迅速拆裝。

(3)考慮人性化設(shè)計(jì)，降低手輪安裝位置，增加給進(jìn)組件。同時(shí)，縮小手輪直徑，使整機(jī)比例協(xié)調(diào)。

(4)利用給進(jìn)組件，限制滑移架滑移行程，避免過(guò)度旋轉(zhuǎn)手輪出現(xiàn)誤操作。

(5)改用手搖絞車(chē)提升鉆具，省時(shí)省力，提高了施工效率。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多地生產(chǎn)試驗(yàn)證明，CBQ-30A型輕便取樣鉆機(jī)基本滿(mǎn)足淺覆蓋地區(qū)地質(zhì)調(diào)查對(duì)綠色勘查的特定需求，化解勘查與環(huán)境之間的矛盾，減少大型鉆探設(shè)備搬遷過(guò)程中便道施工對(duì)植被造成的影響。

為突出該款取樣鉆機(jī)輕便、快捷兩大優(yōu)勢(shì)，后續(xù)擬將從以下方向進(jìn)行優(yōu)化：(1)結(jié)構(gòu)件改用鋁合金系列材料，將整機(jī)輕量化。(2)在各模塊化之間設(shè)計(jì)可靠連接構(gòu)件，拆裝快捷。使之成為城市地質(zhì)調(diào)查填圖和取樣、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查快速取樣的首選裝備，促進(jìn)淺層取樣技術(shù)向新設(shè)備、新工藝方向快速發(fā)展。