ESD-70型環(huán)保取樣鉆機(jī)的研制

盛海星，高成，呂佩東，楊睿

（陜西西探地質(zhì)裝備有限公司，陜西 西安 710089）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)的進(jìn)步，環(huán)境污染也不可避免的越來越嚴(yán)重，而隨著人們越來越多的重視環(huán)境保護(hù)工作，土壤污染防治提上日程，土壤污染防治工作一般以重金屬污染防治為重點(diǎn)。國家開始集中整治重污染工礦企業(yè)和重點(diǎn)污染區(qū)域，積極防治重金屬、危險(xiǎn)化學(xué)品和危險(xiǎn)廢物污染的治理。治理之前需要對污染土壤進(jìn)行取樣化驗(yàn)，目前取樣大多用老式30型沖擊鉆取樣，配備人員多，效率低下，基于提高工作效率、減少施工人員、同時(shí)為了提高取樣率，我公司為滿足環(huán)境監(jiān)測施工需求自行研發(fā)的一款緊湊型履帶式ESD-70型環(huán)保取樣鉆機(jī)（見圖1），主要用于土壤取樣工程［1］。

圖1 ESD-70型環(huán)保取樣鉆機(jī)Fig.1 ESD-70 environmental protection sampling drilling

1 鉆機(jī)主要參數(shù)及特點(diǎn)

1.1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.1.1 沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭技術(shù)參數(shù)［2-3］

動(dòng)力頭扭矩：950 N·m

動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速：200 r/min

沖擊頻率：3120/3900/4800 Hz

沖擊功率：14.5 kW

1.1.2 給進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

給進(jìn)行程：1700 mm

給進(jìn)力：100 kN

起拔力：160 kN

1.1.3 動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

功率：75 kW/2500 r/min

發(fā)動(dòng)機(jī)型號：東風(fēng)康明斯QSB3.9-C100-31型

1.1.4 其他技術(shù)參數(shù)［4］

取樣深度：0～30 m

取樣直徑：32～100 mm

取樣管長度：1500 mm

履帶行走速度：1.5～4.3 km/h

運(yùn)輸尺寸：4000 mm×1900 mm×2900 mm

工作尺寸：4130 mm×1900 mm×3160 mm

1.2 鉆機(jī)的主要特點(diǎn)

（1）直推式鉆進(jìn)取樣。

（2）采用沖擊的方式鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程不加水，不回轉(zhuǎn)，能夠連續(xù)快速地取出不受外界干擾的特定深度的柱狀土樣品。

（3）鉆機(jī)配備提鉆裝置，取樣高效快捷。

（4）沖擊動(dòng)力頭托架可以側(cè)移，方便提鉆、取樣。

（5）鉆機(jī)具有履帶自行走功能，設(shè)有高低速，并配無線控制系統(tǒng)，操作靈活方便。

（6）液壓系統(tǒng)主要元件采用進(jìn)口品牌，一般元件選用國內(nèi)知名品牌，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，使用壽命長。

（7）采用直動(dòng)式負(fù)載反饋微調(diào)變量液壓系統(tǒng)，功率隨負(fù)載變化，高效率，低能耗。

（8）配備提升速度和立柱垂直水平儀及顯示裝置，配合電控控制系統(tǒng)對孔、定位快捷、準(zhǔn)確。

2 鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)及各部分的功能

鉆機(jī)主要由底盤機(jī)架、沖擊動(dòng)力頭、滑移托架、立柱、副塔天車、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力單元、人機(jī)操縱臺(tái)、鉆桿倉、防護(hù)罩等部件組成（見圖2）。結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。

圖2 鉆機(jī)外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the drill

2.1 動(dòng)力頭

沖擊動(dòng)力頭是整個(gè)鉆機(jī)的核心部件，具有沖擊鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的功能，可以根據(jù)不同的地層采用不同的鉆進(jìn)方式，能夠快速鉆進(jìn)土壤、沉積物或軟巖，以滿足取樣需求。

2.2 滑移托架

滑移托架主要作用是為了使動(dòng)力頭側(cè)移，提鉆時(shí)不受干擾。采用液壓油缸推動(dòng)滑移，操作簡單方便。滑移油缸行程正好是沖擊動(dòng)力頭和提鉆裝置的中心距，方便操作者對正取樣孔。

2.3 立柱

立柱由立柱體、給進(jìn)油缸、副塔、天車、卷揚(yáng)等組成。由液壓系統(tǒng)的高壓油驅(qū)動(dòng)給進(jìn)油缸，給進(jìn)油缸與動(dòng)力頭滑移托架用螺釘直接連接，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭上下滑移進(jìn)行給進(jìn)、提升，使其高頻沖擊動(dòng)力頭平穩(wěn)快速的給進(jìn)［5-6］。配合使用副塔、天車、卷揚(yáng)機(jī)提拔取樣管或增裝加長桿，輕松快捷，可以大大提高工作效率，并很大程度上減少人力。

2.4 動(dòng)力單元

由柴油機(jī)、油泵等組成。動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵產(chǎn)生高壓油，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種功能。

2.5 底盤機(jī)架

履帶底盤由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、四輪一帶、油缸等組成。液壓馬達(dá)在高壓油的作用下可驅(qū)動(dòng)底盤前進(jìn)、后移、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎，移動(dòng)方便，適合多種地形。機(jī)架整體主要是焊接而成，后面加裝了推土鏟，推土鏟由液壓油缸控制［6-7］，運(yùn)輸狀態(tài)下與機(jī)架平行，施工中一方面它可以放下來起到支撐的作用，保證在工作中機(jī)身的穩(wěn)定性。另一方面如果遇到施工地面不平整，機(jī)身很難平穩(wěn)放置時(shí)，可以調(diào)節(jié)推土鏟位置，通過履帶行走帶動(dòng)推土鏟，將地面鏟平。

2.6 人機(jī)操縱臺(tái)［3］

全中文界面簡易操縱臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電液控制和遙控操作。數(shù)顯儀表實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.7 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

由擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、油缸Ⅰ、回轉(zhuǎn)支承等組成。高壓油驅(qū)動(dòng)油缸Ⅰ，可使主副擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)立柱及動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)獲得不同鉆進(jìn)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)多方位鉆孔［8］。

2.8 液壓系統(tǒng)

由多路閥、操縱臺(tái)、壓力表、油箱等組成。鉆機(jī)操縱臺(tái)分為主、副兩個(gè)，主操縱臺(tái)主要用于控制設(shè)備的行走、動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)和給進(jìn)、支腿油缸的伸縮、夾持器的開合、鉆桿的擰卸、系統(tǒng)壓力的顯示等；副操縱臺(tái)主要用于控制設(shè)備的啟動(dòng)停止、大臂的升降、立柱90°側(cè)轉(zhuǎn)、立柱的伸縮和起落、機(jī)架的回轉(zhuǎn)、動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速和提升速度的顯示等。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ESD-70型環(huán)保鉆機(jī)作為全液壓設(shè)備，其動(dòng)作主要靠液壓系統(tǒng)工作，液壓系統(tǒng)的優(yōu)劣決定設(shè)備的質(zhì)量，可靠性，可操作性。ESD-70型環(huán)保鉆機(jī)的動(dòng)作有動(dòng)力頭快速提升下降，動(dòng)力頭慢速提升下降，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，動(dòng)力頭沖擊，動(dòng)力頭側(cè)移，立柱起塔落塔、立柱滑移、立柱傾斜，卷揚(yáng)機(jī)提鉆裝置，履帶行走。其液壓原理如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of the hydraulic system of the drill

主泵1和主多路閥8組成負(fù)載敏感液壓控制系統(tǒng)［9］；由主多路閥8分別控制動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)馬達(dá)16，動(dòng)力頭進(jìn)給油缸24和左右行走馬達(dá)13，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)、動(dòng)力頭快速提升下降、鉆機(jī)行走動(dòng)作。動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)采用電比例控制，PLC控制器通過調(diào)節(jié)控制電流可以調(diào)節(jié)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度，鉆機(jī)行走和動(dòng)力頭快速提升下降通過兩位六通閥12進(jìn)行復(fù)用控制；副泵2和兩位三通換向閥10控制動(dòng)力頭沖擊［10-11］；副泵2、副多路閥9及輔助動(dòng)作液壓油缸，控制鉆機(jī)的其余輔助動(dòng)作；鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要元件采用進(jìn)口品牌，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、使用壽命長。

4 電氣控制系統(tǒng)

鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要包括2個(gè)方面：柴油機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)和鉆機(jī)動(dòng)作控制系統(tǒng)。

柴油機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)采用鄭州眾智公司出品的HEM8400發(fā)動(dòng)機(jī)CAN監(jiān)控儀。這款監(jiān)控儀是集微電子技術(shù)、電測量技術(shù)、數(shù)?；旌闲盘柼幚砑夹g(shù)、CAN通信技術(shù)、車輛控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)于一體的智能儀表及控制設(shè)備。以32位ARM微處理器為核心、4.3吋LCD大屏幕顯示、可選中/英文顯示、輕觸按鈕操作；具有兩路CANBUS接口，一路和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接，一路為備用CANBUS接口；通過CANBUS接口可讀取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如：轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、機(jī)油溫度、累計(jì)油耗、瞬時(shí)油耗、累計(jì)工作時(shí)間、油位等；具備發(fā)動(dòng)機(jī)診斷開關(guān)，按下進(jìn)入診斷模式，在診斷模式下，如遇ECU報(bào)警可通過發(fā)動(dòng)機(jī)紅燈閃爍的次數(shù)來查看對應(yīng)的故障報(bào)警信息；具備手動(dòng)油門開關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后按下該按鍵，激活手油門控制，可以精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［2，5，12］，其HEM840監(jiān)控儀的控制面板如圖4所示，電路控制原理如圖5所示。

圖4 控制面板指示Fig.4 Control panel indication

圖5 HEM8400電路原理Fig.5 HEM8400 circuit schematic

鉆機(jī)動(dòng)作控制系統(tǒng)主要以PLC控制器為控制中心，可以監(jiān)測系統(tǒng)壓力；測量動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)速度，動(dòng)力頭提升速度及位移；控制鉆機(jī)的各種動(dòng)作：鉆機(jī)行走、動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)/沖擊、動(dòng)力頭提升給進(jìn)、動(dòng)力頭側(cè)移/回正、立柱起落/伸縮/擺動(dòng)等；鉆機(jī)的行走采用無線遙控控制，方便操作人員快速轉(zhuǎn)場移機(jī)；配有高清車載顯示屏，其人機(jī)操作顯示界面見圖6［13-15］。

圖6 人機(jī)操作顯示界面Fig.6 Man-machine operation display interface

5 施工應(yīng)用

圖7為ESD-70型環(huán)保鉆機(jī)進(jìn)行取樣施工實(shí)驗(yàn)的情形。此次取樣深度20 m，取樣直徑32 mm。采用靜壓直推式給進(jìn)，鉆具直徑70 mm、長1.5 m，平均一根下鉆2～3 min，整個(gè)下鉆取樣過程在2 h左右。取樣過程機(jī)身穩(wěn)定，下鉆順利，速度很快。因是靜壓直推式取樣，取樣完整性好，取樣率在70%左右。充分驗(yàn)證了ESD-70型環(huán)保鉆機(jī)取樣過程的方便快捷。

圖7 施工實(shí)驗(yàn)Fig.7 Field test

6 結(jié)語

通過對環(huán)境取樣的了解和施工客戶的需求，我們成功研制的ESD-70型環(huán)保取樣鉆機(jī)，操作簡單、可控性強(qiáng)、取樣高效快捷、施工效率高、維護(hù)方便、履帶行走平穩(wěn)、便于移動(dòng)、適用于多種施工環(huán)境和工況。

該鉆機(jī)還具有水取樣鉆井、更換回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭后具有土壤修復(fù)治理、地下水治理、高壓旋噴以及土壤修復(fù)治理等用途，性能可靠、品質(zhì)優(yōu)良，可預(yù)測發(fā)展前景很好。