XYT-1500型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)研制及應(yīng)用

張西坤，王志強(qiáng)，商衛(wèi)東，陳建忠，劉大仲

（中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050227）

0 引言

地質(zhì)礦產(chǎn)勘查區(qū)域多為丘陵、沙漠、戈壁、草原，地域廣闊，布孔總體分散，局部密集。有些區(qū)域鉆孔深度淺，成孔時(shí)間短。因而鉆機(jī)整體搬遷頻繁，拆卸放塔、裝車運(yùn)輸、卸車就位、組裝起塔等輔助作業(yè)時(shí)間占比較大，給鉆機(jī)的設(shè)計(jì)提出了新的課題。因此，需要研制一種拖車平臺(tái)，與地質(zhì)勘查市場(chǎng)上的主力機(jī)型XY-5、XY-6型立軸式巖心鉆機(jī)配套使用，將傳統(tǒng)散裝型立軸式巖心鉆機(jī)升級(jí)改造為更加實(shí)用的拖車式鉆機(jī)，滿足地質(zhì)鉆探領(lǐng)域新的施工需求。目前使用的拖車平臺(tái)普遍存在整體性差、強(qiáng)度低、配套安全設(shè)施不齊全等問題。XYT-1500型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)的研制就是致力于使鉆機(jī)既要整體性強(qiáng)、移運(yùn)方便、堅(jiān)固耐用、適應(yīng)復(fù)雜路況運(yùn)輸，又要模塊化程度高、易拆解、運(yùn)行可靠、功能齊全、安全設(shè)施完善、操作空間大、維修保養(yǎng)方便、適用于不同鉆探工藝［1-3］，可鉆鑿1500 m深的地質(zhì)孔，亦可用于水文地質(zhì)勘察孔、地?zé)衢_發(fā)孔、工程建筑灌注樁孔等鉆進(jìn)［4-6］。

1 總體方案

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，總體要求如下：

表1 XYT-1500型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of XYT-1500 core drill trailer

（1）整體設(shè)計(jì)方案應(yīng)遵循“移運(yùn)方便、工作可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、性能先進(jìn)、滿足HSE要求”的原則，符合安全操作要求。

（2）配套的拖車及附件的設(shè)計(jì)、選型、制造、測(cè)試，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)程。

（3）鉆塔要委托有資質(zhì)的第三方進(jìn)行滿載拉力試驗(yàn)，形成檢驗(yàn)報(bào)告。

（4）采用國(guó)內(nèi)外經(jīng)過實(shí)踐證明可靠的外購(gòu)部件，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

（5）技術(shù)方案充分考慮鉆機(jī)的工作特性，滿足施工工作性能和多種鉆井工藝的要求［7-10］。

（6）鉆機(jī)總體布局緊湊合理，所有模塊均滿足吊裝和運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)的拖車采用全掛牽引方式，雙后橋三橋12胎結(jié)構(gòu)，三橋均安裝剎車系統(tǒng)，配套完善的燈光系統(tǒng)。周邊安裝的鋪臺(tái)，放倒就是操作鉆機(jī)時(shí)用的鋪臺(tái)，豎起就是拖車運(yùn)輸時(shí)的槽幫。拖車底盤可安裝鉆機(jī)、泥漿泵、攪拌罐、配電箱、擰管機(jī)等。鉆塔具有運(yùn)輸、施工和落塔3種狀態(tài)（如圖1所示），在鉆探施工時(shí)，鉆塔上的二層臺(tái)和導(dǎo)繩輪都處于撐開狀態(tài)，二層臺(tái)可以立擺鉆桿，導(dǎo)繩輪可以進(jìn)行卷?yè)P(yáng)鋼絲繩導(dǎo)正，便于勘探作業(yè)；在長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)，二層臺(tái)和導(dǎo)繩輪都不用拆卸，可以進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)，處于收縮狀態(tài)，便于長(zhǎng)途運(yùn)輸。液壓系統(tǒng)帶160 L獨(dú)立液壓泵站，支腿油缸設(shè)計(jì)有液壓鎖和機(jī)械絲杠鎖，起到雙保險(xiǎn)的作用。起塔油缸配有液壓鎖，同時(shí)設(shè)計(jì)有起同步作用的分流集流閥、起調(diào)速作用的單向節(jié)流閥、起聯(lián)接和支撐作用的聯(lián)接閥塊。

圖1 拖車平臺(tái)3種狀態(tài)Fig.1 Three states of the trailer

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)整體設(shè)計(jì)提高了鉆機(jī)運(yùn)行的可靠性、運(yùn)移性、先進(jìn)性和安全性，申報(bào)的“一種加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)”獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL202120803722.6）。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)整體包括拖車部分、鉆塔部分、液壓部分和輔助部分。拖車部分包括底盤、牽引、車橋、輪胎、鋪臺(tái)、斷氣剎車系統(tǒng)、電器燈光系統(tǒng)、輪胎側(cè)面護(hù)網(wǎng)等，鉆塔部分包括塔身、天車、二層臺(tái)、導(dǎo)繩輪、龍門架、支架、底梁等，液壓系統(tǒng)包括泵站、閥組、管路、支腿油缸、起塔油缸等，輔助部分包括梯子、護(hù)欄、支座、頂杠、水平儀等。

2.1 拖車

拖車采用全掛牽引方式，車橋?yàn)?橋12胎，前橋有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，牽引帶緩沖裝置；后橋?yàn)殡p后橋結(jié)構(gòu)，配雙管路斷氣剎車、減震裝置和完善的燈光系統(tǒng)。

2.1.1 拖車結(jié)構(gòu)

拖車主梁材料為Q700，截面為高400 mm、寬140 mm的異形H鋼，腹板厚度12 mm，翼緣厚度14 mm，經(jīng)計(jì)算，最不利條件下承受最大負(fù)荷400 kN時(shí)主梁的截面模量安全系數(shù)為2.66。拖車框架邊梁和橫梁均采用Q235B材質(zhì)的20槽鋼規(guī)格，橫梁下方加斜支撐，將邊緣的載荷傳遞到主梁。拖車上面鋪設(shè)厚度5 mm花紋板，孔口臺(tái)板做成柵格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。拖車結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 拖車結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the trailer

2.1.2 制動(dòng)系統(tǒng)

拖車采用雙管路氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，行車制動(dòng)系統(tǒng)主要有氣接頭、供氣管路、控制管路、緊急繼動(dòng)閥、儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)氣室和車輪制動(dòng)器等部分組成。兩套管路是各自獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)一條管路出現(xiàn)故障時(shí)，另一條管路仍能繼續(xù)正常制動(dòng)，兩套制動(dòng)系統(tǒng)均采用緊急繼動(dòng)閥，可以彌補(bǔ)因管路太長(zhǎng)引起的制動(dòng)滯后，確保能夠安全制動(dòng)。

2.1.3 燈光系統(tǒng)

拖車設(shè)有與牽引車相適應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)燈光系統(tǒng)，拖車牽引端的邊梁上有電氣連接插座，拖車后部設(shè)有制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、牌照燈、霧燈、后示廓燈和三角反光器；拖車兩側(cè)設(shè)有多個(gè)側(cè)標(biāo)示燈（其中一個(gè)為側(cè)轉(zhuǎn)向燈），電壓均為直流24 V。

2.1.4 龍門架

拖車底盤上安裝有龍門架，龍門架由龍門支架、軸承座、軸輥、擋盤組成。當(dāng)鉆塔落塔時(shí)，落到龍門架上的軸輥上，拔出支架底部后面的銷軸，起塔油缸繼續(xù)出桿伸長(zhǎng)，支架和鉆塔圍繞支架底部前面的銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)鉆塔后面在軸輥上做平移滾動(dòng)，鉆塔上的導(dǎo)向方管在擋盤的作用下，保證鉆塔在軸輥上平移時(shí)不會(huì)造成偏移，起到扶正的作用。鉆塔平移是在軸輥上做相對(duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，既起到了支撐鉆塔的作用，又不會(huì)造成很大的摩擦阻力。

2.2 鉆塔

鉆塔為K型結(jié)構(gòu)，由底梁、塔身、天車、支架、龍門架、導(dǎo)輪組、二層臺(tái)、梯子等組成，可整體起落。鉆塔有效高度12740 mm，額定載荷500 kN，鉆塔主桿、橫撐、斜撐和底部支架采用□100 mm×100 mm×6 mm、材質(zhì)Q345的無(wú)縫方鋼管。鉆孔中心距鉆塔后面的空間為650 mm，鉆機(jī)后移行程為600 mm，主動(dòng)鉆桿為?89 mm，鉆塔前后方向滿足巖心鉆機(jī)帶主動(dòng)鉆桿后移整個(gè)行程。鉆塔結(jié)構(gòu)見圖3。

鉆塔具有平放運(yùn)輸狀態(tài)、斜放中間狀態(tài)、立塔施工狀態(tài)3種狀態(tài)（參見圖1），也就是鉆塔落塔后再后移2540 mm，使運(yùn)輸狀態(tài)整體勻稱穩(wěn)定。具體步驟如下：

（1）起塔油缸收桿，鉆塔支架在油缸收桿的作用下圍繞O點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)（O1點(diǎn)），鉆塔塔身在支架的帶動(dòng)下，A1點(diǎn)移動(dòng)到B1點(diǎn)（A5點(diǎn)），A2點(diǎn)移動(dòng)到B2點(diǎn)（A4點(diǎn)），塔身中部靠上位置的導(dǎo)向方管在C點(diǎn)的軸輥上做平移運(yùn)動(dòng)，支架的A3點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B3點(diǎn)，鎖緊B3點(diǎn)銷軸，鉆塔支架處于直立狀態(tài)，鉆塔塔身處于斜放中間狀態(tài)。

（2）支架的A3點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B3點(diǎn)并鎖緊B3點(diǎn)銷軸后，起塔油缸出桿，鉆塔塔身圍繞B點(diǎn)（O1點(diǎn)）做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，B2點(diǎn)（A4點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)到B4點(diǎn)，B1點(diǎn)（A5點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)到B5點(diǎn)，鎖緊B5點(diǎn)銷軸，這時(shí)鉆塔處于立塔施工狀態(tài)。

（3）以上是起塔過程的平放運(yùn)輸狀態(tài)-斜放中間狀態(tài)-立塔施工狀態(tài)的鉆塔各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，落塔過程的立塔施工狀態(tài)-斜放中間狀態(tài)-平放運(yùn)輸狀態(tài)的鉆塔各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況與之相反。鉆塔起落塔過程分析見圖3。

圖3 鉆塔各部結(jié)構(gòu)和起落塔過程分析Fig.3 Analysis of the structure of each part of the drilling tower and the process of erection and putting down of the tower

2.2.1 鉆塔天車

天車由框架、底盤、軸座、滑輪軸、滑輪和附件等組成。天車位于鉆孔中心的是三輪組件，為主滑輪組，位于鉆孔中心后部的是兩輪組件，為導(dǎo)繩輪組。帶塔頂護(hù)欄，配有擋繩裝置，塔頂設(shè)計(jì)旗桿座和避雷針安裝座，帶繃?yán)K鉸鏈。

鉆塔天車、游動(dòng)滑車和鋼絲繩組成提升系統(tǒng)，3×2輪系的有效繩數(shù)是4根，將鉆機(jī)單繩提升能力擴(kuò)大4倍，形成提升系統(tǒng)有效鉤載。

2.2.2 鉆塔二層臺(tái)

二層臺(tái)主要由左踏板、右踏板、前踏板、擋桿、二層臺(tái)本體（U型構(gòu)件）組成，根據(jù)XYT-1500型巖心鉆機(jī)的實(shí)際需求，二層臺(tái)的鉆桿移擺面積可以擺放長(zhǎng)度9 m的?60 mm普通鉆桿（鎖接頭外徑75 mm）1944 m（18×12=216根），可以擺放長(zhǎng)度9 m的HQ系列繩索取心鉆桿1530 m（17×10=180根）。二層臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖4。

按照美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)風(fēng)載、二層臺(tái)無(wú)立根時(shí)計(jì)算并確定鉆塔額定承載能力。施工過程中的加速度、沖擊、排放立根和風(fēng)載都將降低鉆塔最大負(fù)荷。在二層臺(tái)靠放100%立根、二層臺(tái)靠放75%立根、二層臺(tái)靠放50%立根、二層臺(tái)靠放25%立根和二層臺(tái)無(wú)靠放立根時(shí)，在不同的風(fēng)速下，鉆塔的承載能力有很大的變化。保全設(shè)備工況（無(wú)鉤載、二層臺(tái)無(wú)立根）的風(fēng)速≥47.8 m/s，停鉆等候工況（無(wú)鉤載、二層臺(tái)滿立根）的風(fēng)速≥36 m/s，鉆塔起放工況的風(fēng)速≤16.5 m/s，大型井架起放工況風(fēng)速≤8.3 m/s。二層臺(tái)擺放鉆桿、承載能力和風(fēng)速函數(shù)曲線見圖4。

圖4 二層臺(tái)結(jié)構(gòu)示意和擺放鉆桿、承載能力、風(fēng)速函數(shù)曲線Fig.4 Structure of the second platform and function curve of drill pipe placement and tower load capacity vs wind speed

2.2.3 鉆塔支架

支架實(shí)際也是鉆塔下節(jié)，鉆塔支架起到支撐鉆塔上節(jié)的作用，通過支架的旋轉(zhuǎn)也起到推動(dòng)鉆塔平移的作用，支架在旋轉(zhuǎn)的過程中要將巖心鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器成功跨過去，在支架繼續(xù)向前旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆塔上節(jié)平移到巖心鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器位置，鉆塔上節(jié)的豎向空擋可將回轉(zhuǎn)器容納在鉆塔內(nèi)部，保證鉆塔平移后高度滿足運(yùn)輸要求，底盤和鉆塔整體協(xié)調(diào)一致。

2.2.4 鉆塔導(dǎo)繩輪

導(dǎo)繩輪由架體、翻轉(zhuǎn)鉸鏈、導(dǎo)輪鉸鏈、導(dǎo)輪和擋繩裝置組成。導(dǎo)繩輪伸開時(shí)起到提下鉆的導(dǎo)繩作用，導(dǎo)繩輪的翻轉(zhuǎn)鉸鏈可以將導(dǎo)繩輪整體翻轉(zhuǎn)90°，并進(jìn)行固定，方便運(yùn)輸。

傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機(jī)基于結(jié)構(gòu)完整性和動(dòng)力傳輸因素，將卷?yè)P(yáng)機(jī)軸與鉆機(jī)方向傳動(dòng)同向，與鉆塔天車軸方向垂直，而且卷?yè)P(yáng)中心與鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器中心有一定的距離，為使鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器中心對(duì)正鉆塔天車中心，卷?yè)P(yáng)機(jī)中心就會(huì)偏離天車中心，且方向垂直，這就造成了卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩纏繞上的困難，出現(xiàn)鋼絲繩在卷筒一端堆積、不安全、鋼絲繩易損壞等問題，鋼絲繩纏繞到卷筒邊緣時(shí)，產(chǎn)生從下向上的繩圈堆積現(xiàn)象，當(dāng)鋼絲繩堆積兩三層后又突然墜落，將產(chǎn)生很大的沖擊力，這種現(xiàn)象對(duì)鋼絲繩的壽命和卷筒的強(qiáng)度都有很大影響，嚴(yán)重的堆積還會(huì)造成卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩越出卷筒端側(cè)板，引發(fā)事故。在鉆塔較高時(shí)問題不大，拖車鉆機(jī)鉆塔高低受限，這就成為一個(gè)突出的問題。導(dǎo)繩輪的設(shè)計(jì)成功解決了這一問題，卷?yè)P(yáng)導(dǎo)繩輪前后位置在提鉆位置卷筒中心正上方，滿足提下鉆具時(shí)卷筒上鋼絲繩順暢纏繞。設(shè)計(jì)100 mm寬輪結(jié)構(gòu)，與鋼絲繩在卷筒上纏繩層數(shù)變化相適應(yīng)。卷?yè)P(yáng)導(dǎo)繩輪左右位置偏向操作者對(duì)面，寬輪中心側(cè)移150 mm，與鋼絲繩從卷筒上的出繩方向相適應(yīng)。導(dǎo)繩輪結(jié)構(gòu)避免卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩在一側(cè)堆積，消除了安全隱患，保證卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩始終順暢整齊纏繞，延長(zhǎng)鋼絲繩壽命。

2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由泵站、多路換向閥、控制閥組、支腿油缸、起塔油缸和液壓管路組成。

液壓系統(tǒng)帶160 L獨(dú)立液壓泵站，支腿油缸設(shè)計(jì)有液壓鎖和機(jī)械絲杠鎖，起到雙保險(xiǎn)的作用。起塔油缸配有液壓鎖，同時(shí)設(shè)計(jì)有起同步作用的分流集流閥、起調(diào)速作用的單向節(jié)流閥、起聯(lián)接和支撐作用的聯(lián)接閥塊。

拖車配套4只支腿油缸，前梁支腿油缸可折疊180°，工作狀態(tài)油缸中心距≥4 m。油缸帶液壓閥和機(jī)械絲杠鎖，正常工作時(shí)油缸活塞不受力，機(jī)械絲杠受力，并起到雙保險(xiǎn)的作用。拖車底盤前梁總成和支腿油缸見圖5。

圖5 前梁總成和支腿油缸示意Fig.5 Schematic diagram of the front beam assembly and the jack leg cylinder

起塔油缸帶雙向液壓鎖，防止因操作失誤或管線爆裂損壞井架。

3 試驗(yàn)與檢測(cè)

XYT-1500型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)整體委托中國(guó)石油大港油田檢測(cè)監(jiān)督評(píng)價(jià)中心進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)載荷應(yīng)力貼片試驗(yàn)，檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為《地質(zhì)鉆塔用鉆塔技術(shù)條件》（DZ/T 0089—1993）和《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范》（SY 6326—2012）。第一次加載0～50 kN，第二次加載0～70 kN，第三次加載0～87.5 kN。單繩拉力×鋼絲繩根數(shù)=87.5×6=525 kN。

鉆塔在加載 525 kN 時(shí)的實(shí)測(cè)最大應(yīng)力值為 107.99 MPa，經(jīng)鉆塔和游動(dòng)系統(tǒng)自重應(yīng)力修正后最大應(yīng)力值為117.99 MPa。根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力值計(jì)算，該鉆塔實(shí)際額定靜鉤載滿足設(shè)計(jì)要求，鉆塔評(píng)定為 A 級(jí)，可承受的額定靜鉤載為500 kN，可在其額定靜鉤載范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

4 工程應(yīng)用及效果

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)已經(jīng)生產(chǎn)四批次15臺(tái)套，在內(nèi)蒙古多地施工，施工區(qū)域地形為低山丘陵和沙漠，施工地層多為第四系覆蓋層、砂礫巖和雜色泥巖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鉆機(jī)月度搬遷次數(shù)平均為7～8次，每次節(jié)約搬遷時(shí)間12 h，單臺(tái)鉆機(jī)月度平均進(jìn)尺3130 m，提高綜合效率30%［11-16］。拖車平臺(tái)運(yùn)輸和施工現(xiàn)場(chǎng)見圖6。

圖6 拖車平臺(tái)運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工圖片F(xiàn)ig.6 Trailer in transportation and at drilling site

多項(xiàng)施工應(yīng)用實(shí)踐證明，XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)拖車部分強(qiáng)度滿足惡劣路況搬遷要求，鉆塔部分強(qiáng)度滿足各種復(fù)雜施工工況的承載力要求。

5 結(jié)論及建議

XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車設(shè)計(jì)構(gòu)思巧妙，結(jié)構(gòu)布局緊湊，用料選材合理，使傳統(tǒng)立軸式巖心鉆機(jī)成為了拖車式鉆機(jī)。鉆機(jī)施工和搬遷速度快，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，大大地提高了鉆機(jī)運(yùn)行的可靠性、運(yùn)移性、先進(jìn)性和安全性，施工使用效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得廣泛推廣。建議：

（1）借鑒XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)的鉆塔和底盤等主體結(jié)構(gòu)的成熟完善部件，可簡(jiǎn)化為經(jīng)濟(jì)適用的橇裝式巖心鉆機(jī)，進(jìn)一步升級(jí)成移運(yùn)方便整體性強(qiáng)的車載式巖心鉆機(jī)。

（2）XYT-1500加強(qiáng)型巖心鉆機(jī)拖車平臺(tái)可配套多種XY系列鉆機(jī)，可進(jìn)一步研究將機(jī)械、電氣、液壓和控制技術(shù)深度融合，配套稀土永磁電驅(qū)直驅(qū)絞車和稀土永磁電驅(qū)直驅(qū)頂驅(qū)，提升鉆機(jī)整體智能化和自動(dòng)化水平。