新型XY－5L塔機一體立軸式巖心鉆機的研制與應用

歐陽志強，柴喜元

（衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司，湖南 衡陽 421002）

1 引言

目前，我國用于地質巖心鉆探施工中的鉆機從傳動方式和結構形式上看主要有兩種，一種是立軸式巖心鉆機，另一種是全液壓動力頭鉆機。在國外發達國家全液壓動力頭鉆機已經基本得到了推廣普及，在我國立軸式巖心鉆機仍廣泛使用，占有大部分的市場份額。

立軸式巖心鉆機經過長期的使用改進，結構性能已趨合理完善，具有傳動可靠、成本低、操作維護方便等優點，但也存在鉆機搬遷困難、給進行程短，勞動強度大。全液壓動力頭鉆機在國內進入市場之初，地質巖心鉆探界曾普遍認為其是最先進的鉆機，但是通過近幾年對全液壓動力頭鉆機優缺點的分析及市場實際應用效果的總結，我們發現全液壓動力頭鉆機的最終綜合應用效果、性價比、使用和維修成本并不比立軸式巖心鉆機有明顯的優越性，其主要表現在：

（1）鉆機投資大，動力能耗高，其配件價格高，使用維修成本高。

（2）對施工工人素質要求較高。當前國內鉆探施工人員缺乏足夠的液壓維修技術知識，全液壓動力頭鉆機的使用具有一定的客觀局限性，嚴重制約其在國內的普及推廣。

（3）液壓傳動對鉆機整體密封性要求較高，傳動效率低，孔內事故處理能力較差，通過比較我們發現，立軸式巖心鉆機與全液壓動力頭鉆機的特點具有一定的互補性。

圖1 XY－5L型鉆機

近年來，隨著市場的競爭，受全液壓鉆機的啟發，國內各個廠家相繼生產出了各式各樣的塔機一體式鉆機。2009年，衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司率先研發了XY－4L型塔機履一體式巖心鉆機，該鉆機一進入市場就引起了廣泛的關注，現已批量生產銷售。但是，由于結構形式的局限，使XY－4L型鉆機鉆探能力受到限制。

因此，研發一種新型鉆探能力強、綜合性能高的塔機一體式鉆機是很有必要的。衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司研發設計的XY－5L型巖心鉆機就是為此而創新研制的，把立軸式和全液壓動力頭鉆機的優點很好結合起來。

2 研發指導思想和技術路線

根據目前國內外巖心鉆機的市場及技術調研情況，確定新型XY－5L塔機一體立軸式巖心鉆機的研發指導思想是：應用國內外成熟的先進技術，吸收同領域前沿科學，實行產研用聯合機制，研發出符合我國國情，力求適應性、可靠性強，綜合性能高，價格低，易操作，并具有先進性、創新性，有自主知識產權的新型立軸式巖心鉆機。目前，XY－5L型鉆機已獲得和申請多項國家技術專利。

通過目前國內外巖心鉆探立軸式巖心鉆機和全液壓動力頭鉆機的結構性能利弊分析，取其各自優點，以機械立軸式巖心鉆機為基礎，將新型立軸式巖心鉆機設計為塔機履一體自行行走，可觸地鉆塔結構，雙油泵液壓系統，大小柴油機雙動力配置，操作系統實現數字化和人性化。

（1）保持立軸式巖心鉆機機械式傳動可靠的優點，加上全液壓能實現整機移動的優點。在設計上將立軸式鉆機，鉆塔，泥漿泵，絞車等放在一個履帶底盤上。通過液壓操縱可實現，鉆塔的起落，傾斜。整機的調平，履帶行走有兩檔速度，平地時用快檔，爬較大坡度時用慢檔。

（2）為保證鉆進時整機的穩定性，同時行走時，塔可以收起。因此，在塔的設計中不同于其它的結構型式。塔是分為三截，塔在塔座上可以上下滑動，在打不同角度的孔時，始終能讓塔觸地，確保穩定性。立軸式鉆機卷揚與全液壓布置不同，為了適應卷揚鋼絲的走向，盡量使鉆塔處于良好的受力狀況，在塔的中間加了一個滑輪座。同時增加了抬桿器，塔上護欄等附屬機構。

（3）為減小立軸式給進行程與全液壓的差距，這次把給進行程由600mm增加到800mm。同時增強了回轉器的導向性。立軸加長后，立軸的淬火，變型及磨削又有一些新的問題要解決。首先增加淬火機床行程，采用異型感應圈淬火。然后進行熱變形調校。通過廠內工藝的摸索，立軸直線度在±0．05范圍內，硬度在HRC48～55之間。通過鉆探生產驗證回轉器卡盤穩定性很好。

（4）一般立軸式鉆機的液壓系統能力較小。如果設計大，消耗能量，但履帶底盤要求配置液壓系統能力遠遠大于常規的立軸式。為了兩者兼顧，采用了一大一小的雙泵供油，大泵為柱塞泵（63mL／r）。設計了分離機構，鉆進時不工作，行走時大泵合上。行走馬達設置高低速度檔，平路和坡度小時快速檔，路面阻力大和坡度大時低速擋。給進系統采用差動機構，能保證快速倒桿，減少輔助時間。

3 結構及原理

XY－5L型巖心鉆機是一種機械傳動、液壓給進、履帶行走、自帶液壓起落鉆塔的立軸式巖心鉆機。鉆機由柴油機動力及離合器、變速箱、分動箱、回轉器、卷揚機及水剎車、履帶底盤、液壓系統、鉆塔、取心絞車、泥漿泵等主要部件組成，如圖2所示。

圖2 XY－5L型鉆機結構布局圖

鉆機動力分為兩個部分，一部分由一臺四缸柴油機獨立帶動鉆機進行鉆進，另一部分由一單缸小柴油機帶動繩索取心絞車和泥漿泵進行工作，該部分可根據用戶需求進行選擇配置。鉆機液壓系統由雙油泵供油。

4 主要技術參數

柴油機型號：4BTA3．9－C100

柴油機功率：74kW（2200r／min時）

鉆進能力：900～1800m

給進行程：800mm

移機行程：500mm

立軸通徑：Φ93mm

立軸轉速：正轉：47、76、123、152、190、246、270、360、400、613、869、1161r／min

反轉：51、163r／min

卷揚提升速度：0．79、1．27、1．96、2．78、3．71m／s

卷揚提升能力：最大60kN

系統壓力：10MPa（履帶行走25MPa）

油泵型號：63SCY14－1BF（柱塞泵）＋SGP1A16RF（齒輪泵）

油泵排量：63＋16mL／r

鉆塔高度：11．7m

鉆塔負荷：300kN

鉆孔角度：90～45°

爬坡角度：30°

行走速度：1．5～2km／h

鉆機總質量：11．5t

運輸外形尺寸：（L×W×H）5200×2200×2900mm

5 生產應用情況

試制后進入小批量生產，2011年2月份投放市場。通過廠內的實驗，各級數據達到設計要求。從目前的使用情況來看，在內蒙、青海、新疆各開動了兩臺鉆機，基本都從5月初開始施工，施工最深孔750m，80°斜度，終孔直徑 Ф77，最高臺月效率900m。

從生產實驗的情況來看：

（1）鉆機轉速范圍寬，速度擋數多，分配合理，鉆探工藝適應性強。輸出扭矩大，強度高，鉆進能力強，使用范圍廣。

（2）自帶液壓起落鉆塔，安裝快捷，輕便靈活，液壓觸地穩固，便于打斜孔由于鉆塔觸地，較以前的立軸式塔機一體有很好的穩定性。

（3）操作簡單，維修方便，機組使用的發動機為74kW和15kW，能耗和鉆探成本遠低于全液壓鉆機。

（4）液壓系統采用雙油泵供油，鉆探倒桿快，履帶行走動力強勁，機械化程度高。與立軸式比大大縮短了裝塔、拆塔的輔拆時間，減輕勞動強度。

（5）選用品牌發動機、變速箱、離合器、傳動軸等優質部件，更換方便，鉆機工作可靠性程度高。

從使用的情況來看也存在一些問題：

（1）繩索取心絞車與泥漿泵驅動共一動力，絞車處于常轉狀態，極大地影響了絞車的使用壽命（主要是指絞車的離合器、傳動軸）。

（2）泥漿泵和絞車的位置布置不合理。尤其是絞車的布置，導致操作不方便。

（3）現場照明和常用電動工具用電問題需要另外配備發電機解決，要增加設備，不經濟、不節能。

針對這些問題在改進設計中已將泥漿泵和絞車改用電機驅動，用一臺15kW左右發電機提供電機、電焊、照明、生活用電。

圖3

圖4

6 結語

自2006年全液壓動力頭鉆機在我國成功問世以來，國內鉆探界就掀起了一場立軸式巖心鉆機和全液壓動力頭鉆機的優劣性以及巖心鉆機發展趨勢的大辯論。對于這場辯論，我們認為“不選貴的，只選對的”，結合當前我國實際情況，以XY－5L塔機一體立軸式巖心鉆機為代表改進后的立軸式巖心鉆機在未來仍將是我國地質鉆探中的主要力量。

［1］杜祥麟．地質鉆探設備三十年［J］．探礦工程，1982（4）．

［2］馮德強．鉆機設計．武漢：中國地質大學出版社，1993．

［3］宋翔雁．淺析地質巖心鉆機發展趨勢［J］．探礦工程，1992（6）．