張文舉，高杉，張雅石，蘇健

（中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102）

0 引言

在我國水井鉆進(jìn)設(shè)備發(fā)展相對落后，長期以來該類設(shè)備主要是以機(jī)械轉(zhuǎn)盤式為主，與同期國際上先進(jìn)的全液壓動力頭式設(shè)備相比具有較大的差距。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，與各國的技術(shù)交流也越來越廣泛，同時我國的基礎(chǔ)工業(yè)及基礎(chǔ)零部件特別是液壓、電氣元件的發(fā)展和日趨成熟，為我國水井鉆進(jìn)設(shè)備的發(fā)展提供了好的基礎(chǔ)和條件。在此前題下，我們在總結(jié)吸收一些國內(nèi)外設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)、長處基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情設(shè)計(jì)了全液壓動力頭式水井系列鉆機(jī)。下面就該系列鉆機(jī)作一介紹，并對其中一款SYD－500鉆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、主要的配套設(shè)備以及適用的工藝作了詳細(xì)介紹。

1 概述

全液壓動力頭多工藝水井系列鉆機(jī)是一類新型、高效、環(huán)保、多功能自行走式（履帶、拖車）鉆機(jī)。鉆進(jìn)方式主要以空氣鉆鑿為主，泥漿鉆進(jìn)為輔。通過與不同的配套設(shè)備及部件的不同組合型式，實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域、不同工藝（正反循環(huán)）所要求的鉆進(jìn)方式。

該類設(shè)備主要應(yīng)用于鉆鑿不同深度的水井、監(jiān)測井、地源熱泵空調(diào)孔及其他工程鉆孔。200m深度以內(nèi)設(shè)備尤其適用于要求高效密集型作業(yè)的地源熱泵空調(diào)孔工程。

鉆機(jī)設(shè)計(jì)按我國慣用以深度為主參數(shù)的習(xí)慣，分為200m、300m、500m、700m水井鉆機(jī)系列，對應(yīng)基本型號分別為 SYD－200型、SYD－300型、SYD－500型、SYD－700型。

鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，每種同功率、同能力的型號設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)部件，再根據(jù)不同用戶的特殊要求進(jìn)行變型組合設(shè)計(jì)。在基本型下分別變型：如裝載型式可變型有拖車式、汽車式、履帶式；桅桿型式根據(jù)鉆桿長短有單升倍速機(jī)構(gòu)，適合3m、4.5m鉆桿的，也可設(shè)計(jì)成雙升倍速機(jī)構(gòu)適合6m鉆桿；卷揚(yáng)配置可在桅桿強(qiáng)度滿足的前提下配置不同提升力的卷揚(yáng)；支腿基本配置為短支腿，滿足設(shè)備的調(diào)平，鉆孔時對設(shè)備的支撐，根據(jù)用戶要求可配置長支腿既要滿足前者又要滿足設(shè)備自行裝缷的要求；動力頭配置可進(jìn)行單速、雙速或多速的變型，主要在液壓驅(qū)動馬達(dá)和液壓控制閥上進(jìn)行組合設(shè)計(jì)；直斜孔配置，在垂直基本型基礎(chǔ)上對桅桿下部進(jìn)行加長及孔口裝置的重新設(shè)計(jì)，增加滑移托架使鉆機(jī)可滿足直孔、斜孔的鉆孔要求；正反循環(huán)配置是在動力頭的主通徑設(shè)計(jì)上對反循環(huán)工藝留有空間，配置相應(yīng)的反循環(huán)鉆具、氣水龍頭及相應(yīng)的泥漿循環(huán)裝置即可滿足正反空氣、泥漿、氣舉等多種工藝方式的鉆進(jìn)要求。由于上述不同配置，鉆機(jī)型式可派生出不同的變型產(chǎn)品。

2 結(jié)構(gòu)共性特點(diǎn)

鉆機(jī)為全液壓型式，其鉆架起落、鉆桿接卸、回轉(zhuǎn)和進(jìn)給、支腿、卷揚(yáng)、行走等功能動作均由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，降低勞動強(qiáng)度，提高施工效率和工程質(zhì)量。

鉆機(jī)主要采用空氣潛孔鉆進(jìn)。進(jìn)行高性能的沖擊器潛孔作業(yè)，由空壓機(jī)供風(fēng)和排渣，根據(jù)孔尺寸配套各種沖擊器、釬頭等。鉆進(jìn)工藝可采用空氣潛孔錘的正循環(huán)鉆鑿鉆進(jìn)，通過配備配套的氣龍頭、雙壁鉆桿、貫通式潛孔錘等設(shè)備可進(jìn)行反循環(huán)潛孔及氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。對不適用空氣鉆的泥土層可進(jìn)行大、小口徑的泥漿正反循環(huán)鉆進(jìn)。由此該種鉆機(jī)廣泛用于工程地質(zhì)勘探、水文、水井以及大口徑的工程施工鉆進(jìn)。

空氣系統(tǒng)特制油霧器可有效提高沖擊器的使用壽命。

動力系統(tǒng)為柴油機(jī)驅(qū)動液壓系統(tǒng)。選用最新專利產(chǎn)品－空氣預(yù)濾器，可濾除進(jìn)氣中90%以上的粉塵，并自動排塵，無需清理，有效降低發(fā)動機(jī)磨損，延長使用壽命，提高工作效率，使之真正適用于各種惡劣工況環(huán)境。

自行走式結(jié)構(gòu)，移動方便。履帶式有鋼制履帶板，也可選鑲橡膠塊，用于不便壓碾及城市道路行走；根據(jù)要求鉆機(jī)可移植在拖車或汽車上，移動更加方便快捷。

鉆機(jī)回轉(zhuǎn)采用馬達(dá)兩點(diǎn)驅(qū)動，機(jī)型小，扭矩大。回轉(zhuǎn)速度根據(jù)不同工況調(diào)整，提高沖擊器進(jìn)尺效率。

鉆進(jìn)、提升采用油缸板式鏈條結(jié)構(gòu)，安全可靠。鉆進(jìn)井底壓力、鉆進(jìn)速度亦可根據(jù)不同工況調(diào)整，提高沖擊器進(jìn)尺效率。且提升力大，滿足鉆深和處理事故的能力。

液壓系統(tǒng)配有獨(dú)立的液壓油散熱器，保證鉆機(jī)在戶外高溫氣候條件下連續(xù)工作。

均配有提升能力10kN以內(nèi)的工具卷揚(yáng)機(jī)，可靈活吊裝鉆具或輔具。

滑板自行保護(hù)鉆桿螺紋，提高鉆桿使用壽命。

3 SYD－500型鉆機(jī)介紹

3.1 基本型的組成及結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)主要由底架、氣路系統(tǒng)、動力裝置、桅桿和給進(jìn)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)動力頭、液壓系統(tǒng)、油箱、操縱臺、卸扣裝置、井口裝置、工具、履帶底盤組成，如圖1所示。下面對主要部件作一介紹。

3.1.1 底架（圖2）

圖1 SYD－500型鉆機(jī)組成及結(jié)構(gòu)

底架（四支腿）由幾種不同型鋼焊接成結(jié)構(gòu)框架，中間前部由整體油箱將底架的左右部分連接，即增加了底架的剛性，又為桅桿的支架，節(jié)省了油箱的位置空間。四個液壓支腿，可快速調(diào)平鉆機(jī)，鉆進(jìn)時保持桅桿與底面的特定角度，液壓鎖可防止液壓支腿的蠕動。特有的高支腿在需要長距離運(yùn)輸時不用吊車就能輕松實(shí)現(xiàn)裝卸，使設(shè)備的搬遷移動工作更加方便快捷。

圖2 底架（四支腿）結(jié)構(gòu)

3.1.2 氣路系統(tǒng)（圖3）

氣路系統(tǒng)由截門閥、油霧器、控制閥及管路等組成。由空壓機(jī)提供氣源，經(jīng)過油霧器為孔下的氣動元件沖擊器提供潤滑，壓縮空氣進(jìn)入沖擊器，沖擊器提供沖擊功破碎巖石實(shí)現(xiàn)鉆孔進(jìn)給。沖擊器需要霧化油對其零件潤滑。油霧器加油時必須先停氣，所加油必須清潔，不準(zhǔn)帶有任何雜質(zhì)。

圖3 氣路系統(tǒng)

3.1.3 桅桿和給進(jìn)系統(tǒng)（圖4）

桅桿為焊接結(jié)構(gòu)，采用熱軋?zhí)妓夭垆撜w焊接結(jié)構(gòu)，矩形鋼作為大扭轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)動力頭的導(dǎo)軌，通過單向節(jié)流閥控制油缸平穩(wěn)升降。操作臺上的水平儀控制其垂直度。在桅桿上端安裝了支撐拉桿，另一端與支架連接，可提高鉆進(jìn)過程中整機(jī)的穩(wěn)定性。桅桿上裝有給進(jìn)機(jī)構(gòu)、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)。

給進(jìn)機(jī)構(gòu)采用油缸－鏈條行程倍速機(jī)構(gòu)，由給進(jìn)油缸、鏈條、滑板等組成。給進(jìn)油缸活塞桿伸出及縮回，帶動滑輪組，通過鏈條使滑板在桅桿上下滑動，從而完成鉆機(jī)的鉆進(jìn)和提升。在深孔鉆進(jìn)中利用給進(jìn)油缸可調(diào)節(jié)井底壓力?；迳喜捎脻L輪結(jié)構(gòu)，有效減少滑道的磨損。

圖4 桅桿和給進(jìn)系統(tǒng)

3.1.4 回轉(zhuǎn)動力頭（圖5）

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速箱組成。兩個高性能低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)減速箱，由一個手動換向閥控制兩臺回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的串并聯(lián)，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)獲得等功率下兩級不同的扭矩和轉(zhuǎn)速（低速高扭、高速低扭）。以使鉆機(jī)適應(yīng)不同工況和孔徑?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可翻轉(zhuǎn)離開鉆孔軸線，便于卷揚(yáng)機(jī)裝卸鉆桿作業(yè)。

3.1.5 液壓系統(tǒng)

圖5 回轉(zhuǎn)動力頭

液壓系統(tǒng)由液壓油箱、液壓油泵、液壓馬達(dá)、液壓油缸、閥、各種連接管、濾油器及壓力表等液壓元件組成。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能可靠、使用方便，通過油泵給液壓油加壓，用溢流閥調(diào)定系統(tǒng)壓力，換向閥控制油缸的運(yùn)行方向或液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，從而完成鉆機(jī)的各種動作。通過雙泵合流完成鉆具的快進(jìn)、快退，單泵時正常給進(jìn)；通過手動換向閥控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩驅(qū)動馬達(dá)的串并聯(lián)，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)獲得兩級不同的扭矩和轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)調(diào)速閥，獲得回轉(zhuǎn)的無級調(diào)速，保證鉆孔時的鉆具回轉(zhuǎn)速度；調(diào)節(jié)減壓閥，確定推進(jìn)壓力，保證鉆孔時沖擊器所受軸壓力為最佳值。安全閥調(diào)定壓力，使系統(tǒng)壓力始終在安全壓力值內(nèi)工作。

3.1.6 操縱臺

操縱臺由操縱箱、手動換向閥、減壓閥、調(diào)速閥、油壓表、各種管路、發(fā)動機(jī)儀表、油門拉線、熄火拉線、風(fēng)門控制等組成。所有控制功能均集中在操縱臺上，便于操作，省時、省力。操作者可站在有足夠面積的腳踏板上操作。

3.1.7 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由柴油發(fā)動機(jī)、聯(lián)軸器、油泵聯(lián)接盤、空氣濾清器組成。大功率柴油機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動恒功率液壓變量泵，可使動力機(jī)功率得到有效利用；空氣濾清器采用三級濾清器，可有效的保護(hù)發(fā)動機(jī)在惡劣工況下也能正常使用。

3.1.8 井口裝置（圖6）

井口裝置配有組合式夾板，可改變內(nèi)徑與鉆具匹配，使鉆具具有定心功能。輔以水平儀，保證鉆機(jī)的開孔精度和鉆孔垂直度。井口裝置可分為兩半，外側(cè)的一半采用鉸接旋合，可用手開合自如，在孔口上方提供開闊的工作空間，使孔口的各種操作更加方便。配有防塵罩使工作環(huán)境干凈、清潔。

圖6 井口裝置

3.1.9 履帶底盤

履帶底盤采用加固的箱形焊接框架、鋼制履帶板組成（可另鑲橡膠塊）、履帶漲緊裝置、支重輪總成、驅(qū)動鏈輪、行走馬達(dá)總成等組成 。柱塞式液壓馬達(dá)驅(qū)動內(nèi)藏式行走減速機(jī)實(shí)現(xiàn)行走。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)（表1）

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3.3 主要選配設(shè)備及部件

該設(shè)備根據(jù)不同鉆孔工藝需要配套主要的設(shè)備有：空壓機(jī)、沖擊器、釬頭、過渡接桿（正循環(huán)）、鉆桿（φ89、φ108、φ114、φ127）、雙層過渡接頭（反循環(huán)）、雙層 鉆 桿 （φ89、φ108、φ114、φ127）、反 循 環(huán)氣龍頭總成、4～8噸卷揚(yáng)機(jī)、450～600L／min往復(fù)式泥漿泵、1300L／min離心泵（切削或牙輪成孔時使用、24kW／380V發(fā)電機(jī)（用于焊管或照明）等。

3.4 主要特點(diǎn)

SYD－500鉆機(jī)具有可進(jìn)行泥漿鉆進(jìn)和空氣反循環(huán)鉆進(jìn)所需的大通徑液壓動力頭。尤為適合目前地質(zhì)行業(yè)所進(jìn)行的貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)。

桅桿具有長行程給進(jìn)功能，滿足4.5m鉆桿的鉆進(jìn)要求。

配備井口鉆桿擰卸工具，配有鉆桿提引器、液壓扳手組合。使鉆桿接卸安全、方便、快捷，降低勞動強(qiáng)度。

鉆機(jī)作業(yè)時，鉆架可與車體固定，提高鉆架剛性，保證鉆機(jī)工作穩(wěn)定性。

4 系列鉆機(jī)適合的工藝方式

該系列鉆機(jī)由于其動力頭通徑、速度、扭矩等特性，其適合的主要鉆進(jìn)工藝方式是空氣潛孔錘正反循環(huán)鉆進(jìn)。

淺層較硬地層采用正循環(huán)方式；用于水井、工程孔的鉆進(jìn)。

中深孔鉆孔采用氣舉、泡沫反循環(huán)方式；用于水井孔的鉆進(jìn)。

淺中孔的貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)，用于地質(zhì)反循環(huán)取樣鉆進(jìn)。

對于破碎、礫石復(fù)雜地層采用空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)方式，以解決鉆進(jìn)難題。

在不適合空氣潛孔鉆進(jìn)的地層，配套泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)，在合適的地層，可進(jìn)行泥漿正反循環(huán)鉆進(jìn)。

5 結(jié)論

從以上介紹可以看到該系列鉆機(jī)從結(jié)構(gòu)、功能、效率、工藝等方面都具有一定的優(yōu)勢，是近幾年我國水井鉆機(jī)又一進(jìn)步。使水井鉆機(jī)形式從過去單一的轉(zhuǎn)盤、卷揚(yáng)形式，又增加全液壓長行程動力頭連續(xù)給進(jìn)鉆進(jìn)方式的設(shè)備。設(shè)備的長行程、大功率的空氣潛孔鉆進(jìn)，大大提高了設(shè)備的鉆進(jìn)效率；全液壓操控方式，大大減輕勞動強(qiáng)度，設(shè)計(jì)上考慮到主要零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)化，使其制造成本控制在合理的范圍內(nèi)，滿足大部分用戶的使用要求，因此是一款適合國情，滿足多種鉆進(jìn)方式的優(yōu)選設(shè)備。