劉 珂， 王圣君， 楊東河， 薛 磊

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014)

1 概述

在環(huán)境治理、城市勘察施工、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等項目中，鉆探工程孔分布較散，孔位也較多，尤其是市政道路勘察中，孔距較遠，使用傳統(tǒng)的滑橇式工勘鉆機搬遷困難、搭建鉆塔費事，再加上單孔施工時間較短，搬遷輔助時間占用了較大比例，施工效率不高，機臺全要素生產(chǎn)率極低。為更好地解決施工中存在的問題，縮短工地轉(zhuǎn)場時間，提高施工效率，保證施工質(zhì)量，需要專門研制履帶式工勘鉆機，實現(xiàn)鉆機自行移動，鉆塔自行起落，泥漿泵和鉆具隨鉆一同到位，提高鉆機單機獨立作業(yè)能力。

根據(jù)鉆機研制的目的任務(wù)，確定鉆機技術(shù)方案如下：

(1)履帶行走裝置選用液壓馬達驅(qū)動鋼履帶底盤；

(2)主機選用柴油機驅(qū)動立軸式工勘鉆機；

(3)鉆機鉆塔采用門式兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)，液壓起落；

(4)鉆機液壓動力源采用柴油機驅(qū)動，鉆機行走、就位時驅(qū)動液壓系統(tǒng)，工作時驅(qū)動泥漿泵；

(5)鉆機行走設(shè)置快速及慢速兩擋速度，采用遙控操作，確保行走作業(yè)安全。

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院根據(jù)以上要求，專門研制了GJ- 240L型履帶式工勘鉆機。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機整體結(jié)構(gòu)

2 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機技術(shù)參數(shù)

鉆孔深度：240 m(?91 mm口徑)

回轉(zhuǎn)速度：43～612 r/min

給進行程：460 mm

最大扭矩：2960 N·m

給進力：27 kN

提升力：36 kN

卷揚機最大提升力：20 kN

立軸鉆機功率：20 kW(柴油機)

鉆機動力機組功率：20 kW(柴油機)

液壓系統(tǒng)額定壓力：20 MPa

泥漿泵：BW250型

履帶接地比壓：0.055 MPa

行走速度：一擋0.57 km/h，二擋1.5 km/h

外形尺寸(長×寬×高)：5470 mm×2100 mm×2650 mm

鉆機質(zhì)量：6 t

3 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機結(jié)構(gòu)及特點

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機主要由工勘主機、鉆塔、底盤、履帶底盤、鉆機動力機組、泥漿泵、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、隨機附件等部分組成(參見圖1)。

3.1 工勘主機

工勘主機選用GJ- 240型工勘鉆機配套，滿足鉆機移動方便的要求，選擇柴油機動力配置。在不改動原機動力配置及其他性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，為進一步優(yōu)化鉆機性能，增加修改了一些附屬設(shè)計，如：卷揚機鋼絲繩導向滑輪組、電啟動柴油機裝置等。卷揚機鋼絲繩導向滑輪可杜絕鋼絲繩擠進卷筒側(cè)邊，消除安全隱患。

3.2 鉆塔

按照鉆機設(shè)計目的，本著搭建鉆塔方便快捷、在滿足有效鉆塔高度的基礎(chǔ)上減小運輸尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、負載大的要求。設(shè)計了可以液壓油缸起落、上下兩節(jié)伸縮形式的門式鉆塔(見圖2)。

圖2 可伸縮式鉆塔

鉆塔主要由天車、上塔、主塔、塔座等部件組成。為使鉆塔工作時穩(wěn)定、起下鉆具時不易晃動，在設(shè)計時采用以下3種解決方式：(1)采用塔座與鉆機底盤一體結(jié)構(gòu)，塔座采用矩形方管焊接，下部直接焊接在鉆機底盤上；(2)工作時主塔和塔座螺栓緊固，主塔在液壓油缸控制下豎直于塔座后，通過螺栓將兩者緊固，提高鉆塔整體穩(wěn)定性；(3)油缸輔助塔撐作用，油缸活塞到位后，靠平衡閥背壓作用自動鎖止，鉆塔、底盤與油缸形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

為縮小鉆機運輸尺寸，同時滿足鉆塔有效高度，設(shè)計了兩節(jié)伸縮結(jié)構(gòu)的鉆塔，通過鋼絲繩滑輪機構(gòu)實現(xiàn)上塔和主塔之間的伸縮，節(jié)省了人力，完全伸出或完全收起后通過4個銷軸固定，保證鉆塔整體性。鉆塔高8.4 m，有效高度6 m。

天車配置了2個滑輪組，在鉆機鉆進和移位時，保證鋼絲繩受力合理，提高鋼絲繩使用壽命。

3.3 底盤

底盤上部主要安裝鉆塔、主機、動力機組、泥漿泵、液壓系統(tǒng)等部件，下部連接履帶底盤。為增強底盤抗撓曲變形能力，底盤左右兩側(cè)設(shè)計兩組共4根18號槽鋼對焊作為縱梁，將鉆塔、主機、履帶底盤等主要施力部件連接點作用在縱梁上，底盤受力均衡。

為滿足鉆機多工藝施工的要求，底盤設(shè)計雙層孔口裝置，工勘施工時使用?100 mm孔口；在進行給水孔、基礎(chǔ)工程等大口徑施工時，使用下層孔口，最大通徑600 mm。

底盤四角設(shè)計了4個液壓油缸支腿，通過調(diào)節(jié)4個支腿高度可以調(diào)節(jié)鉆塔的垂直度，整個鉆機質(zhì)量通過4個支腿承載，也增加了鉆機的穩(wěn)定性。

3.4 履帶底盤

鋼制履帶底盤特有的通過性好、穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點可以提高工程機械設(shè)備爬坡越野性能，因此，采用鋼制履帶底盤解決鉆機自行移動問題，能夠滿足鉆機機動性和場地適應(yīng)性。

履帶底盤是鉆機的主要承載基礎(chǔ)，要有足夠的強度，又要運行可靠，容易維修。履帶行走裝置由驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、張緊裝置、H架、液壓馬達等部件組成。通過控制左右兩側(cè)馬達前后轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)鉆機前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎、原地轉(zhuǎn)彎的功能。

3.4.1 履帶底盤初選

經(jīng)初步理論計算，鉆機質(zhì)量約為5.7 t，據(jù)此，選型時選擇6 t的履帶底盤，據(jù)廠家樣本該型履帶底盤驅(qū)動馬達最小排量qMmin=1.219 L/r，最大排量qMmax=1.874 L/r，驅(qū)動輪節(jié)圓直徑377 mm。

3.4.2 鉆機行駛速度計算

根據(jù)設(shè)計要求，鉆機低速擋速度不宜過快，控制在0.5 km/h左右，同時考慮到鉆機功率匹配適宜，燃料消耗水平低的要求，初步選擇排量20 mL/r的小齒輪泵作為鉆機基本功能及低速行走的動力源。根據(jù)下式驗算鉆機的行駛速度。

式中：V——鉆機行走速度，km/h；D——泵排量，20 mL/r；n——驅(qū)動泵的動力機轉(zhuǎn)速，1000 r/min；qMmax——履帶馬達最大排量，1.874 L/r；I——馬達傳動比，取值1；R——驅(qū)動輪節(jié)圓直徑，377 mm。

計算得：V=0.57 km/h。根據(jù)計算所選液壓泵可以滿足鉆機行駛速度的要求。

3.4.3 履帶行走牽引力計算

履帶行走時，在爬坡工況下所需的牽引力最大，我們以爬坡工況計算履帶行走牽引力。該牽引力FT需克服坡度阻力Fs、履帶運行內(nèi)阻力Fn、土壤變形阻力Fd、風載阻力FW、慣性阻力Fi。

其中坡度阻力：

Fs=M×9.8×sin(δπ/180)=29386 N

式中：M——鉆機質(zhì)量，取值6000 kg；δ——爬坡能力，取值25°。

土壤變形阻力：

Fd=(M×9.8/10)=5880 N

慣性阻力：

Fi=0.015×M×9.8=882 N

查選型手冊，履帶運行內(nèi)阻力Fn=7600 N，風載阻力FW=1500 N。

則30°爬坡工況下，履帶行走牽引力FT=Fd+Fs+Fw+Fi+Fn=45248 N，液壓馬達輸出扭矩大于該值則鉆機可以爬坡。

3.4.4 功率計算

根據(jù)30°爬坡工況下，履帶行走牽引力計算驅(qū)動履帶馬達的液壓泵需要達到的最小壓力p可按下式進行計算：

式中：η——液壓馬達機械效率，取0.85。

鉆機30°爬坡工況下所需功率P：

經(jīng)上述計算驗證，該6 t履帶底盤及選配的20 mL/r液壓泵可以滿足鉆機行駛速度、牽引能力等設(shè)計使用要求。

3.5 鉆機動力機組

為滿足鉆機自行移動的要求，鉆機動力機組選用柴油機動力配置。動力機組為鉆機液壓系統(tǒng)、泥漿泵提供動力(見圖3)。液壓系統(tǒng)主要有鉆塔起落、履帶行走、底盤支腿3種功能，這幾種功能均是鉆機移機運輸?shù)裙r下使用，這些功能與泥漿泵的使用互不沖突，因此動力機組功率計算以滿足液壓系統(tǒng)和泥漿泵兩者最大功率為準。通過計算最大負荷工況下履帶底盤理論功率為9.7 kW，泥漿泵功率為12 kW，考慮柴油機功率轉(zhuǎn)速曲線及功率因數(shù)，選用最大功率20 kW的柴油機。

圖3 動力機組

柴油機飛輪端固定皮帶輪，皮帶輪端通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動液壓泵組，皮帶輪用來驅(qū)動泥漿泵和發(fā)電機。柴油機啟動后，液壓泵組和泥漿泵帶輪同時運轉(zhuǎn)，通過結(jié)合離合器手柄即可開啟泥漿泵。由于液壓系統(tǒng)無工作時壓力為0，功率消耗非常小，不影響泥漿泵的工作。液壓系統(tǒng)工作時，泥漿泵離合松開，皮帶輪空轉(zhuǎn)，同樣不影響液壓系統(tǒng)的正常工作。

發(fā)電機為蓄電池充電的同時提供鉆機電氣系統(tǒng)的電能。

3.6 液壓系統(tǒng)

鉆機液壓系統(tǒng)(見圖4)主要滿足鉆塔起落、底盤調(diào)平、履帶行走3個功能。履帶行走需要滿足左右兩側(cè)履帶分別能實現(xiàn)前后行走功能，履帶行走速度設(shè)置兩擋速度，遠距離行走時使用快速擋，近距離移位、爬坡等工況下使用低速擋。根據(jù)以上設(shè)計要求，液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵配置，排量較大的主泵僅在遠距離行走時開啟使用，排量相對小的副泵作為日常工作使用泵，不設(shè)計單獨控制的開關(guān)。

圖4液壓系統(tǒng)

在主油路設(shè)計上主要將系統(tǒng)分成兩個功能組，一個是履帶行走功能，另一個就是支腿和鉆塔起落功能。兩個功能組互不影響。操作履帶行走功能時，支腿功能切斷。主油路安裝兩位的電磁閥，出口分別接液壓系統(tǒng)的兩個功能組。履帶行走馬達通過電磁閥控制，在接通任意履帶電磁閥時同時接通主油路的兩位電磁閥，實現(xiàn)通電時油路僅通向履帶行走功能區(qū)。同樣，主油路電磁閥不通電時(不觸按履帶行走按鈕)，油路通向支腿油缸功能區(qū)。通過電磁閥控制了鉆機功能使用的安全性，防止在行走時伸縮支腿油缸，造成鉆機接近角減小碰壞支腿油缸，或避免行走時進行起落鉆塔等危險操作。

履帶行走采用遙控操作，電磁閥組實現(xiàn)左右履帶兩個方向的油路控制，鉆塔起落及4個底盤調(diào)平支腿升降采用手控液壓閥控制。

整機液壓系統(tǒng)設(shè)計安全閥及調(diào)整系統(tǒng)壓力的溢流閥。為保證鉆塔起落安全性，保證其在起塔或落塔過程中動作均勻無沖擊，起塔油缸安裝平衡閥。

為使鉆機工作時穩(wěn)固，支腿油缸設(shè)計雙向液壓鎖鎖緊回路，該回路可使液壓油缸在任意位置鎖止。油缸就位后操作換向閥手柄回到中位，油缸的液控單向閥關(guān)閉，油缸兩個油腔封閉，油缸則鎖止。油缸需要移動時，操作換向閥手柄，在油壓作用下，液控單向閥打開，油缸兩腔油液可以流動，油缸實現(xiàn)伸縮功能。

液壓油使用32號低凝抗磨液壓油，油箱內(nèi)有回油過濾器和吸油過濾器，用以過濾液壓油中的雜質(zhì)。

3.7 其他部件

鉆機電氣系統(tǒng)主要由蓄電池組、發(fā)電機、控制柜等組成。鉆機配置鉆桿架、工具箱等其他附屬裝置。

4 試驗情況

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機樣機試制完成后，在山西呂梁某鋁土礦工地進行了生產(chǎn)試驗，17 d時間，施工深度為80 m的鉆孔3個。試驗期間主要驗證鉆機轉(zhuǎn)場效率、履帶行走裝置通過性、鉆塔起落底盤調(diào)平等功能。

該礦區(qū)地表碎石、坑洼較多，鉆機履帶正常行走時泵壓平均在5 MPa，在通過坑洼碎石地面時，瞬時壓力可達11 MPa，鉆機順利通過，履帶底盤驅(qū)動力滿足野外工況下的鉆機行走需要，通過性良好。

我們以該工地沒有履帶行走裝置的普通工勘鉆機(以下簡稱普通鉆機)為例，對比了兩種鉆機轉(zhuǎn)場施工效率情況。

普通鉆機采用人工現(xiàn)場搭建的鉆塔，塔高9 m。從第一個孔就位開始統(tǒng)計，由于兩鉆機鉆進機械部分相同，地層情況也相近，同樣設(shè)計80 m深的鉆孔，12 h/d的工作時間，兩鉆機進度相似，普通鉆機用時63.5 h，GJ- 240L型鉆機用時65.5 h。終孔后需要轉(zhuǎn)場時，我們將兩臺鉆機轉(zhuǎn)場時每個步驟用時分別進行記錄，并制作了表格進行統(tǒng)計(見表1)。

表1 GJ- 240L型履帶式工勘鉆機同普通鉆機移機時間對比

經(jīng)過統(tǒng)計，普通鉆機移機用時9.5 h，GJ- 240L型鉆機僅用1 h。經(jīng)過一個月時間使用統(tǒng)計，GJ- 240L型鉆機施工6個孔用時383 h，普通鉆機此時剛施工第6個孔至3.7 m。在該工地，GJ- 240L型鉆機比普通鉆機一個月幾乎多施工一個鉆孔。使用GJ- 240L型履帶式工勘鉆機，轉(zhuǎn)場移孔時鉆機自行移動，泥漿泵和鉆具隨鉆機移動，鉆塔在油缸作用下豎直固定，安裝就位方便，移孔時間縮減了約8.5 h，若孔距>1 km，轉(zhuǎn)場效率優(yōu)勢將更顯著。

5 結(jié)語

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機可以履帶行走、鉆塔安裝就位方便、隨機自帶泥漿泵幾個優(yōu)點解決了普通工勘鉆機難以移動，移孔安裝就位繁瑣等難題，提高了機臺全要素生產(chǎn)率。

GJ- 240L型履帶式工勘鉆機將機械、液壓、電氣高度一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、動力大、操作簡單輕巧、液壓系統(tǒng)設(shè)計簡潔高效、整機故障率低等優(yōu)點，施工配套齊全，是移動的機臺，對環(huán)境破壞小，是一款綠色高效的新型鉆機產(chǎn)品?？梢詮V泛用于冶金、地質(zhì)探礦、水力、水電、建筑、鐵路、橋梁、公路、隧道及其他基礎(chǔ)性建設(shè)等領(lǐng)域，滿足基礎(chǔ)工程勘察，水井鉆進，監(jiān)測檢測孔、探礦等多種工藝的施工要求，實現(xiàn)一機多用，施工領(lǐng)域廣泛。

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