摘 要：由于對(duì)深層礦產(chǎn)資源探索的需求日益提高，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)鉆探工程的研究。作為鉆探工程核心設(shè)備的巖心鉆機(jī)，近些年來(lái)也逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。本文通過(guò)分析巖心鉆機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用環(huán)境，說(shuō)明了巖心鉆機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的必要性，并重點(diǎn)分析了巖心鉆機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，主要從設(shè)計(jì)要求、參數(shù)選擇、主塔設(shè)計(jì)和有限元分析四個(gè)方面進(jìn)行了探討，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：巖心鉆機(jī)；輕量化設(shè)計(jì)；有限元分析

引言

礦產(chǎn)是人類生產(chǎn)生活必不可少的資源，為人類的生存和持續(xù)發(fā)展提供了重要的物質(zhì)保證，而衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展后勁是否足的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是礦產(chǎn)資源是否豐富。上世紀(jì)末，我國(guó)淺層礦產(chǎn)資源得到充分開(kāi)發(fā)，GDP因此得到了快速增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)狀況得到極大改善[1]。然而，伴隨著越來(lái)越高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和越來(lái)越大的人口增長(zhǎng)壓力，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展所呈現(xiàn)出的矛盾也越來(lái)越深刻。

1. 巖心鉆機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的必要性

鉆探工程是確定礦體儲(chǔ)量和品位、分析地質(zhì)情況、開(kāi)發(fā)油氣田、設(shè)置水文水井等施工的一種重要方法。巖心鉆機(jī)又是這項(xiàng)工程中最為重要的一項(xiàng)裝備。鉆機(jī)是一種帶動(dòng)鉆具的機(jī)械設(shè)備，能夠從地下取出巖心、氣樣、液樣等實(shí)物，讓人們能借此分析出地質(zhì)及礦產(chǎn)資源情況[2]。我國(guó)現(xiàn)有已探明資源已經(jīng)相對(duì)較少，在這種情況下，探礦行業(yè)得以快速發(fā)展，而巖心鉆機(jī)的隨之需求大增。目前，在固體礦產(chǎn)開(kāi)采中，國(guó)外的開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)2000米[3]。近些年來(lái)，我國(guó)礦產(chǎn)的開(kāi)采力度持續(xù)增強(qiáng)，淺層礦產(chǎn)的儲(chǔ)量已經(jīng)明顯下降，很難滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)。當(dāng)前，我國(guó)的巖心鉆探設(shè)備主要存在的問(wèn)題是鉆體質(zhì)量大，體積大，難以進(jìn)行搬遷，非常不適合在丘陵地區(qū)或者山區(qū)進(jìn)行使用。因此，在這種形式下，新型輕量化的巖心鉆機(jī)設(shè)計(jì)就成了巖心鉆機(jī)的發(fā)展方向。

2. 巖心鉆機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)

2.1 輕量化設(shè)計(jì)要求

對(duì)于1000米以上的巖心鉆機(jī)，首先要求其結(jié)構(gòu)緊湊、具有較好的可拆卸性，另外最好能使用模塊化設(shè)計(jì)方案。鉆機(jī)還應(yīng)該具有較強(qiáng)的剛度、強(qiáng)度、抗震性，這樣才能承受住鉆探施工過(guò)程中的沖擊和反作用力。其次，鉆機(jī)的傳動(dòng)應(yīng)該平穩(wěn)，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速檔位應(yīng)當(dāng)合理。再次，鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩還要足夠大，提升力滿足使用要求，還應(yīng)該有一定的應(yīng)對(duì)孔內(nèi)事故的能力。最后，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)配件，減少制作和生產(chǎn)時(shí)間，也便于進(jìn)行維修和保養(yǎng)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

設(shè)計(jì)參數(shù)選擇是否合理直接決定了巖心鉆機(jī)的性能。設(shè)計(jì)參數(shù)包括：整機(jī)重量，立軸行程、轉(zhuǎn)速和內(nèi)徑以及最大扭矩，立軸極限提升力和極限壓力，卷?yè)P(yáng)機(jī)極限速度和極限起重量，鉆孔傾角等。鉆進(jìn)孔深的確定主要是參考鉆機(jī)的用途，另外也需要參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)中對(duì)鉆孔深度的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般情況下，鉆進(jìn)孔深應(yīng)用較多的是1000米以上。鉆孔直徑包括開(kāi)孔和終孔兩個(gè)方面，它的范圍因孔深不同而變化，孔深越大，孔徑范圍也相應(yīng)的越大。鉆桿直徑是指孔道鉆進(jìn)時(shí)鉆桿的外徑，這個(gè)參數(shù)直接對(duì)回轉(zhuǎn)器的能力和升降機(jī)的尺寸產(chǎn)生影響。鉆桿直徑的選擇與孔徑和孔深都有關(guān)系，當(dāng)鉆桿小孔徑 大時(shí)，鉆桿容易發(fā)生孔內(nèi)彎曲，導(dǎo)致工作條件變差，影響鉆孔質(zhì)量也容易發(fā)生事故。鉆孔所能達(dá)到的傾角范圍就是鉆孔傾角，因鉆機(jī)的類型、用途不同而不同?；剞D(zhuǎn)器提供的回轉(zhuǎn)扭矩一般與鉆孔直徑的平方成正比，一般而言，工程扭矩越大則鉆機(jī)鉆進(jìn)能力也越強(qiáng)。升降機(jī)構(gòu)是在發(fā)生孔內(nèi)事故時(shí)的主要處理事故工具，所以其性能對(duì)鉆機(jī)的整體性能有非常大的影響。

2.3 主塔部分設(shè)計(jì)

主塔是組成鉆機(jī)的一項(xiàng)主要部分，深孔施工的狀態(tài)決定了其必須要有超強(qiáng)的承載力，要同時(shí)具備強(qiáng)度和剛度。而且鉆塔還應(yīng)該具備一定高度，這樣才能保證在較少的輔助時(shí)間內(nèi)，起下鉆具有較高的效率。另外，最重要的一點(diǎn)是為了方便在山區(qū)使用，鉆塔結(jié)構(gòu)要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。當(dāng)鉆機(jī)深度超過(guò)1000米時(shí)，設(shè)定提升力，然后根據(jù)主塔的力學(xué)性能情況，選擇材質(zhì)，一般采用鋁合金，焊接形式為5052，能獲得比較優(yōu)異的焊接結(jié)果。然后導(dǎo)軌以45鋼調(diào)制， 采用螺栓固定的方式與主塔連接。

2.4 有限元分析

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，靜力分析作為的工程結(jié)構(gòu)分析手段，一般在求解與時(shí)間關(guān)系不大或無(wú)關(guān)的靜力載荷影響下的響應(yīng)值，從而得到節(jié)點(diǎn)力和位移、單元應(yīng)力和內(nèi)力、約束反力和應(yīng)變能等數(shù)據(jù)，這種分析一般還會(huì)同時(shí)提供重心及重力數(shù)據(jù)。靜力分析有兩種情況，第一種靜力分析是在慣性釋放條件下，根據(jù)結(jié)構(gòu)的慣性作用，計(jì)算得到自由結(jié)構(gòu)在沒(méi)有約束情況下的靜力載荷和在加速度狀態(tài)下的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)。第二種靜力分析是在非線性條件下，借助非線性模塊實(shí)現(xiàn)靜力分析的。在這種分析中，可以同時(shí)將結(jié)構(gòu)的非線性情況考慮在內(nèi)。 主要包括大應(yīng)變、大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何非線性，蠕變、塑性等的材料非線性以及接觸非線性等。

建立有限元模型中的分網(wǎng)格步驟作為一個(gè)重要環(huán)節(jié)，需要將較多問(wèn)題考慮在內(nèi)，因此這部分工作量較大。靜力分析時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形是唯一的計(jì)算要求時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量不必太多。 但是一旦需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，在相同的精度要求條件下，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)該取得較大。 在相同的響應(yīng)計(jì)算中，計(jì)算位移響應(yīng)相比于計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)可以取得少一些。

3. 結(jié)論

由于巖心鉆機(jī)的體積和質(zhì)量大大限制了其使用的靈活性，所以輕量化的設(shè)計(jì)方向成為巖心鉆機(jī)的熱門。本文從輕量化設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、主塔部分設(shè)計(jì)和有限元設(shè)計(jì)四個(gè)方面對(duì)巖心鉆機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討。由于時(shí)間和作者水平限制，本文僅是一次探索，還存在許多不足之處，在后續(xù)的研究和工作中會(huì)繼續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文秀，孟義泉，董向宇，等.YDX—1型輕便巖心鉆機(jī)的研制與應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，42（2）：8～14.

[2] 歐陽(yáng)志強(qiáng)，陳剛，雷統(tǒng)平，等.XD系列電傳動(dòng)頂驅(qū)巖心鉆機(jī)的研制[J]. 地質(zhì)裝備，2017，（8）：11～14.

[3] 高鵬舉，董耀.基于ANSYS Workbench的輕便巖心鉆機(jī)動(dòng)力頭有限元分析[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（9）：20～25.

作者簡(jiǎn)介：

宋康，1992年5月4日，男，漢族，江蘇徐州，本科，助理工程師，工程機(jī)械