高玉林，張新，姚堅毅，王瑜，孫懿琨

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083；3.中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇常熟 215557；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100010)

0 前言

全球環(huán)境日益惡化，人類的生存與發(fā)展條件受到了很大影響，包括我國在內(nèi)的世界多個國家陸續(xù)出臺了相關(guān)政策進(jìn)行環(huán)境治理。我國土壤和地下水污染嚴(yán)重，土壤、地下水污染防治工作起步較晚，工作基礎(chǔ)薄弱，土壤污染防治體系尚未形成，技術(shù)及裝備較為缺乏，高效鉆進(jìn)、高質(zhì)量取樣一直是我國污染土勘察的主要難題之一。

準(zhǔn)確的污染場地調(diào)查是進(jìn)行環(huán)境修復(fù)的前提條件。當(dāng)前土壤、地下水鉆探取樣主要有回轉(zhuǎn)取樣、振動取樣和直推式取樣3種形式。與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式相比，全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，遇到地層阻力較小時，給進(jìn)油缸產(chǎn)生靜壓力推動動力頭沿滑軌向下運動，推動取樣裝置無回轉(zhuǎn)地進(jìn)入地層；當(dāng)?shù)貙幼枇^大或者無法靜壓進(jìn)尺時，動力頭產(chǎn)生沖擊力，配合靜壓入土的方式快速鉆進(jìn)取樣。鉆機(jī)取樣鉆進(jìn)采用直推和沖擊的方式剪切地層取樣，具有成本低、取心率高、鉆進(jìn)速度快、對樣品無擾動及無泥漿液循環(huán)的特點，是淺層土壤地層取樣的有效方法。

目前國內(nèi)環(huán)境取樣鉆機(jī)功能單一，回轉(zhuǎn)扭矩小，難以滿足取樣和水井建井監(jiān)測的需求；機(jī)器笨重造成運輸不便、轉(zhuǎn)場效率低；鉆進(jìn)能力不足，造成取樣深度淺，特別是較硬地層鉆進(jìn)能力差。針對當(dāng)前國內(nèi)污染場地的特點，課題組設(shè)計了一種中型回轉(zhuǎn)-直推式環(huán)保鉆機(jī)，既可以滿足土壤地層直推沖擊式快速取樣的需求，也可以大扭矩回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行建井監(jiān)測，可同時完成直推沖擊、直推-回轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)等工藝，是一種綜合式環(huán)保取樣鉆機(jī)。直推式低頻環(huán)保取樣鉆機(jī)采用沖擊、回轉(zhuǎn)一體式動力頭，結(jié)構(gòu)緊湊，易操作，采樣質(zhì)量、工作效率高，能夠滿足不同復(fù)雜地層的取樣需求，并在污染場地調(diào)查中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 鉆機(jī)主機(jī)設(shè)計

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)主要由沖擊回轉(zhuǎn)動力頭、機(jī)架集成系統(tǒng)、集成式操作臺、履帶底盤系統(tǒng)、推鏟拖架系統(tǒng)、柴油機(jī)動力系統(tǒng)、吊車桅桿系統(tǒng)等組成，如圖1所示。鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，操控可視化，是集智能化、模塊化、輕便化于一體的技術(shù)集成，能夠滿足國內(nèi)土壤環(huán)境調(diào)查日益嚴(yán)格的技術(shù)要求以及業(yè)務(wù)增長需求。鉆機(jī)的主要參數(shù)見表1。

圖1 直推式低頻液壓環(huán)保取樣鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 鉆機(jī)的主要參數(shù)

1.1 機(jī)架集成系統(tǒng)

機(jī)架集成系統(tǒng)主要由機(jī)架升降系統(tǒng)、液壓絞車、主油缸、動力頭滑動座板等零部件組成，機(jī)架集成系統(tǒng)的作用是調(diào)整機(jī)架坐落位置、實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的上下平移和起拔鉆桿。由液壓系統(tǒng)提供高壓油驅(qū)動主油缸，主油缸與動力頭滑動座板固定在一起，驅(qū)動動力頭滑動底座沿機(jī)架滑軌上、下平移，保證鉆孔筆直，進(jìn)而實現(xiàn)動力頭的起拔、給進(jìn)，動力頭滑移行程2 000 m，主油缸起拔力為171 kN，給進(jìn)力為115 kN。由液壓系統(tǒng)提供高壓油給小油缸，推動機(jī)架升降組件使得機(jī)架底部著地；也可推動無齒旋轉(zhuǎn)軸承左右旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)架集成系統(tǒng)能夠左右旋轉(zhuǎn)15°。配合液壓絞車、滑輪架以及鉆桿夾持器提拔取樣鉆桿使得取樣操作快捷，工作效率高，液壓絞車的拉力為10 780 N，機(jī)架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)架集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 履帶底盤系統(tǒng)

履帶底盤系統(tǒng)主要由橡膠履帶和矩形鋼管焊接而成的底盤組成，由于全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)整機(jī)質(zhì)量在4.5 t左右，作業(yè)場地主要為固定位置，對行走速度要求不高，但為運輸方便，整機(jī)質(zhì)量越輕越好，因此此設(shè)備選用橡膠形式履帶底盤，軸距1 700 mm，帶寬300 mm，爬坡能力不超過20°，行走速度為0～4 km/h,接地比壓為0.04 MPa。底盤由柴油機(jī)托架、液壓油箱托架、機(jī)架滑動架托架和履帶等通過矩形鋼管組焊而成；集成式操作臺位于底盤前端，實現(xiàn)取樣操作過程中整機(jī)的可視性；系統(tǒng)動力源布局在整機(jī)中心位置，確保液壓系統(tǒng)管路長度的最短化和實現(xiàn)設(shè)備效率的最優(yōu)化；設(shè)備工作時會產(chǎn)生較大的有害振動，將泵等核心組件遠(yuǎn)離振動源，保證設(shè)備運行時的可靠性。底盤整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，運行穩(wěn)定。履帶底盤系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 履帶底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 柴油機(jī)動力系統(tǒng)

柴油機(jī)動力系統(tǒng)是鉆機(jī)最核心的動力源，柴油機(jī)選用康明斯QSB3.9-C110-30，配備三合一冷卻器。該柴油機(jī)的額定功率為81 kW，最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。液壓系統(tǒng)的液壓泵采用帶有負(fù)載敏感的壓力補(bǔ)償控制變量泵，同時液壓泵上還配備有恒功率控制和壓力切斷功能，可以更好地保護(hù)整個液壓系統(tǒng)，滿足鉆機(jī)整體的動力供應(yīng)。

1.4 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)采用單泵多執(zhí)行負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，在工作時馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和沖擊錘的沖擊速度、沖擊力可隨地層的變化、工藝的要求實時調(diào)節(jié)，所設(shè)計的液壓回路符合壓力自適應(yīng)、速度可調(diào)性的性能要求。鉆機(jī)的液壓原理如圖4所示。

圖4 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理

2 直推沖擊動力頭設(shè)計

2.1 動力頭設(shè)計結(jié)構(gòu)與工作原理

沖擊回轉(zhuǎn)動力頭是環(huán)保取樣鉆機(jī)的核心部件，主要由沖擊錘、擺線馬達(dá)、沖擊釬桿、主齒輪軸和馬達(dá)齒輪軸組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及實物分別如圖5、圖6所示。3個2K-395擺線馬達(dá)通過3個馬達(dá)齒輪軸帶動主齒輪減速旋轉(zhuǎn)，主齒輪再帶動動力頭底部的鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，液壓系統(tǒng)提供高壓油使得動力頭上部沖擊錘錘芯不斷沖擊釬桿，將沖擊力傳遞給取樣鉆具，從而能夠快速鉆取擾動小、無污染的圓柱狀土樣。動力頭沖擊、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上下一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，取樣效率高，同時具備沖擊與回轉(zhuǎn)功能。由于鉆進(jìn)工藝需要低轉(zhuǎn)速、大扭矩，所以動力頭設(shè)計的最大輸出扭矩為7 500 N·m，轉(zhuǎn)速0～110 r/min，液壓沖擊錘的沖擊頻率為5～40 Hz，充氣室內(nèi)的充氮壓力為1.6 MPa，沖擊功為550 J。

圖5 沖擊回轉(zhuǎn)動力頭設(shè)計圖

圖6 沖擊回轉(zhuǎn)動力頭

2.2 動力頭核心部件仿真分析

釬桿是沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的核心部件，動力頭所提供的沖擊、回轉(zhuǎn)功能都經(jīng)過釬桿傳遞給取樣鉆具，因此釬桿既受液壓沖擊錘錘芯的沖擊力，還受到3個擺線馬達(dá)施加的扭矩，因此釬桿對沖擊回轉(zhuǎn)動力頭的平穩(wěn)運行起到關(guān)鍵性的作用。

釬桿的材料選用42CrMo，釬桿所受的載荷約束在釬桿的六方連接處(與主齒輪連接)，負(fù)載按動力頭最大輸出扭矩7 500 N·m加載，作為反力矩加載在釬頭處。通過ANSYS對釬桿進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7所示：釬桿所受的最大應(yīng)力為765.5 MPa，為局部應(yīng)力集中，整體應(yīng)力在600 MPa以下；最大位移約為0.34 mm。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》可知，釬桿的許用應(yīng)力為930 MPa，釬桿滿足使用的強(qiáng)度與剛度要求。

圖7 釬桿仿真分析云圖

圖8 錘芯沖擊釬桿網(wǎng)格劃分(a)與等效應(yīng)力云圖(b)

3 現(xiàn)場取樣實驗研究

3.1 直推式取樣鉆具設(shè)計

直推式取樣鉆具主要由取樣鉆頭、取樣透明管、沖擊鉆桿和卡爪等零件組成。取樣鉆頭為60 mm的硬質(zhì)合金鉆頭，取樣透明管為長度1 500 mm的PVC管，取出土壤樣品直徑為32 mm，沖擊鉆桿直徑為57 mm，鉆桿之間為絲扣連接。通過沖擊回轉(zhuǎn)一體式動力頭和機(jī)架主油缸的沖擊力和直推力將取樣鉆具推入土層取樣，整個鉆進(jìn)過程中無需鉆具回轉(zhuǎn)、泥漿液，保證了取出原狀土樣的完整性和連續(xù)性。

土壤取樣鉆具是為了采集連續(xù)的土芯，采樣既可以從地表開始，也可以從地面以下預(yù)定深度開始。直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。當(dāng)從地表開始取樣時，應(yīng)該使用帶卡爪的取樣透明管收集第一個土芯，通過小吊拉住取樣桿提頭將土壤樣品從沖擊鉆桿內(nèi)鉆具取出，如圖9(b)所示，然后拆除第一根取樣透明管和土芯后，在取樣管接頭的末端插入新的取樣透明管，并用沉頭螺釘固定，相應(yīng)地再增加一節(jié)沖擊鉆桿和取樣鉆桿，在動力頭的沖擊下整個鉆具繼續(xù)向下推進(jìn)，土樣相繼進(jìn)入透明的PVC管內(nèi)，然后將填滿的取樣透明管從沖擊鉆桿中取出，以回收第二個土芯，整個采樣間隔內(nèi)重復(fù)上述過程。從地表開始取樣的鉆具如圖9(a)所示，當(dāng)從地表以下某一深度取樣時就需要在取樣鉆頭上安裝超前鉆頭，鉆機(jī)推進(jìn)，到達(dá)指定深度后取出超前鉆頭，換上卡爪再繼續(xù)鉆進(jìn)。

圖9 直推式取樣鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 現(xiàn)場實驗

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)于2021年12月1日在天津市河西區(qū)郁江道(陳塘科技商務(wù)區(qū))7號地塊對現(xiàn)場進(jìn)行污染土取樣工作。7號地塊東至崇巖東路，南至東江道，西至內(nèi)江路，北至怒江道，總面積63 491.8 m，天津丹明化工有限公司等多家化工企業(yè)在此安廠，為保障地塊安全利用，需要進(jìn)行取樣調(diào)查與風(fēng)險評估，明確后期是否需要開展修復(fù)治理工作。

鉆機(jī)在2021年12月1日共取樣兩處點位，取樣深度分別為4.5 m和13.5 m。根據(jù)現(xiàn)場污染土的取樣要求，取樣深度要求為16 m即可。為了驗證設(shè)計的直推式環(huán)保取樣鉆機(jī)的取樣深度大于30 m的能力，在2021年12月2日進(jìn)行了30 m以上的取樣試驗，取樣深度為31.5 m，鉆進(jìn)深度為32 m。鉆機(jī)現(xiàn)場取樣施工和土壤樣品分別如圖10、圖11所示。

圖10 鉆機(jī)現(xiàn)場取樣

圖11 土壤取樣樣品

表2所示為2021年12月2日現(xiàn)場施工過程中32 m深度時鉆機(jī)和取樣的各項參數(shù)。

表2 取樣32 m數(shù)據(jù)記錄

從三次取樣情況看，全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)具備取樣深度30 m的能力，取出的土樣擾動小、無污染、取樣效率高，鉆機(jī)的最快鉆進(jìn)速度也達(dá)到了3 m/min以上，現(xiàn)場實驗效果良好。

4 結(jié)論

全液壓直推式土壤取樣鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊湊，發(fā)動機(jī)、液壓泵、動力頭等關(guān)鍵元件除性能可靠、質(zhì)量過硬外，更有匹配的自適應(yīng)負(fù)載液壓調(diào)節(jié)及油路系統(tǒng)，保證鉆機(jī)整體各元件協(xié)調(diào)工作。鉆機(jī)前后質(zhì)量分布合理、重心位置合理，能適應(yīng)惡劣的場地工作條件。沖擊回轉(zhuǎn)一體式動力頭配備相應(yīng)的鉆具和鉆探工藝，使得鉆機(jī)有較強(qiáng)的地層適應(yīng)性，能在沉積層、砂層及堅硬地層鉆探取樣。鉆機(jī)整體技術(shù)特點概括如下：

(1)沖擊回轉(zhuǎn)一體式的多功能沖旋機(jī)構(gòu)

該部分包括機(jī)架、油缸、回轉(zhuǎn)軸承、動力頭以及各類傳感器等。將回轉(zhuǎn)功能和沖擊功能集成在一個動力頭上，形成回轉(zhuǎn)、沖擊一體式動力頭，在切換沖擊和回轉(zhuǎn)功能時無需更換動力頭；通過機(jī)架傾倒和搖擺可實現(xiàn)鉆機(jī)角度的調(diào)節(jié)；通過配備的傳感器和自動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)角度自動調(diào)節(jié)和自動鉆進(jìn)功能。沖旋機(jī)構(gòu)動力頭最大輸出扭矩達(dá)7 500 N·m，最大鉆進(jìn)速度達(dá)3 m/min，通過搖擺和傾倒調(diào)節(jié)，并配合傾斜度傳感器，垂直度可控制在1%以內(nèi)。

(2)自適應(yīng)液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)采用單泵多執(zhí)行器負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)流量-壓力的動態(tài)調(diào)整，借鑒負(fù)載敏感技術(shù)原理，實現(xiàn)直推式液壓鉆機(jī)電液比例液壓系統(tǒng)設(shè)計；通過負(fù)載敏感閥和比例泵控制原理實現(xiàn)鉆機(jī)不同地質(zhì)、不同深度下的鉆機(jī)速度和鉆機(jī)沖擊力的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能，并減少發(fā)熱的工效。

(3)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

通過配備的各類傳感器，實現(xiàn)系統(tǒng)對整個設(shè)備的監(jiān)控，在施工過程中可實時采集相關(guān)施工數(shù)據(jù)，對設(shè)備超限情況進(jìn)行報警，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備的安全使用。