沈中華，熊君，臧臣坤，王春蕾，高明帥，薛善忠，孫衛(wèi)娜，沈懷浦，朱江龍

(中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和不斷加快的城鎮(zhèn)化進程，鐵路、公路等基礎(chǔ)工程建設(shè)成為國家大力投資的領(lǐng)域。除此之外，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略實施，涉及資源環(huán)境承載力評估及修復等工程勘察和環(huán)境調(diào)查的鉆探工作量逐年遞增。研制一種適應(yīng)鉆探環(huán)境和鉆探工藝的鉆探機械裝備，對勘察質(zhì)量的提升起決定性作用[1-3]。

機械傳動、立軸式的汽車鉆或落地鉆機是工勘市場普遍應(yīng)用的機型，幾十年中盡管生產(chǎn)廠家和使用者不斷努力去使其更適用于實際施工，但受限于其自身的傳動方式及立軸鉆進模式，無法滿足無擾動、無循環(huán)液的原狀取樣質(zhì)量要求，運移、鉆進及取樣的效率很難提升[4-8]。相對比發(fā)達國家的工程勘察及環(huán)境鉆機絕大多數(shù)為全液壓鉆機或電液傳動與控制鉆機，而國內(nèi)的相關(guān)裝備遠滯后于行業(yè)需求、工業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展水平，表1所述為國內(nèi)外工程鉆機特點對比[9-11]。

表1 國內(nèi)外工程鉆機特點對比

為解決工程勘察與環(huán)境調(diào)查行業(yè)技術(shù)裝備的供需矛盾，中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司推出GDC系列多功能汽車鉆。不同于傳統(tǒng)車載鉆機使用單獨動力驅(qū)動鉆機，GDC系列汽車鉆采用四驅(qū)柴油皮卡/輕卡裝載、全功率斷軸取力、液壓傳動與集中操控，搭載常規(guī)勘察、高速回轉(zhuǎn)、沖擊、沖擊回轉(zhuǎn)、自動標貫及靜力觸探等工藝及功能機構(gòu)，可根據(jù)工程施工自由配置，功能模塊可快速切換，從而實現(xiàn)一機多用，尤其適用于200 m之內(nèi)的快速工程勘察、環(huán)境調(diào)查及淺部找礦領(lǐng)域。該系列鉆機填補了國內(nèi)多功能汽車鉆的空白[12-13]，受到業(yè)內(nèi)專家和用戶的廣泛關(guān)注，如圖1、圖2所示。

圖1 GDC-50多功能皮卡鉆機車

圖2 GDC-100多功能輕卡鉆機車

1 總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

GDC-50型皮卡鉆機車總體結(jié)構(gòu)見圖3，鉆機車采用4驅(qū)95 kW柴油皮卡裝載，全功率斷軸取力器安裝在皮卡車變速箱與分動箱之間，取力器帶液壓泵作為鉆機動力，可實現(xiàn)液壓傳動與控制。鉆機配備高速回轉(zhuǎn)動力頭、低速回轉(zhuǎn)+沖擊動力頭、自動標貫器等功能模塊。

1.皮卡底盤；2.空壓機；3.鉆機平臺；4.操控臺；5.回轉(zhuǎn)沖擊頭；6.給進系統(tǒng)；7.自動標貫器；8.工具卷揚

GDC-100型輕卡鉆機車總體結(jié)構(gòu)見圖4，鉆機車采用4驅(qū)105 kW柴油輕卡裝載，全功率斷軸取力器[14]安裝在輕卡車變速箱與分動箱之間，取力器帶液壓串泵作為鉆機動力，可實現(xiàn)液壓傳動與控制。鉆機配備回轉(zhuǎn)動力頭、低速回轉(zhuǎn)+沖擊動力頭、自動標貫器、靜力觸探等功能模塊，可實現(xiàn)工程勘察、環(huán)境振動+直推取樣等施工工藝，同時具備螺旋建井等水文監(jiān)測井施工能力。

1.夾持器；2.動力頭；3.自動標貫器；4.桅桿；5.工具絞車；6.提鉆絞車；7.輕卡；8.鉆機操作臺；9.泥漿泵

1.2 動力傳動與控制

動力是一切機械的“心臟”，只有充分掌握汽車動力的性能數(shù)據(jù)才能正確進行動力匹配。為使汽車鉆機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性及耐久性得到較佳性能指標，將取力器置于變速箱之后，通過調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速及汽車變速箱擋位實現(xiàn)汽車動力的面工況[15]。鉆機所有動作均為液壓傳動，液壓手柄和電氣元件控制相結(jié)合，與機械傳動相比部件布置更靈活、形體更小、質(zhì)量更小。以GDC-100型輕卡鉆機車的動力傳動路線圖為例，如圖5所示，發(fā)動機通過離合器將動力輸出至汽車變速箱，汽車變速箱通過雙球籠聯(lián)軸器連接斷軸取力器，斷軸取力器為氣控操作，可實現(xiàn)行車不取力、取力不行車。斷軸取力器輸出法蘭連接串聯(lián)液壓泵，分別為鉆機各個功能模塊提供液壓動力。斷軸取力器兩端的“軟”連接保障了在行車過程中引起的各個模塊的空間竄動，降低功能模塊的非正常承載，提升設(shè)備可靠性進而延長設(shè)備維修保養(yǎng)周期。

圖5 GDC-100型鉆機動力傳輸路線圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)(表2)

表2 GDC系列鉆機車主要技術(shù)參數(shù)

2 多工藝鉆探解決方案

GDC系列鉆機車適用于一定路網(wǎng)條件下200 m內(nèi)的淺層地質(zhì)工程領(lǐng)域，包括工程勘察、環(huán)境調(diào)查、探礦工程等。鉆機車提供了多工藝鉆探平臺，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域、施工工藝及工程地質(zhì)的功能要求，配置了多種動力頭與不同鉆具組合，滿足原位工程勘察取樣、環(huán)境原狀取樣、金剛石探礦取心等多種需求，為客戶提供高效率、低污染、低擾動、高質(zhì)量、多手段的施工解決方案[1]。

具體配置方案如下：①高速回轉(zhuǎn)動力頭可實現(xiàn)探礦取心，單/雙管普鉆合金取樣鉆具、金剛石繩索取心鉆具；②低速大扭矩工程勘察與淺層探礦，單/雙管普鉆合金取樣鉆具、金剛石繩索取心鉆具、中空螺旋取樣鉆具、無擾動跟管快速取樣鉆具；③沖擊/回轉(zhuǎn)環(huán)境取樣，土壤直推取樣鉆具、水文采樣鉆具、無擾動跟管快速取樣鉆具、標準貫入取樣器；④標準貫入取樣，標準貫入取樣器。

3 施工案例

針對GDC系列2種機型分別進行了廠內(nèi)試驗及野外試驗。以GDC-100鉆機為例，廠內(nèi)試驗完成單孔直徑108 mm單管全孔取心深度120 m，在河南駐馬店地區(qū)完成5個工程勘察孔累計209 m全孔取心施工，最大設(shè)計孔深65 m，如圖7、圖8所示。根據(jù)試驗結(jié)果對鉆機的人機交互界面、孔口輔助工具以及液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化升級。針對混凝土層、覆蓋層、卵礫石層以及砂層等分別進行了機具適配性試驗，總結(jié)出一套適用于工勘、環(huán)境等施工的配套體系及工藝參數(shù)。

圖7 GDC-100施工現(xiàn)場

4 結(jié)語

只有快速提升勘探設(shè)備的自主創(chuàng)新能力，不斷提高鉆機、鉆具和工藝之間的適配性，才能在經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明齊頭并進的新時代構(gòu)建生態(tài)環(huán)境友好型地質(zhì)裝備體系。對于GDC系列多功能鉆機車總結(jié)如下：

(1) GDC系列多功能鉆機車采用全功率取力模式，將設(shè)備運行所需動力與汽車動力高效結(jié)合提升設(shè)備節(jié)能特性。

(2)采用液壓傳動提升原有汽車鉆機械式操控模式，降低從業(yè)人員的勞動強度，符合未來高效、快速、節(jié)能的施工定位需求。同時具備多種功能模塊配套模式，通過不同模塊組合滿足多工藝施工需求。

(3)針對未來工程勘察施工、環(huán)境調(diào)查取樣等施工工藝仍需要繼續(xù)開拓新的、高效的機具配套體系，逐漸加快設(shè)備從人工作業(yè)、機械化作業(yè)到半自動化作業(yè)的進程，最終達到提質(zhì)增效的目標。

根據(jù)以上內(nèi)容，中地裝(北京)科學技術(shù)研究院有限公司研制的GDC型多功能鉆機車，通過大量的施工試驗與驗證，為地勘行業(yè)裝備高質(zhì)量發(fā)展提供一種新思路。