新型XY－5L塔机一体立轴式岩心钻机的研制与应用

欧阳志强，柴喜元

（衡阳中地装备探矿工程机械有限公司，湖南 衡阳 421002）

1 引言

目前，我国用于地质岩心钻探施工中的钻机从传动方式和结构形式上看主要有两种，一种是立轴式岩心钻机，另一种是全液压动力头钻机。在国外发达国家全液压动力头钻机已经基本得到了推广普及，在我国立轴式岩心钻机仍广泛使用，占有大部分的市场份额。

立轴式岩心钻机经过长期的使用改进，结构性能已趋合理完善，具有传动可靠、成本低、操作维护方便等优点，但也存在钻机搬迁困难、给进行程短，劳动强度大。全液压动力头钻机在国内进入市场之初，地质岩心钻探界曾普遍认为其是最先进的钻机，但是通过近几年对全液压动力头钻机优缺点的分析及市场实际应用效果的总结，我们发现全液压动力头钻机的最终综合应用效果、性价比、使用和维修成本并不比立轴式岩心钻机有明显的优越性，其主要表现在：

（1）钻机投资大，动力能耗高，其配件价格高，使用维修成本高。

（2）对施工工人素质要求较高。当前国内钻探施工人员缺乏足够的液压维修技术知识，全液压动力头钻机的使用具有一定的客观局限性，严重制约其在国内的普及推广。

（3）液压传动对钻机整体密封性要求较高，传动效率低，孔内事故处理能力较差，通过比较我们发现，立轴式岩心钻机与全液压动力头钻机的特点具有一定的互补性。

图1 XY－5L型钻机

近年来，随着市场的竞争，受全液压钻机的启发，国内各个厂家相继生产出了各式各样的塔机一体式钻机。2009年，衡阳中地装备探矿工程机械有限公司率先研发了XY－4L型塔机履一体式岩心钻机，该钻机一进入市场就引起了广泛的关注，现已批量生产销售。但是，由于结构形式的局限，使XY－4L型钻机钻探能力受到限制。

因此，研发一种新型钻探能力强、综合性能高的塔机一体式钻机是很有必要的。衡阳中地装备探矿工程机械有限公司研发设计的XY－5L型岩心钻机就是为此而创新研制的，把立轴式和全液压动力头钻机的优点很好结合起来。

2 研发指导思想和技术路线

根据目前国内外岩心钻机的市场及技术调研情况，确定新型XY－5L塔机一体立轴式岩心钻机的研发指导思想是：应用国内外成熟的先进技术，吸收同领域前沿科学，实行产研用联合机制，研发出符合我国国情，力求适应性、可靠性强，综合性能高，价格低，易操作，并具有先进性、创新性，有自主知识产权的新型立轴式岩心钻机。目前，XY－5L型钻机已获得和申请多项国家技术专利。

通过目前国内外岩心钻探立轴式岩心钻机和全液压动力头钻机的结构性能利弊分析，取其各自优点，以机械立轴式岩心钻机为基础，将新型立轴式岩心钻机设计为塔机履一体自行行走，可触地钻塔结构，双油泵液压系统，大小柴油机双动力配置，操作系统实现数字化和人性化。

（1）保持立轴式岩心钻机机械式传动可靠的优点，加上全液压能实现整机移动的优点。在设计上将立轴式钻机，钻塔，泥浆泵，绞车等放在一个履带底盘上。通过液压操纵可实现，钻塔的起落，倾斜。整机的调平，履带行走有两档速度，平地时用快档，爬较大坡度时用慢档。

（2）为保证钻进时整机的稳定性，同时行走时，塔可以收起。因此，在塔的设计中不同于其它的结构型式。塔是分为三截，塔在塔座上可以上下滑动，在打不同角度的孔时，始终能让塔触地，确保稳定性。立轴式钻机卷扬与全液压布置不同，为了适应卷扬钢丝的走向，尽量使钻塔处于良好的受力状况，在塔的中间加了一个滑轮座。同时增加了抬杆器，塔上护栏等附属机构。

（3）为减小立轴式给进行程与全液压的差距，这次把给进行程由600mm增加到800mm。同时增强了回转器的导向性。立轴加长后，立轴的淬火，变型及磨削又有一些新的问题要解决。首先增加淬火机床行程，采用异型感应圈淬火。然后进行热变形调校。通过厂内工艺的摸索，立轴直线度在±0．05范围内，硬度在HRC48～55之间。通过钻探生产验证回转器卡盘稳定性很好。

（4）一般立轴式钻机的液压系统能力较小。如果设计大，消耗能量，但履带底盘要求配置液压系统能力远远大于常规的立轴式。为了两者兼顾，采用了一大一小的双泵供油，大泵为柱塞泵（63mL／r）。设计了分离机构，钻进时不工作，行走时大泵合上。行走马达设置高低速度档，平路和坡度小时快速档，路面阻力大和坡度大时低速挡。给进系统采用差动机构，能保证快速倒杆，减少辅助时间。

3 结构及原理

XY－5L型岩心钻机是一种机械传动、液压给进、履带行走、自带液压起落钻塔的立轴式岩心钻机。钻机由柴油机动力及离合器、变速箱、分动箱、回转器、卷扬机及水刹车、履带底盘、液压系统、钻塔、取心绞车、泥浆泵等主要部件组成，如图2所示。

图2 XY－5L型钻机结构布局图

钻机动力分为两个部分，一部分由一台四缸柴油机独立带动钻机进行钻进，另一部分由一单缸小柴油机带动绳索取心绞车和泥浆泵进行工作，该部分可根据用户需求进行选择配置。钻机液压系统由双油泵供油。

4 主要技术参数

柴油机型号：4BTA3．9－C100

柴油机功率：74kW（2200r／min时）

钻进能力：900～1800m

给进行程：800mm

移机行程：500mm

立轴通径：Φ93mm

立轴转速：正转：47、76、123、152、190、246、270、360、400、613、869、1161r／min

反转：51、163r／min

卷扬提升速度：0．79、1．27、1．96、2．78、3．71m／s

卷扬提升能力：最大60kN

系统压力：10MPa（履带行走25MPa）

油泵型号：63SCY14－1BF（柱塞泵）＋SGP1A16RF（齿轮泵）

油泵排量：63＋16mL／r

钻塔高度：11．7m

钻塔负荷：300kN

钻孔角度：90～45°

爬坡角度：30°

行走速度：1．5～2km／h

钻机总质量：11．5t

运输外形尺寸：（L×W×H）5200×2200×2900mm

5 生产应用情况

试制后进入小批量生产，2011年2月份投放市场。通过厂内的实验，各级数据达到设计要求。从目前的使用情况来看，在内蒙、青海、新疆各开动了两台钻机，基本都从5月初开始施工，施工最深孔750m，80°斜度，终孔直径 Ф77，最高台月效率900m。

从生产实验的情况来看：

（1）钻机转速范围宽，速度挡数多，分配合理，钻探工艺适应性强。输出扭矩大，强度高，钻进能力强，使用范围广。

（2）自带液压起落钻塔，安装快捷，轻便灵活，液压触地稳固，便于打斜孔由于钻塔触地，较以前的立轴式塔机一体有很好的稳定性。

（3）操作简单，维修方便，机组使用的发动机为74kW和15kW，能耗和钻探成本远低于全液压钻机。

（4）液压系统采用双油泵供油，钻探倒杆快，履带行走动力强劲，机械化程度高。与立轴式比大大缩短了装塔、拆塔的辅拆时间，减轻劳动强度。

（5）选用品牌发动机、变速箱、离合器、传动轴等优质部件，更换方便，钻机工作可靠性程度高。

从使用的情况来看也存在一些问题：

（1）绳索取心绞车与泥浆泵驱动共一动力，绞车处于常转状态，极大地影响了绞车的使用寿命（主要是指绞车的离合器、传动轴）。

（2）泥浆泵和绞车的位置布置不合理。尤其是绞车的布置，导致操作不方便。

（3）现场照明和常用电动工具用电问题需要另外配备发电机解决，要增加设备，不经济、不节能。

针对这些问题在改进设计中已将泥浆泵和绞车改用电机驱动，用一台15kW左右发电机提供电机、电焊、照明、生活用电。

图3

图4

6 结语

自2006年全液压动力头钻机在我国成功问世以来，国内钻探界就掀起了一场立轴式岩心钻机和全液压动力头钻机的优劣性以及岩心钻机发展趋势的大辩论。对于这场辩论，我们认为“不选贵的，只选对的”，结合当前我国实际情况，以XY－5L塔机一体立轴式岩心钻机为代表改进后的立轴式岩心钻机在未来仍将是我国地质钻探中的主要力量。

［1］杜祥麟．地质钻探设备三十年［J］．探矿工程，1982（4）．

［2］冯德强．钻机设计．武汉：中国地质大学出版社，1993．

［3］宋翔雁．浅析地质岩心钻机发展趋势［J］．探矿工程，1992（6）．