MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的研制与试验

李 伟，吴 浩，杨 恺

(1.中国煤炭地质总局第二勘探局，河北 涿州 072750； 2.中煤地质工程总公司，北京 100040)

传统勘察钻机一般采用泥浆回转或冲击钻进方式，容易对土样造成污染和扰动，而声频振动钻机采用超高频振动钻进方式。该钻进方法不用泥浆、不污染样品，能够快速、连续获取高质量的地层样品，为勘察和勘探工作提供准确地层，市场前景广阔。该类钻机已在尾矿坝勘察、砂金矿取样、水域沉积物取样和地质环境勘测等多领域逐步推广使用。

1 钻机结构

MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机引入工业设计理念，采用三维仿真设计及模块化设计方案，整机分为动力总成、行走总成、桅杆—动力头总成、操作台总成、工具箱和钻杆箱总成、液压系统总成和电控系统总成共七大总成(图1)。整机结构紧凑、外表美观、操作安全舒适、便于维护与保养，易于改型，有利于产品的系列化和标准化。

图1 钻机结构Figure 1 Drill configuration

1.1 动力总成

主要由6BTAA-C150型东风康明斯柴油发动机及配套三合一冷却器组成。钻机的总功率得到优化，液压系统功率优化为112kW，较第一台减少了14.5%，油耗也相应降低。

1.2 行走总成

包括橡胶履带和底盘。橡胶履带质量约1T，允许总质量6.5T，爬坡能力25°，行驶速度1.5～3km/h，最大牵引力5.5T，平均接地比压0.04 MPa。底盘由底梁焊接件、柴油机托架、液压油箱托架和桅杆支座组焊而成(图2)。底盘刚度大，桅杆起落平稳，整机行走由有线遥控盒控制，实现了人机分离驾驶，安全可靠，适合于不平坦地形的运移。

图2 底盘三维简图Figure 2 Chassis 3D sketch

1.3 桅杆—动力头总成

包括桅杆和声频动力头两部分。桅杆由桅杆部件和桅杆托架部件组成。桅杆部件可沿桅杆托架部件滑移，滑移行程250mm，滑移落地能确保钻机稳固、钻孔笔直。桅杆部件包括动力头滑板、绞车—鹅头辅助提升装置、油缸—链条倍速给进机构和自动卸扣夹持器。桅杆托架部件由钢板组焊而成，形成箱型梁的结构，承载能力高、刚度大、桅杆部件滑移平稳。桅杆底部还配备了自动卸扣液压夹持器，降低了拧卸钻杆的劳动强度。

声频动力头是钻机的核心部件，主要由回转马达、动力头框架、减振块和振动器组成。动力头采用整体式框架结构和侧面橡胶减振方式，力学结构合理、性能可靠(图3)。经空载和负载试验，动力头框架减振效果良好，同步带-同步轮机构和回转马达未见松动，振动马达和振动箱体升温正常，减振结构设计合理。

图3 声频动力头三维简图Figure 3 Sonic frequency top drive power head 3D sketch

1.4 操作台总成

包括固定操作台和孔口操作台。固定操作台由六联换向阀和翘板开关组成，控制钻机前后4个液压支腿、桅杆起落和桅杆滑移。孔口操作台布置5块压力表和两组先导控制手柄，分别控制自动卸扣液压夹持器、绞车和声频动力头的给进/提升、回转和振动。孔口操作台可移近钻孔，方便操作者观察、掌控钻进工况。

1.5 钻杆箱和工具箱总成

包括工具箱、液压阀箱和其上的钻杆箱。工具箱用来盛放日常维修工具，液压阀箱用来安装负载敏感比例多路换向阀，钻杆箱用于放置钻杆。

1.6 液压系统总成

由双联液压泵、液压油箱、液压阀、液压执行元件、液压冷却器和管路、管接头组成。液压系统为开式系统，由1个主油路和1个辅助油路构成。主油路由负载敏感变量泵、负载敏感比例多路换向阀和液压执行元件组成，控制声频动力头的振动、回转和给进/提升、自动卸扣液压夹持器、绞车和履带行走。辅助油路由定量齿轮泵、普通多路换向阀、液压油缸、液压锁和平衡阀等组成，控制钻机支腿、桅杆起落和桅杆滑移等辅助钻进动作。液压系统总成采用集成化技术和组合阀块，液压管线布局更加合理、美观。液压先导控制技术的引入实现长距离控制和低压、小流量控制高压、大流量，安全、高效、节能。

1.7 电控系统总成

包括电控箱和有线遥控盒。电控箱安装在液压油箱上，包括柴油机运行参数显示仪表、报警灯、钥匙开关、急停按钮和油门。电控系统采用CANBUS总线控制技术，布设多个电控仪表及按钮线路，可对发动机转速、水温、机油压力、发动机启停、电瓶电压等信号进行检测及调节，能及时监测发动机运行状况；履带行走及桅杆起落实现声光报警，大幅提高了操作的安全性和舒适性。

2 关键部件的设计

2.1 声频动力头激振力

F激振力=2×m×e×ω2

(1)

式中：m—单根偏心轴的质量，kg；

e—偏心距，m；

ω—角速度，rad/s。

声频动力头单个偏心轴质量为2.64kg，偏心距为0.023 1m，偏心轴最大角速度1 130rad/s(即角频率为180Hz)，代入式(1)：

F最大激振力=156kN

声频动力头的激振能力优于荷兰SonicSampDrill公司生产的CS型声波动力头，其最大角频率为150Hz、最大激振力为100kN。

2.2 液压系统

参考国内外同类钻机的液压系统工作压力及相关参数，查阅国内外液压元件的技术性能，考虑钻机的紧凑结构及液压系统集成，经相关技术参数计算，选定液压系统工作压力为21MPa。

依据钻机液压执行元件的运动速度，重点测算声频动力头的振动频率、回转速度和给进/提升速度，经相关技术参数验算，选定主油路额定流量为320L/min，其中动力头振动最大流量130L/min、动力头回转最大流量200L/min、动力头给进最大流量65L/min。三者不会同时在最大流量下工作，主油路额定流量满足主油路各工况要求。选定辅助油路额定流量为70L/min，满足各辅助工况要求，主油路和辅助油路不能同时工作，按主油路计算液压总功率如下：

P=q×Δp/60

(2)

式中：Δp—压差，MPa；

q—流量，L/min。

将相关数据代入式(2)，得：

P=320×21/60=107kW

3 主要技术参数及现场测试

MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机的主要技术参数见表1。

表1 钻机技术参数

2016年9月在河北涿州一加工厂外对声频动力头和液压系统进行了空载测试。室外温度23°，液压系统各执行元件工作正常，各部件动作灵活自如。使用测温仪对声频动力头进行温升测试，测试数据见表2。

表2 声频动力头测试结果

备注：1.每次试验后，停歇5分钟，使振动马达适当降温。

由表2可知，随着振动压力的增大，振动马达及振动器壳体温升加快，应采取适当的空气或油润滑等降温散热措施，使振动马达温度不超过其额定使用温度(壳体泄油温度115℃)，因为液压油箱有散热器，所以温升值较低，系统油温不超过70℃。

4 工业性试验

钻机试制成功后，于2017年在河北涿州开展了场地试验，全部采用声频振动钻探方法，累计进尺二百余米，最大孔深52.85m，采用108mm半合管钻具快速、连续、完整地获取了粉土、黏土和砂土等地层样品(图4)。取样率高达95%以上，其中钻进含水量大的粘土层时机械钻速高达6m/min，约为传统勘察钻机机械钻速的2～3倍。

图4 测试地层样品Figure 4 Testing strata samples

5 结语

经过样机调试、测试和场地试验，新型声频振动钻机的各项技术参数达到设计要求，整机性能稳定可靠、取样质量高。该钻机在环境地质调查、污染土取样、水溶性矿物(如砂金矿和膨润土矿等)勘探、公路和铁路勘察以及振动处理井下事故等领域应用前景广阔。

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