GJ- 240L型履带式工勘钻机的研制与应用

刘 珂， 王圣君， 杨东河， 薛 磊

(山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

1 概述

在环境治理、城市勘察施工、区域地质调查等项目中，钻探工程孔分布较散，孔位也较多，尤其是市政道路勘察中，孔距较远，使用传统的滑橇式工勘钻机搬迁困难、搭建钻塔费事，再加上单孔施工时间较短，搬迁辅助时间占用了较大比例，施工效率不高，机台全要素生产率极低。为更好地解决施工中存在的问题，缩短工地转场时间，提高施工效率，保证施工质量，需要专门研制履带式工勘钻机，实现钻机自行移动，钻塔自行起落，泥浆泵和钻具随钻一同到位，提高钻机单机独立作业能力。

根据钻机研制的目的任务，确定钻机技术方案如下：

(1)履带行走装置选用液压马达驱动钢履带底盘；

(2)主机选用柴油机驱动立轴式工勘钻机；

(3)钻机钻塔采用门式两节伸缩结构，液压起落；

(4)钻机液压动力源采用柴油机驱动，钻机行走、就位时驱动液压系统，工作时驱动泥浆泵；

(5)钻机行走设置快速及慢速两挡速度，采用遥控操作，确保行走作业安全。

山东省第一地质矿产勘查院根据以上要求，专门研制了GJ- 240L型履带式工勘钻机。其整体结构如图1所示。

图1 GJ- 240L型履带式工勘钻机整体结构

2 GJ- 240L型履带式工勘钻机技术参数

钻孔深度：240 m(Ø91 mm口径)

回转速度：43～612 r/min

给进行程：460 mm

最大扭矩：2960 N·m

给进力：27 kN

提升力：36 kN

卷扬机最大提升力：20 kN

立轴钻机功率：20 kW(柴油机)

钻机动力机组功率：20 kW(柴油机)

液压系统额定压力：20 MPa

泥浆泵：BW250型

履带接地比压：0.055 MPa

行走速度：一挡0.57 km/h，二挡1.5 km/h

外形尺寸(长×宽×高)：5470 mm×2100 mm×2650 mm

钻机质量：6 t

3 GJ- 240L型履带式工勘钻机结构及特点

GJ- 240L型履带式工勘钻机主要由工勘主机、钻塔、底盘、履带底盘、钻机动力机组、泥浆泵、液压系统、电气系统、随机附件等部分组成(参见图1)。

3.1 工勘主机

工勘主机选用GJ- 240型工勘钻机配套，满足钻机移动方便的要求，选择柴油机动力配置。在不改动原机动力配置及其他性能参数的基础上，为进一步优化钻机性能，增加修改了一些附属设计，如：卷扬机钢丝绳导向滑轮组、电启动柴油机装置等。卷扬机钢丝绳导向滑轮可杜绝钢丝绳挤进卷筒侧边，消除安全隐患。

3.2 钻塔

按照钻机设计目的，本着搭建钻塔方便快捷、在满足有效钻塔高度的基础上减小运输尺寸、结构简单、负载大的要求。设计了可以液压油缸起落、上下两节伸缩形式的门式钻塔(见图2)。

图2 可伸缩式钻塔

钻塔主要由天车、上塔、主塔、塔座等部件组成。为使钻塔工作时稳定、起下钻具时不易晃动，在设计时采用以下3种解决方式：(1)采用塔座与钻机底盘一体结构，塔座采用矩形方管焊接，下部直接焊接在钻机底盘上；(2)工作时主塔和塔座螺栓紧固，主塔在液压油缸控制下竖直于塔座后，通过螺栓将两者紧固，提高钻塔整体稳定性；(3)油缸辅助塔撑作用，油缸活塞到位后，靠平衡阀背压作用自动锁止，钻塔、底盘与油缸形成稳定的三角形结构。

为缩小钻机运输尺寸，同时满足钻塔有效高度，设计了两节伸缩结构的钻塔，通过钢丝绳滑轮机构实现上塔和主塔之间的伸缩，节省了人力，完全伸出或完全收起后通过4个销轴固定，保证钻塔整体性。钻塔高8.4 m，有效高度6 m。

天车配置了2个滑轮组，在钻机钻进和移位时，保证钢丝绳受力合理，提高钢丝绳使用寿命。

3.3 底盘

底盘上部主要安装钻塔、主机、动力机组、泥浆泵、液压系统等部件，下部连接履带底盘。为增强底盘抗挠曲变形能力，底盘左右两侧设计两组共4根18号槽钢对焊作为纵梁，将钻塔、主机、履带底盘等主要施力部件连接点作用在纵梁上，底盘受力均衡。

为满足钻机多工艺施工的要求，底盘设计双层孔口装置，工勘施工时使用Ø100 mm孔口；在进行给水孔、基础工程等大口径施工时，使用下层孔口，最大通径600 mm。

底盘四角设计了4个液压油缸支腿，通过调节4个支腿高度可以调节钻塔的垂直度，整个钻机质量通过4个支腿承载，也增加了钻机的稳定性。

3.4 履带底盘

钢制履带底盘特有的通过性好、稳定性高、转弯半径小等优点可以提高工程机械设备爬坡越野性能，因此，采用钢制履带底盘解决钻机自行移动问题，能够满足钻机机动性和场地适应性。

履带底盘是钻机的主要承载基础，要有足够的强度，又要运行可靠，容易维修。履带行走装置由驱动轮、导向轮、支重轮、张紧装置、H架、液压马达等部件组成。通过控制左右两侧马达前后转动，可以实现钻机前进、后退、左右转弯、原地转弯的功能。

3.4.1 履带底盘初选

经初步理论计算，钻机质量约为5.7 t，据此，选型时选择6 t的履带底盘，据厂家样本该型履带底盘驱动马达最小排量qMmin=1.219 L/r，最大排量qMmax=1.874 L/r，驱动轮节圆直径377 mm。

3.4.2 钻机行驶速度计算

根据设计要求，钻机低速挡速度不宜过快，控制在0.5 km/h左右，同时考虑到钻机功率匹配适宜，燃料消耗水平低的要求，初步选择排量20 mL/r的小齿轮泵作为钻机基本功能及低速行走的动力源。根据下式验算钻机的行驶速度。

式中：V——钻机行走速度，km/h；D——泵排量，20 mL/r；n——驱动泵的动力机转速，1000 r/min；qMmax——履带马达最大排量，1.874 L/r；I——马达传动比，取值1；R——驱动轮节圆直径，377 mm。

计算得：V=0.57 km/h。根据计算所选液压泵可以满足钻机行驶速度的要求。

3.4.3 履带行走牵引力计算

履带行走时，在爬坡工况下所需的牵引力最大，我们以爬坡工况计算履带行走牵引力。该牵引力FT需克服坡度阻力Fs、履带运行内阻力Fn、土壤变形阻力Fd、风载阻力FW、惯性阻力Fi。

其中坡度阻力：

Fs=M×9.8×sin(δπ/180)=29386 N

式中：M——钻机质量，取值6000 kg；δ——爬坡能力，取值25°。

土壤变形阻力：

Fd=(M×9.8/10)=5880 N

惯性阻力：

Fi=0.015×M×9.8=882 N

查选型手册，履带运行内阻力Fn=7600 N，风载阻力FW=1500 N。

则30°爬坡工况下，履带行走牵引力FT=Fd+Fs+Fw+Fi+Fn=45248 N，液压马达输出扭矩大于该值则钻机可以爬坡。

3.4.4 功率计算

根据30°爬坡工况下，履带行走牵引力计算驱动履带马达的液压泵需要达到的最小压力p可按下式进行计算：

式中：η——液压马达机械效率，取0.85。

钻机30°爬坡工况下所需功率P：

经上述计算验证，该6 t履带底盘及选配的20 mL/r液压泵可以满足钻机行驶速度、牵引能力等设计使用要求。

3.5 钻机动力机组

为满足钻机自行移动的要求，钻机动力机组选用柴油机动力配置。动力机组为钻机液压系统、泥浆泵提供动力(见图3)。液压系统主要有钻塔起落、履带行走、底盘支腿3种功能，这几种功能均是钻机移机运输等工况下使用，这些功能与泥浆泵的使用互不冲突，因此动力机组功率计算以满足液压系统和泥浆泵两者最大功率为准。通过计算最大负荷工况下履带底盘理论功率为9.7 kW，泥浆泵功率为12 kW，考虑柴油机功率转速曲线及功率因数，选用最大功率20 kW的柴油机。

图3 动力机组

柴油机飞轮端固定皮带轮，皮带轮端通过联轴器直接驱动液压泵组，皮带轮用来驱动泥浆泵和发电机。柴油机启动后，液压泵组和泥浆泵带轮同时运转，通过结合离合器手柄即可开启泥浆泵。由于液压系统无工作时压力为0，功率消耗非常小，不影响泥浆泵的工作。液压系统工作时，泥浆泵离合松开，皮带轮空转，同样不影响液压系统的正常工作。

发电机为蓄电池充电的同时提供钻机电气系统的电能。

3.6 液压系统

钻机液压系统(见图4)主要满足钻塔起落、底盘调平、履带行走3个功能。履带行走需要满足左右两侧履带分别能实现前后行走功能，履带行走速度设置两挡速度，远距离行走时使用快速挡，近距离移位、爬坡等工况下使用低速挡。根据以上设计要求，液压系统采用双联泵配置，排量较大的主泵仅在远距离行走时开启使用，排量相对小的副泵作为日常工作使用泵，不设计单独控制的开关。

图4液压系统

在主油路设计上主要将系统分成两个功能组，一个是履带行走功能，另一个就是支腿和钻塔起落功能。两个功能组互不影响。操作履带行走功能时，支腿功能切断。主油路安装两位的电磁阀，出口分别接液压系统的两个功能组。履带行走马达通过电磁阀控制，在接通任意履带电磁阀时同时接通主油路的两位电磁阀，实现通电时油路仅通向履带行走功能区。同样，主油路电磁阀不通电时(不触按履带行走按钮)，油路通向支腿油缸功能区。通过电磁阀控制了钻机功能使用的安全性，防止在行走时伸缩支腿油缸，造成钻机接近角减小碰坏支腿油缸，或避免行走时进行起落钻塔等危险操作。

履带行走采用遥控操作，电磁阀组实现左右履带两个方向的油路控制，钻塔起落及4个底盘调平支腿升降采用手控液压阀控制。

整机液压系统设计安全阀及调整系统压力的溢流阀。为保证钻塔起落安全性，保证其在起塔或落塔过程中动作均匀无冲击，起塔油缸安装平衡阀。

为使钻机工作时稳固，支腿油缸设计双向液压锁锁紧回路，该回路可使液压油缸在任意位置锁止。油缸就位后操作换向阀手柄回到中位，油缸的液控单向阀关闭，油缸两个油腔封闭，油缸则锁止。油缸需要移动时，操作换向阀手柄，在油压作用下，液控单向阀打开，油缸两腔油液可以流动，油缸实现伸缩功能。

液压油使用32号低凝抗磨液压油，油箱内有回油过滤器和吸油过滤器，用以过滤液压油中的杂质。

3.7 其他部件

钻机电气系统主要由蓄电池组、发电机、控制柜等组成。钻机配置钻杆架、工具箱等其他附属装置。

4 试验情况

GJ- 240L型履带式工勘钻机样机试制完成后，在山西吕梁某铝土矿工地进行了生产试验，17 d时间，施工深度为80 m的钻孔3个。试验期间主要验证钻机转场效率、履带行走装置通过性、钻塔起落底盘调平等功能。

该矿区地表碎石、坑洼较多，钻机履带正常行走时泵压平均在5 MPa，在通过坑洼碎石地面时，瞬时压力可达11 MPa，钻机顺利通过，履带底盘驱动力满足野外工况下的钻机行走需要，通过性良好。

我们以该工地没有履带行走装置的普通工勘钻机(以下简称普通钻机)为例，对比了两种钻机转场施工效率情况。

普通钻机采用人工现场搭建的钻塔，塔高9 m。从第一个孔就位开始统计，由于两钻机钻进机械部分相同，地层情况也相近，同样设计80 m深的钻孔，12 h/d的工作时间，两钻机进度相似，普通钻机用时63.5 h，GJ- 240L型钻机用时65.5 h。终孔后需要转场时，我们将两台钻机转场时每个步骤用时分别进行记录，并制作了表格进行统计(见表1)。

表1 GJ- 240L型履带式工勘钻机同普通钻机移机时间对比

经过统计，普通钻机移机用时9.5 h，GJ- 240L型钻机仅用1 h。经过一个月时间使用统计，GJ- 240L型钻机施工6个孔用时383 h，普通钻机此时刚施工第6个孔至3.7 m。在该工地，GJ- 240L型钻机比普通钻机一个月几乎多施工一个钻孔。使用GJ- 240L型履带式工勘钻机，转场移孔时钻机自行移动，泥浆泵和钻具随钻机移动，钻塔在油缸作用下竖直固定，安装就位方便，移孔时间缩减了约8.5 h，若孔距>1 km，转场效率优势将更显著。

5 结语

GJ- 240L型履带式工勘钻机可以履带行走、钻塔安装就位方便、随机自带泥浆泵几个优点解决了普通工勘钻机难以移动，移孔安装就位繁琐等难题，提高了机台全要素生产率。

GJ- 240L型履带式工勘钻机将机械、液压、电气高度一体化，具有结构紧凑、动力大、操作简单轻巧、液压系统设计简洁高效、整机故障率低等优点，施工配套齐全，是移动的机台，对环境破坏小，是一款绿色高效的新型钻机产品。可以广泛用于冶金、地质探矿、水力、水电、建筑、铁路、桥梁、公路、隧道及其他基础性建设等领域，满足基础工程勘察，水井钻进，监测检测孔、探矿等多种工艺的施工要求，实现一机多用，施工领域广泛。

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