ESD-70型环保取样钻机的研制

盛海星，高成，吕佩东，杨睿

（陕西西探地质装备有限公司，陕西 西安 710089）

0 引言

随着经济的发展，工业的进步，环境污染也不可避免的越来越严重，而随着人们越来越多的重视环境保护工作，土壤污染防治提上日程，土壤污染防治工作一般以重金属污染防治为重点。国家开始集中整治重污染工矿企业和重点污染区域，积极防治重金属、危险化学品和危险废物污染的治理。治理之前需要对污染土壤进行取样化验，目前取样大多用老式30型冲击钻取样，配备人员多，效率低下，基于提高工作效率、减少施工人员、同时为了提高取样率，我公司为满足环境监测施工需求自行研发的一款紧凑型履带式ESD-70型环保取样钻机（见图1），主要用于土壤取样工程［1］。

图1 ESD-70型环保取样钻机Fig.1 ESD-70 environmental protection sampling drilling

1 钻机主要参数及特点

1.1 钻机主要技术参数

1.1.1 冲击回转动力头技术参数［2-3］

动力头扭矩：950 N·m

动力头转速：200 r/min

冲击频率：3120/3900/4800 Hz

冲击功率：14.5 kW

1.1.2 给进系统技术参数

给进行程：1700 mm

给进力：100 kN

起拔力：160 kN

1.1.3 动力系统技术参数

功率：75 kW/2500 r/min

发动机型号：东风康明斯QSB3.9-C100-31型

1.1.4 其他技术参数［4］

取样深度：0～30 m

取样直径：32～100 mm

取样管长度：1500 mm

履带行走速度：1.5～4.3 km/h

运输尺寸：4000 mm×1900 mm×2900 mm

工作尺寸：4130 mm×1900 mm×3160 mm

1.2 钻机的主要特点

（1）直推式钻进取样。

（2）采用冲击的方式钻进，钻进过程不加水，不回转，能够连续快速地取出不受外界干扰的特定深度的柱状土样品。

（3）钻机配备提钻装置，取样高效快捷。

（4）冲击动力头托架可以侧移，方便提钻、取样。

（5）钻机具有履带自行走功能，设有高低速，并配无线控制系统，操作灵活方便。

（6）液压系统主要元件采用进口品牌，一般元件选用国内知名品牌，系统稳定、可靠，使用寿命长。

（7）采用直动式负载反馈微调变量液压系统，功率随负载变化，高效率，低能耗。

（8）配备提升速度和立柱垂直水平仪及显示装置，配合电控控制系统对孔、定位快捷、准确。

2 钻机主要结构及各部分的功能

钻机主要由底盘机架、冲击动力头、滑移托架、立柱、副塔天车、摆动机构、动力单元、人机操纵台、钻杆仓、防护罩等部件组成（见图2）。结构紧凑，可靠性高。

图2 钻机外形结构Fig.2 Structure of the drill

2.1 动力头

冲击动力头是整个钻机的核心部件，具有冲击钻进和回转钻进的功能，可以根据不同的地层采用不同的钻进方式，能够快速钻进土壤、沉积物或软岩，以满足取样需求。

2.2 滑移托架

滑移托架主要作用是为了使动力头侧移，提钻时不受干扰。采用液压油缸推动滑移，操作简单方便。滑移油缸行程正好是冲击动力头和提钻装置的中心距，方便操作者对正取样孔。

2.3 立柱

立柱由立柱体、给进油缸、副塔、天车、卷扬等组成。由液压系统的高压油驱动给进油缸，给进油缸与动力头滑移托架用螺钉直接连接，驱动动力头上下滑移进行给进、提升，使其高频冲击动力头平稳快速的给进［5-6］。配合使用副塔、天车、卷扬机提拔取样管或增装加长杆，轻松快捷，可以大大提高工作效率，并很大程度上减少人力。

2.4 动力单元

由柴油机、油泵等组成。动力机驱动油泵产生高压油，使设备实现各种功能。

2.5 底盘机架

履带底盘由液压马达、减速机、四轮一带、油缸等组成。液压马达在高压油的作用下可驱动底盘前进、后移、左转弯、右转弯，移动方便，适合多种地形。机架整体主要是焊接而成，后面加装了推土铲，推土铲由液压油缸控制［6-7］，运输状态下与机架平行，施工中一方面它可以放下来起到支撑的作用，保证在工作中机身的稳定性。另一方面如果遇到施工地面不平整，机身很难平稳放置时，可以调节推土铲位置，通过履带行走带动推土铲，将地面铲平。

2.6 人机操纵台［3］

全中文界面简易操纵台，实现电液控制和遥控操作。数显仪表实时查看各项运行数据。

2.7 摆动机构

由摆动机构、油缸Ⅰ、回转支承等组成。高压油驱动油缸Ⅰ，可使主副摆动机构带动立柱及动力头运动获得不同钻进姿态，实现多方位钻孔［8］。

2.8 液压系统

由多路阀、操纵台、压力表、油箱等组成。钻机操纵台分为主、副两个，主操纵台主要用于控制设备的行走、动力头的回转和给进、支腿油缸的伸缩、夹持器的开合、钻杆的拧卸、系统压力的显示等；副操纵台主要用于控制设备的启动停止、大臂的升降、立柱90°侧转、立柱的伸缩和起落、机架的回转、动力头转速和提升速度的显示等。

3 液压系统设计

ESD-70型环保钻机作为全液压设备，其动作主要靠液压系统工作，液压系统的优劣决定设备的质量，可靠性，可操作性。ESD-70型环保钻机的动作有动力头快速提升下降，动力头慢速提升下降，动力头回转，动力头冲击，动力头侧移，立柱起塔落塔、立柱滑移、立柱倾斜，卷扬机提钻装置，履带行走。其液压原理如图3所示。

图3 钻机液压系统原理Fig.3 Principle of the hydraulic system of the drill

主泵1和主多路阀8组成负载敏感液压控制系统［9］；由主多路阀8分别控制动力头回转马达16，动力头进给油缸24和左右行走马达13，实现动力头回转、动力头快速提升下降、钻机行走动作。动力头回转采用电比例控制，PLC控制器通过调节控制电流可以调节动力头回转速度，钻机行走和动力头快速提升下降通过两位六通阀12进行复用控制；副泵2和两位三通换向阀10控制动力头冲击［10-11］；副泵2、副多路阀9及辅助动作液压油缸，控制钻机的其余辅助动作；钻机液压系统主要元件采用进口品牌，系统稳定、可靠、使用寿命长。

4 电气控制系统

钻机电气控制系统主要包括2个方面：柴油机动力控制系统和钻机动作控制系统。

柴油机动力控制系统采用郑州众智公司出品的HEM8400发动机CAN监控仪。这款监控仪是集微电子技术、电测量技术、数模混合信号处理技术、CAN通信技术、车辆控制技术、发动机电控技术于一体的智能仪表及控制设备。以32位ARM微处理器为核心、4.3吋LCD大屏幕显示、可选中/英文显示、轻触按钮操作；具有两路CANBUS接口，一路和发动机ECU连接，一路为备用CANBUS接口；通过CANBUS接口可读取发动机运行的实时数据，如：转速、水温、油压、机油温度、累计油耗、瞬时油耗、累计工作时间、油位等；具备发动机诊断开关，按下进入诊断模式，在诊断模式下，如遇ECU报警可通过发动机红灯闪烁的次数来查看对应的故障报警信息；具备手动油门开关，发动机起动后按下该按键，激活手油门控制，可以精确控制发动机转速［2，5，12］，其HEM840监控仪的控制面板如图4所示，电路控制原理如图5所示。

图4 控制面板指示Fig.4 Control panel indication

图5 HEM8400电路原理Fig.5 HEM8400 circuit schematic

钻机动作控制系统主要以PLC控制器为控制中心，可以监测系统压力；测量动力头回转速度，动力头提升速度及位移；控制钻机的各种动作：钻机行走、动力头回转/冲击、动力头提升给进、动力头侧移/回正、立柱起落/伸缩/摆动等；钻机的行走采用无线遥控控制，方便操作人员快速转场移机；配有高清车载显示屏，其人机操作显示界面见图6［13-15］。

图6 人机操作显示界面Fig.6 Man-machine operation display interface

5 施工应用

图7为ESD-70型环保钻机进行取样施工实验的情形。此次取样深度20 m，取样直径32 mm。采用静压直推式给进，钻具直径70 mm、长1.5 m，平均一根下钻2～3 min，整个下钻取样过程在2 h左右。取样过程机身稳定，下钻顺利，速度很快。因是静压直推式取样，取样完整性好，取样率在70%左右。充分验证了ESD-70型环保钻机取样过程的方便快捷。

图7 施工实验Fig.7 Field test

6 结语

通过对环境取样的了解和施工客户的需求，我们成功研制的ESD-70型环保取样钻机，操作简单、可控性强、取样高效快捷、施工效率高、维护方便、履带行走平稳、便于移动、适用于多种施工环境和工况。

该钻机还具有水取样钻井、更换回转动力头后具有土壤修复治理、地下水治理、高压旋喷以及土壤修复治理等用途，性能可靠、品质优良，可预测发展前景很好。