XD-800型便携式全液压岩心钻机的研制

高明帅，沈怀浦，臧臣坤，张雅石，何磊，郝杰

(中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

目前绿色地质勘探是我国地质找矿事业发展的必然趋势。特别是难进入地区勘探面临设备搬运困难、修路难、设备安装难、井场布置平整难、设备成本高、运营成本高等困局。

源自加拿大的便携钻探设备及其配套的工艺、钻具很好的打破了困局，成为目前国内快速、安全、经济的商业勘探模式之一。受其影响国内外关于便携式钻机取样技术也快速发展并广泛应用于地质与工程勘查中，目前满地宝，普华英工AMMECO，凯瑞克Hydracore，英格尔EGR，徐工凯地、四川诺克等公司都已经研制出一系列的便携式机型，产品覆盖200～800 m地质岩心钻探领域[1-4]。

为了大力推进便携式钻机的技术发展及更好的服务国内地质勘探更快速、更安全、更经济的需求，中国地质装备集团有限公司所属的中地装(北京)科学技术研究院自主研发了XD800/600/400系列便携式岩心钻机以及用于工程勘查的XD200G型便携钻机。本文将重点介绍XD-800型便携钻机的功能参数及动力匹配，并简要介绍部分功能模块的特点及厂内和生产试验情况。

1 总体设计及功能参数

1.1 总体设计

XD-800型便携式全液压岩心钻机使用3台日本久保田33 kW柴油发动机驱动，可实现BTW口径800 m(NTW口径600 m)钻探能力。该钻机的主要特点是：主要部件使用铝合金材料，模块化设计；进场快，不用修路无需基础工程，节约辅助时间及成本；移位快，进尺快。

XD-800型钻机钻进90°孔时高度约5 m，也可以配备更高的桅杆用于提升不同规格尺寸岩心管；整个钻机可以钻进45°～90°之间任意角度，通过撑杆固定支撑使钻机在钻进过程中保持稳定，见图1。

动力头随着给进油缸可以沿着主桅杆上下运动，实现钻进和起下钻作业。整个钻机井场布置如图2所示，共由16个功能部件组成，其中质量最大的部件为柴油机模块180 kg，可更好地实现快速搬迁和运移。

图1 XD-800便携钻机主机桅杆90°和45°工况示意

1.桅杆，2.动力头，3.动力头滑架，4.背钳夹持器，5.底座，6.绳索绞车，7.给进油缸，8.撑杆，9.操纵台，10.发动机总成，11.发动机总成(串泵)，12.液压油箱，13.燃油箱，14.液压操控系统，15.电气操控系统，16.泥浆泵，17.搅拌器，18.水泵图2 XD-800便携钻机主要模块示意图

1.2 功能参数

钻机使用3台柴油发动机驱动两台排量为28 mL/r液压泵和一台30.5 mL/r和3.1 mL/r的液压串泵，经过合流后可实现80～230 L/min的流量，再经过液压阀块的分流分别供给回转、给进、绞车和泥浆泵。钻机的主要性能参数详见表1。

针对市场上现有的便携钻机产品在使用过程中暴露出的工艺不匹配性，我们对XD-800型全液压便携式岩心钻机做了优化设计改进。首先采用双速动力头可满足金刚石钻进的最高转速1500 r/min，同时特有的双速装置可以实现最大回转扭矩1528 N·m，可以很好地解决钻具遇卡及钻具拧卸问题。针对很多便携钻机操作者的反馈，当钻深超过一定深度后会出现背钳夹持力不够导致钻具下滑。而XD-800型钻机采用双油缸对夹的方式进行夹持，通过配备两种不同弧度和齿型的卡瓦，可调节有效夹持面积进而改变夹持力大小。在此改进的基础上还配备有自重型木马夹持器，XD-800型钻机的背钳可承受比其他形式钻机背钳更大的轴向载荷，同时木马夹持器可以在深孔钻进时更有效的防止钻具打滑下溜的问题。

表1 XD-800型全液压便携式岩心钻机性能参数表

2 厂内测试试验

2.1 动力头运行测试

对于全液压动力头钻机，其运行温度是关乎设备能否达到设计要求的重要考核指标。回转部件的运行温度受到转速、承载、润滑方式、散热等情况的影响也各有不同，所有设备在出厂前都会进行空载或加载温升测试，检测是否达到预期设计要求。

XD-800型全液压便携式钻机属于新产品，利用厂内试验设备和条件先后对其进行实验性测试，针对实验结果对部分机械结构进行优化调整，在出厂前又通过测试验证优化设计的效果。表2是动力头转速在1060 r/min下采用与传统水龙头相同密封形式(V型夹织物密封圈)状态下测得的随着运行时间变化各部分温度变化。根据表2的数据整理可得如图3所示的曲线。

表2 高速齿轮马达变速箱直传各部件空载运行温度测试

图3 高速齿轮马达变速箱直传各部件空载运行温度曲线

通过图3的曲线可以看出，首先液压油温度在运行30 min左右基本趋于平稳，说明独立的水冷散热系统对液压系统温升的控制是有效的；其次水龙头上下位置存在温差是由特有的动力头泥浆循环通道结构带来的，水龙头上位与动力头轴承距离较近所以其温度变化趋势相近，但都处于轴承和密封件的工作温度内，属于正常温升。图3中变速箱的温度曲线波动笔者认为是由于在前期变速箱内机械结构的回转和润滑油的搅动没有达到热平衡，当运行一小时以后趋于平稳运行，达到温升的稳定区。

在以上试验的基础上，我们还进行了另外一组采用小排量高速摆线马达不经过变速箱直接驱动动力头以700 r/min回转时对动力头的主要承载部件温升测试。试验数据记录在表3中，将表3数据进行整理分析可以得到图4所示的曲线。

由表3和图4可见，动力头在运行45 min后，轴承温度趋于稳定，稳定温度70℃，处于轴承正常工作温度区间，达到设计要求。

表3 高速摆线马达直驱动力头温升数据表

图4 动力头空载温度测试曲线图

2.2 带排绳的绳索打捞绞车

传统地质岩心打捞绞车存在乱绳、压绳、跳绳等问题，主要原因在于打捞绞车钢丝绳直径小，自排绳效果差。同时在下放钻具时多采用无动力下放，由于重力原因使滚筒回转速度逐渐加大，快速的回转就要求钢丝绳快速的下放。XD-800型全液压便携式钻机采用了一种新型的排绳器，排绳器可以对排绳速度和排绳方向进行控制调节，此外还可以实现在下放钻具不需要排绳时完全放开排绳器，让滚筒快速运行不受排绳器的影响。通过绞车支座上的圆周把合孔可以调节排绳器的扶绳方向，方便调节钻机在进行各种角度钻孔时绞车—导轮—鹅头之间的钢丝绳夹角，组装后的带排绳装置的绞车如图5所示，通过现场试钻实验发现其排绳效果达到预期设计要求。

图5 安装排绳器的打捞绞车

2.3 下置式水龙头

图6和图7为XD-800便携式全液压岩心钻机配备的两种不同结构型式的下置式水龙头结构示意图，由于两种结构不同，使用操作也有不同。图6所示的结构在更换密封圈时需要将整个水龙头全部拆除，其优点是密封结构简单，密封圈容易采购且成本低廉；图7所示水龙头采用与传统地质钻机水龙头相同的V型夹织物密封圈，与图6所示结构相比，优点是可单独拆卸水龙两端进行密封圈更换，同时根据现场使用者反馈和理论分析水龙头更换频率更高的是下面的密封材料，但该结构的缺点在于密封材料较第一种复杂，装配时需要将多组密封圈组合装配。两种密封装置密封性能均经过厂内测试达到设计要求，进一步的性能测试还有待野外使用时进行测试。

图6 独立密封圈式水龙头结构示意图

图7 组合密封圈式水龙头结构示意图

3 生产试验

该钻机从井场布置到终孔历时7天，于2017年10月11日顺利在黑龙江伊春市友好区友谊林场完成生产试验孔作业，台月效率可达2115米/月，如图8所示。完成NTW钻杆规格钻进65°斜孔、孔深546 m的生产试验任务，整个施工过程中钻机各功能部件运行状态良好，顺利完成取心作业，岩心采取率满足业主要求。图9为采用绳索取心钻具采取的岩样。

图8 XD-800型钻机野外施工作业

图9 XD-800型钻机钻取的岩心

4 结论

通过对XD-800型全液压便携式岩心钻机的组装调试及生产试验，证明整套设备达到设计要求。但钻机的研制成功仅仅是基础，完善的钻具和辅助设备才能更好地发挥便携式钻机独特勘探模式的优势，为实现快速、难进入、绿色勘探提供强有力的支撑；同时设备使用者也是十分重要的环节，要充分发挥便携钻机勘探模式的优点，对人员的培训是十分必要的。随着国内对便携式钻机工艺、配套、培训、服务等方面的不断进步，更快、更安全、更经济的商业勘探模式将是未来的发展趋势。

参考文献：

[1] 马超林. 便携式全液压岩心钻机研究与开发[D].西南交通大学,2016.

[2] 马超林,刘文平,舒智,等.HF30便携式全液压金刚石岩心钻机的研发与应用[J].地质装备,2015,16(03):11-13.

[3] 宋端正. HC600型全液压动力头便携式钻机在陇东南山区生产应用效果及经济性分析[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(04):48-50.

[4] 安峰. HC600型全液压动力头便携式钻机钻头优选与钻机高效利用[J].甘肃科技,2017,33(06):112-114.