HJ-120D多功能取样钻机的研制

王士昭，孔令沪，张益男，崔杰

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050081；2.河北石探机械制造有限责任公司，石家庄 050081；3.河北地矿集团有限公司，石家庄 050081)

0 引言

随着经济社会的发展，环境保护及治理工作形势严峻，对土壤污染的监测和治理工作也愈发重要。依据《关于保障工业企业场地再开发利用环境安全的通知》和《土壤污染防治行动计划》等文件的要求，关停并转、破产或搬迁工业企业原场地采取出让方式重新供地的，应当在土地出让前完成场地环境调查和风险评估工作[1]。我公司为满足环境监测施工需求，自主研发了紧凑型履带式HJ-120D多功能取样钻机(见图1)。该钻机配套双管取样钻具及取土管，采用液压直推或高频冲击器进行冲击取样，可实现30 m内的土壤无扰动取样。配套螺旋钻具可以实现螺旋建井，为取水样及原位修复提供支持。

图1 HJ-120D多功能取样钻机

1 钻机的结构特点

HJ-120D多功能取样钻机的主要参数见表1。钻机由履带底盘、后托架、平移托架、动力单元、桅杆、双作用动力头、卷扬、人机操作台和遥控器等部分组成，结构紧凑，可靠性强。履带行走通过性强，能适应各种复杂地形；平移托架实现横纵双向的微调，确保顺利对正孔位。增加液压后推铲托架，可以

表1 HJ-120D多功能取样钻机主要参数

整体定位支撑，还可用于悬挂钻杆框、清除场地杂物及平整场地，设计简化，节省成本，此设计满足了市场对取样钻机灵活性和功能性的需求[2]。卷扬和桅杆具有伸缩功能，当卷扬和桅杆收回后，塔头自动向滑道侧旋转45°，可以缩小钻机尺寸，节省运输空间。冲击动力头托架可以侧移，方便提钻取样[3]。

1.1 双作用动力头

钻机采用单动力头双工艺(冲击+回转)设计，既可满足脉冲振动破除水泥地面，直推、脉冲钻进取样的要求，又可进行回转钻进建井。

在旋转推进钻孔方式上增加了液压后顶锤式冲击功能，实现了冲击和旋转机构的一体化，大幅度减少配件数量，且易于保养。冲击活塞采用进口原材料，经特殊热处理加工，具有更高的强度。通过多组蓄能器蓄存液压能量和吸收液压脉冲，使冲击锤获得更高的冲击力和冲击频率。采用进口液压马达，结合串并联切换阀，可实现低速大扭矩和高速低扭矩之间的转换。

1.2 可调向桅杆

钻机桅杆具备四向调节的功能，桅杆起落液压缸可调节桅杆的前后角度，桅杆摆动液压缸可调节桅杆左右角度，通过桅杆旋转机构和桅杆升降机构联动调节满足多角度钻孔需要，见图2。

图2 可调向桅杆示意图

2 液压系统

钻机采用专为开式液压回路静压传动设计的进口负载敏感液压变量泵，噪声小，具有理想的功质比及较长的使用寿命。该泵为轴向柱塞斜盘结构，通过调节斜盘角度，可实现流量的无级调节，配备有2个壳体回油口，具有出色的吸油特性。

方向控制阀采用进口负载敏感比例多路阀，可实现钻机液压缸和液压马达运动速度无级调节，且该运动速度独立于负载，不因负载的改变而变化，可使多个执行元件同时并相互独立地在不同速度和压力下工作，直到通过所有执行机构流量的总和达到泵输出的最大排量。

康明斯发动机经法兰联轴器与负载敏感泵相连，将转速与扭矩传输至液压泵，为液压系统提供压力油，驱动各执行元件的完成设定动作，液压原理图如图3所示。液压系统所需功率既可由发动机低速高扭状态提供，亦可由发动机高速低扭状态提供。根据使用中钻机各动作工作时长及液压系统功率需求，结合发动机特性曲线及比油耗曲线，为发动机设定了合理的工作转速及负荷率，在能够充分发挥发动机输出性能的同时，还可以有效降低燃油消耗，实现节能减排[4]。

图3 钻机液压系统

2.1 负载敏感系统

与普通液压系统相比，负载敏感液压系统在方向控制阀和液压泵之间多了一根LS(load sensing)接线油管，通过该管线能够将的实际工况的压力变化信号经多路阀传导至负载敏感液压泵，并根据多路阀操作手柄变化情况，将操作者的意图传递至负载敏感液压泵。负载敏感液压泵根据LS管线的压力反馈信号，改变自身斜盘摆角来为液压系统提供合适的流量及压力，满足实际工作需求[5]。

负载敏感变量液压泵和负载敏感多路阀的组合实现了钻机液压系统功率的按需输出，对于提高燃油经济性和节能减排意义重大。通过该系统可以实现钻机动力头冲击的同时，升降液压缸自由伸缩，即两液压回路压力、流量互不干扰，可实现独立平稳运行。

2.2 平衡阀

工作过程中要求动力头升降平稳、顺畅、可靠，能够在桅杆轨道的行程内任意位置停留，无下坠现象；在钻机起塔过程中钻塔应可以在任意角度静止，无溜滑现象；液压卷扬在提升钻杆过程中，钻杆可以在行程内任意位置静止。根据以上要求，液压系统在动力头升降液压缸、起塔液压缸和液压卷扬马达处分别加装平衡阀，用于平衡负载重力对钻机动作的影响，液压原理如图4所示。

图4 平衡回路原理图

此外，平衡阀与执行元件间采用钢管焊接，实现刚性连接，即使在钻机作业过程中液压胶管由于老化磨损发生破坏，也可以通过平衡阀保证执行元件及负载不会失控下降，避免对设备和人员造成伤害，增加了设备的安全性。

3 电气控制系统

钻机电气控制系统采用了先进的具备CAN总线通讯功能的智能IO模块及图形显示控制器等，是一个集数据采集、可编程控制、虚拟仪表、总线传输，故障诊断于一体的智能控制系统[6]，图5为电气原理图。

图5 电气原理图

3.1 过滤器故障报警控制

过滤器用于滤除液压系统中元件磨损产生的金属颗粒、密封件的橡胶杂质以及液压油本身化学变化所产生的胶质、沥青质、碳渣质等污染物，使液压系统保持清洁，从而达到防止阀芯卡死，节流小孔缝隙和阻尼孔的堵塞以及液压元件过快磨损等故障的产生。

钻机液压系统配备了吸油、高压及回油过滤器，三种过滤器均设置了滤芯污染发讯器和油路旁通阀。当滤芯被污染物堵塞或因系统温度过低及流量脉动等因素造成滤芯进出口压差达到设定压力时，发讯装置发出讯号指示，警示灯闪烁发出蜂鸣声，液晶屏幕显示具体故障位置，发讯器原理如图6所示。若此时不能马上停机处理这些故障，设在滤芯下部的旁通阀自动开启工作，以保护过滤器及液压系统正常工作。过滤器的发讯压力和旁通阀开启压力值见表2。

图6 过滤器发讯器原理

表2 过滤器参数

3.2 液压自动冷却系统控制

液压油的最佳工作温度范围在30～50 ℃，此时油液的黏度、润滑性和耐磨性均处于最佳状态，系统传递效率最高。油温最高不应超过65 ℃，液压油温度过高会导致油液的黏度下降，泄漏增加，各滑动部位油膜被破坏，液压元件磨损加剧，设备动作变慢无力，降低工作效率，加大发动机油耗。一旦液压油工作温度升高到85 ℃以上，液压油的寿命就会因为氧化过程的加速而缩短。

当液压油温度高于50 ℃时，钻机控制器根据风冷却器内置温度传感器的反馈信号，使该回路多路阀电磁铁得电，风冷却器液压马达回路连通，风冷风扇开始转动，冷却系统开始工作。当温度低于30 ℃时，电磁线圈缓慢失电，风冷却器液压马达流量缓慢下降，直至液压风冷风扇停止转动，冷却系统停止工作。通过对电磁铁电流实施斜坡控制，可以使冷却马达缓慢停转，规避了因液压冲击及液压管路振荡对液压系统造成的不良影响，电气原理如图7所示。

图7 风冷温控原理

4 试验

图8为HJ-120D多功能取样钻机进行现场取样试验。取样深度30 m，取样直径34.7 mm，取土管外径38.0 mm，壁厚1.65 mm，长度1525 mm，钻具外径60.0 mm，有效长度1550 mm，平均一根下钻时间2～3 min。螺旋建井施工情况如图9，井深20 m，井口直径194.0 mm，螺旋钻杆长度1655 mm，平均一根下钻时间3～4 min。

图8 直推取样试验

图9 螺旋建井试验

经试验验证，钻机操作简便、机身稳定、运行平稳、下钻顺利，其中直推式取样，样品完整取样率高达89%。螺旋建井高效便捷，为地下水取样及原位修复提供了支持。

5 结语

通过对环境政策的了解和学习，根据取样工艺及客户的需求研制了HJ-120D型环保取样钻机，该钻机具有操作简单、可控性强、可靠性高、取样高效快捷、取样率高、施工效率高、维护方便、履带行走平稳、便于移动的优点，适用于多种施工环境和工况。