GDC系列多功能钻机车的研制

沈中华，熊君，臧臣坤，王春蕾，高明帅，薛善忠，孙卫娜，沈怀浦，朱江龙

(中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

随着国民经济的高速发展和不断加快的城镇化进程，铁路、公路等基础工程建设成为国家大力投资的领域。除此之外，随着我国生态文明建设的战略实施，涉及资源环境承载力评估及修复等工程勘察和环境调查的钻探工作量逐年递增。研制一种适应钻探环境和钻探工艺的钻探机械装备，对勘察质量的提升起决定性作用[1-3]。

机械传动、立轴式的汽车钻或落地钻机是工勘市场普遍应用的机型，几十年中尽管生产厂家和使用者不断努力去使其更适用于实际施工，但受限于其自身的传动方式及立轴钻进模式，无法满足无扰动、无循环液的原状取样质量要求，运移、钻进及取样的效率很难提升[4-8]。相对比发达国家的工程勘察及环境钻机绝大多数为全液压钻机或电液传动与控制钻机，而国内的相关装备远滞后于行业需求、工业及经济发展水平，表1所述为国内外工程钻机特点对比[9-11]。

表1 国内外工程钻机特点对比

为解决工程勘察与环境调查行业技术装备的供需矛盾，中地装(北京)科学技术研究院有限公司推出GDC系列多功能汽车钻。不同于传统车载钻机使用单独动力驱动钻机，GDC系列汽车钻采用四驱柴油皮卡/轻卡装载、全功率断轴取力、液压传动与集中操控，搭载常规勘察、高速回转、冲击、冲击回转、自动标贯及静力触探等工艺及功能机构，可根据工程施工自由配置，功能模块可快速切换，从而实现一机多用，尤其适用于200 m之内的快速工程勘察、环境调查及浅部找矿领域。该系列钻机填补了国内多功能汽车钻的空白[12-13]，受到业内专家和用户的广泛关注，如图1、图2所示。

图1 GDC-50多功能皮卡钻机车

图2 GDC-100多功能轻卡钻机车

1 总体方案

1.1 结构组成

GDC-50型皮卡钻机车总体结构见图3，钻机车采用4驱95 kW柴油皮卡装载，全功率断轴取力器安装在皮卡车变速箱与分动箱之间，取力器带液压泵作为钻机动力，可实现液压传动与控制。钻机配备高速回转动力头、低速回转+冲击动力头、自动标贯器等功能模块。

1.皮卡底盘；2.空压机；3.钻机平台；4.操控台；5.回转冲击头；6.给进系统；7.自动标贯器；8.工具卷扬

GDC-100型轻卡钻机车总体结构见图4，钻机车采用4驱105 kW柴油轻卡装载，全功率断轴取力器[14]安装在轻卡车变速箱与分动箱之间，取力器带液压串泵作为钻机动力，可实现液压传动与控制。钻机配备回转动力头、低速回转+冲击动力头、自动标贯器、静力触探等功能模块，可实现工程勘察、环境振动+直推取样等施工工艺，同时具备螺旋建井等水文监测井施工能力。

1.夹持器；2.动力头；3.自动标贯器；4.桅杆；5.工具绞车；6.提钻绞车；7.轻卡；8.钻机操作台；9.泥浆泵

1.2 动力传动与控制

动力是一切机械的“心脏”，只有充分掌握汽车动力的性能数据才能正确进行动力匹配。为使汽车钻机的动力性、经济性、可靠性及耐久性得到较佳性能指标，将取力器置于变速箱之后，通过调整发动机转速及汽车变速箱挡位实现汽车动力的面工况[15]。钻机所有动作均为液压传动，液压手柄和电气元件控制相结合，与机械传动相比部件布置更灵活、形体更小、质量更小。以GDC-100型轻卡钻机车的动力传动路线图为例，如图5所示，发动机通过离合器将动力输出至汽车变速箱，汽车变速箱通过双球笼联轴器连接断轴取力器，断轴取力器为气控操作，可实现行车不取力、取力不行车。断轴取力器输出法兰连接串联液压泵，分别为钻机各个功能模块提供液压动力。断轴取力器两端的“软”连接保障了在行车过程中引起的各个模块的空间窜动，降低功能模块的非正常承载，提升设备可靠性进而延长设备维修保养周期。

图5 GDC-100型钻机动力传输路线图

1.3 主要技术参数(表2)

表2 GDC系列钻机车主要技术参数

2 多工艺钻探解决方案

GDC系列钻机车适用于一定路网条件下200 m内的浅层地质工程领域，包括工程勘察、环境调查、探矿工程等。钻机车提供了多工艺钻探平台，针对不同的应用领域、施工工艺及工程地质的功能要求，配置了多种动力头与不同钻具组合，满足原位工程勘察取样、环境原状取样、金刚石探矿取心等多种需求，为客户提供高效率、低污染、低扰动、高质量、多手段的施工解决方案[1]。

具体配置方案如下：①高速回转动力头可实现探矿取心，单/双管普钻合金取样钻具、金刚石绳索取心钻具；②低速大扭矩工程勘察与浅层探矿，单/双管普钻合金取样钻具、金刚石绳索取心钻具、中空螺旋取样钻具、无扰动跟管快速取样钻具；③冲击/回转环境取样，土壤直推取样钻具、水文采样钻具、无扰动跟管快速取样钻具、标准贯入取样器；④标准贯入取样，标准贯入取样器。

3 施工案例

针对GDC系列2种机型分别进行了厂内试验及野外试验。以GDC-100钻机为例，厂内试验完成单孔直径108 mm单管全孔取心深度120 m，在河南驻马店地区完成5个工程勘察孔累计209 m全孔取心施工，最大设计孔深65 m，如图7、图8所示。根据试验结果对钻机的人机交互界面、孔口辅助工具以及液压系统进行了优化升级。针对混凝土层、覆盖层、卵砾石层以及砂层等分别进行了机具适配性试验，总结出一套适用于工勘、环境等施工的配套体系及工艺参数。

图7 GDC-100施工现场

4 结语

只有快速提升勘探设备的自主创新能力，不断提高钻机、钻具和工艺之间的适配性，才能在经济发展与生态文明齐头并进的新时代构建生态环境友好型地质装备体系。对于GDC系列多功能钻机车总结如下：

(1) GDC系列多功能钻机车采用全功率取力模式，将设备运行所需动力与汽车动力高效结合提升设备节能特性。

(2)采用液压传动提升原有汽车钻机械式操控模式，降低从业人员的劳动强度，符合未来高效、快速、节能的施工定位需求。同时具备多种功能模块配套模式，通过不同模块组合满足多工艺施工需求。

(3)针对未来工程勘察施工、环境调查取样等施工工艺仍需要继续开拓新的、高效的机具配套体系，逐渐加快设备从人工作业、机械化作业到半自动化作业的进程，最终达到提质增效的目标。

根据以上内容，中地装(北京)科学技术研究院有限公司研制的GDC型多功能钻机车，通过大量的施工试验与验证，为地勘行业装备高质量发展提供一种新思路。