HRD800F型水平岩心钻机动力头的研制

摘要

自然资源部找矿办装备组开展了找矿装备调研和国内外找矿技术装备对比分析研究。结果表明，历经数十年积累，我国勘查技术装备的发展虽然取得了进步，但仍存在一些短板和挑战。总体上，目前我国地勘队伍装备陈旧，绿色先进装备配备少，先进仪器设备以进口为主，国内研发保障能力不足，装备产业化水平不高，野外生活安全保障条件差，亟需加强找矿装备建设，支撑全面推进绿色勘查，满足新一轮找矿突破战略行动的找矿装备新需求。自然资源部中国地质调查局率先加快构建现代化野外条件保障体系，先后制定了《关于加强地质调查野外综合保障基地使用的指导意见》等制度文件，主要任务是推动绿色勘查、缩短与国外先进装备水平的差距。为适应新一轮战略找矿行动和国家重大工程勘察精细化对装备的要求，我们研制了HRD800F型水平岩心钻机。动力头是岩心钻机的关键部件，本文阐述了该型号岩心钻机动力头设计方案和设计过程以及测试过程，并总结了该动力头的性能特点。

关键词

找矿战略行动; 岩心钻探; 岩心钻机; 动力头; 变速箱; 液压卡盘; 扭矩

0 引言

液压岩心钻机专门为绿色地质找矿勘探、水利水电和隧道带状工程勘查取心勘探作业而设计制造，是新一代的钻探设备，具有模块化设计、动力组集成化控制、液压自动化程度高、钻进效率高、无级调速、给进行程长、操控性能好、运输便捷等特点，尤其适合于地形复杂、交通不便的山区、林地、高原地区的中深孔岩心钻探勘查施工^［1-3］。适用于金刚石绳索取心、定向钻进等多种高效钻探工艺方法。主要应用于地质、煤炭、冶金、有色、水文和工程地质等行业涉及的矿产资源勘查、工程地质勘察、环境地质等领域，也可用于水利水电勘察、铁路公路隧道勘察、锚固、超前地质预报等钻探工程。特别适合新一轮找矿突破战略行动中的地形复杂、交通不便的山区、林地、高原地区的固体矿产取心勘探工作。

现阶段找矿突破战略行动已经全面展开，预计2024年钻探工作量大约有100万m，勘查项目增多，大量的钻探工作需要展开，现有设备不能满足施工需要，为此我们研制了HRD800F型水平岩心钻机，其参数见表1。

表1  HRD800F 水平岩心钻机参数

钻机型号		HRD800F
钻进能力	BQ（55.6 mm） NQ（71 mm） HQ（89 mm） PQ（114 mm）	1200 m 800 m 500 m 300 m
动力头	扭矩	0~4200 N·m
	转速	0~1182 r/min
	卡盘最大通径	Ø117 mm
液压系统	额定压力	28 MPa
	冷却方式	风冷
动力站	型号	康明斯QSB5.9-C180-31
	类型	自然吸气
	额定功率	132 kW
	额定转速	2400 r/min
绳索取心卷扬	提升力	11 kN
	提升速度	120 m/min
	钢丝绳直径	6.6 mm
	容绳量	≤1300 m
桅杆	给进/起拔行程	1.8 m
	最大给进力/起拔力	55 kN/120 kN
	钻进角度	0°~90°
	前夹持器最大通径	Ø130 mm
整机总质量		<5.5 t
运输尺寸(长×宽×高)	主机	5600 mm×1100 mm×1800 mm
	动力站	2200 mm×1100 mm×1800 mm
	操纵台	770 mm×460 mm×900 mm

钻机动力头是岩心钻机的核心部件，是钻机的回转机构，也是整个钻机成败的关键^［4］。本文将对动力头的研制进行详细介绍。

1 动力头总体设计方案

1.1 动力头设计要求

动力头是HRD800F型心钻机的核心部件，其主要功能是带动钻具回转，为钻头有效破碎岩石提供合理的转速和转矩。对动力头的设计要求主要包括 ：

（1）动力头的转速和转矩要适应孔内钻进情况变化的需要，钻进过程由于岩层性质，钻孔直径，钻进方法和钻进规程的变化，钻头钻取岩心的转速和转矩也随之变化。要求动力头具备4挡手动调速，且在档内能无级调速，从而具备较宽的调速范围，能很好适应不同钻进工艺需求。

（2）动力头应具有反向旋转的功能，以满足卸扣、处理钻孔事故和其他辅助工作的需求。

（3）动力头主轴应为中空结构，满足P、H、N三种口径绳索钻杆通过需求。

（4）动力头的回转运动应平稳，各零部件结构安全可靠，其振动、噪声要小^［5］。

依据整机主要技术参数，确定该钻机动力头主要技术参数为：输出扭矩0~4200 N·m，系统压力 28 MPa，主轴转速0~1182 r/min，提升能力120 kN。

1.2 动力头钻机方案

根据动力头的设计要求和输出转速、扭矩范围，HRD800F型钻机动力头的总体方案设计为单液压马达，4挡手动变速箱，二级减速箱，液压卡盘的设计方案。

采用柱塞液控变量马达驱动的4挡手动变速箱，液压控制马达排量与变速箱机械换挡相结合，实现20~1182 r/min输出，挡内无级调速。动力头主轴（输出轴）采用大通径中空结构，钻杆柱能从其中通过，以实现快速起下钻。主轴后端设置液压卡盘，液压卡盘设计为往复液压缸楔形夹紧卡瓦结构，卡瓦动作灵活，夹持钻杆牢固可靠，液压缸设置高压油实时补偿系统，在卡瓦和钻杆磨损的情况下能补偿夹紧^［6-11］。

1.3 动力头结构组成

动力头结构组成如图1所示，主要由液压马达、变速箱、齿轮减速箱和液压卡盘等四部分组成。液压马达作为动力头的原动件，要求能够双向旋转，并能够在一定范围内无级调速。液压卡盘直接安装在减速箱的输出轴上，液压卡盘采用“液压打开—机械夹紧”的工作模式。

图1  动力头结构示意

1—液压卡盘；2—减速箱；3—变速器；4—液压马达

2 动力头主要部件和设计计算

2.1 动力头液压马达选型计算

液压马达在变速箱处于一挡下可实现动力头的最大输出扭矩$T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$为4200 N·m，而在四挡下实现动力头的最大输出转速1182 r/min，为兼顾大扭矩与高转速，选用轴向柱塞液压马达，工作压力$p_{\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{r}}$设定为30 MPa，液压马达机械效率${\eta }_{\mathrm{m}}$为0.93，变速箱与动力头综合机械效率${\eta }_{\mathrm{g}}$取0.92，由此可得液压马达计算排量为：

$$V_{\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{r}}=\frac{T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{20}\mathrm{\pi }}{p{\eta }_{\mathrm{m}}{\eta }_{\mathrm{g}}{i}_{\mathrm{4}}}=\mathrm{52.7}\left(\frac{mL}{r}\right)$$

（1）

因设计有手动变速箱，液压马达无需变量进行速度转换，故上述计算结果圆整后，选用排量为55 mL/r的定量轴向柱塞液压马达^［12-13］，技术参数如表2。

表2  液压马达技术参数

排量/(mL·r-1）	额定转速/（r·min-1）	额定工作压力/MPa	理论额定扭矩/(N·m）
55	4450	30	350

2.2 动力头变速箱

动力头变速箱结构如图2所示。

图2  4挡变速箱机构简图

1—换挡手柄；2—Ⅲ档从动齿轮；3—拨叉盖；4拨叉；5—输出从动齿轮；6—Ⅱ档从动齿轮；7—轴承；8—输出轴；9—齿轮轴；10—壳体；11—Ⅱ档主动齿轮；12—Ⅲ档主动齿轮；13—Ⅰ档主动齿轮；14—Ⅰ档从动齿轮；

液压马达经由变速箱以及传动比为3.125的减速箱后，可输出岩心钻进需要的主轴转速^［14-16］。

变速箱各挡位速比及转速见表3。

表3  动力头技术参数与转速

变速箱 挡位	减速比i	主轴转速/ （r·min-1）	马达转速/ （r·min-1）
一挡	6.25	190	3711
二挡	3.125	378	3691
三挡	1.757	675	3706
四挡	1	1182	3631

2.3 动力头减速箱设计

动力头减速箱结构设计见图3。

图3  动力头减速箱结构

1-齿轮1；2-齿轮2；3-齿轮3

对关键齿轮2和齿轮3展开计算，齿轮计算过程如下：

接触疲劳计算安全系数$S_{\mathrm{H}}$：

$$S_{\mathrm{H}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{H}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{m}}{Z}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}{Z}_{\mathrm{L}}{Z}_{\mathrm{V}}{Z}_{\mathrm{R}}{Z}_{\mathrm{R}}{Z}_{\mathrm{W}}{Z}_{\mathrm{X}}}{Z_{\mathrm{B}}{Z}_{\mathrm{H}}{Z}_{\mathrm{E}}{Z}_{\mathrm{\epsilon }}{Z}_{\mathrm{\beta }}\sqrt[]{K_{\mathrm{A}}{K}_{\mathrm{V}}{K}_{\mathrm{H}\mathrm{\beta }}{K}_{\mathrm{H}\mathrm{\alpha }}}}\times \sqrt[]{\frac{dbu}{F_{\mathrm{t}}(\mathrm{1}+u)}}$$

（2）

弯曲强度计算安全系数$S_{\mathrm{F}}$：

$$S_{\mathrm{F}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{F}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{m}}{Y}_{\mathrm{S}\mathrm{T}}{Y}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}{Y}_{\mathrm{L}}{Y}_{\mathrm{V}}{Y}_{\mathrm{R}}Z{Y}_{\mathrm{R}}{Z}_{\mathrm{W}}{Z}_{\mathrm{X}}}{Y_{\mathrm{F}\mathrm{a}}{Y}_{\mathrm{S}\mathrm{a}}{Y}_{\mathrm{\epsilon }}{Y}_{\mathrm{\beta }}{K}_{\mathrm{A}}{K}_{\mathrm{V}}{K}_{\mathrm{H}\mathrm{\beta }}{K}_{\mathrm{H}\mathrm{\alpha }}{F}_{\mathrm{t}}}$$

（3）

两表达式中符号名称、取值以及计算结果如图4所示^［17］。

图4  齿轮2和齿轮3计算结果

2.4 液压卡盘结构和计算

液压卡盘采用“碟簧夹紧-液压打开”常闭式设计方案。具体液压卡盘结构如图5。

图5  液压卡盘结构

蝶形弹簧的体积小，安装方便，自身的转动惯量小，适合高速平稳旋转。依据结构确定碟簧，碟簧D=35.5；单组碟簧变形量$h_{\mathrm{0}}=\mathrm{3.7}$；单组碟簧厚度t=81.2。

依据公式：

$$F_{\mathrm{0}}=P_{\mathrm{c}}=\frac{\mathrm{4}E}{\mathrm{1}-u^{\mathrm{2}}}·\frac{t^{\mathrm{3}}{h}_{\mathrm{0}}}{K_{\mathrm{1}}{D}^{\mathrm{2}}}{K_{\mathrm{4}}}^{\mathrm{2}}$$

（4）

式中：$E$——弹性模量，MPa；$\mu$——泊松比；$K_{\mathrm{4}}$——计算系数。

计算出单组碟簧轴向推力为$F_{\mathrm{0}}$=5.3 kN，21组碟簧叠加后轴向推力$F=$112 kN；

卡盘受力模型如下图6所示。

图6  液压卡盘受力简图

依据简化受力模型，推导出公式：

$$F=kG\frac{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\alpha +\phi \right)}{f^{\mathrm{\text{'}}}}$$

（5）

$$G=\frac{f^{\mathrm{\text{'}}}F}{k\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\alpha +\phi \right)}$$

（6）

式中：$G$——卡盘轴向载荷；$F$——碟簧轴向推力；$\phi$——斜面间摩擦角；$k$——安全系数^［18-22］。

$$\alpha =\mathrm{9}°;\phi =\mathrm{8}°{\mathrm{32}}^{\mathrm{\text{'}}};K=\mathrm{1.45};f^{\mathrm{\text{'}}}=\mathrm{0.5}\mathrm{。}$$

计算出G=130 kN，满足120 kN起拔力要求。

3 动力头扭矩测试

在CST10000型扭矩转速测试台上进行了扭矩测试（图7、图8），测试时动力头变速箱处于1挡，通过测试台的磁粉制动器产生负载扭矩，缓慢加载至目标扭矩值后再卸载，最终得到了图9所示的扭矩测试结果，由于采样仪器的采样间隔为1 s，为简化图线，故应对数据进行了筛选处理，每10 s取一次数值，通过寻找原始数据，发现钻机扭矩能达到的峰值为4374 N·m，满足设计指标。

图7  CST10000扭矩转速测试台

图8  动力头扭矩测试

图9  动力头实测扭矩曲线

通过扭矩测试平台，实测动力头峰值扭矩4374 N·m，大于4200 N·m设计要求，满足动力头装机要求。

4 动力头装机后实际钻孔测试

动力头装机后我们在四川省成都市红光镇现代工业港港华路139号院内进行了花岗岩实际钻孔测试。实际钻孔测试如图10~12所示。

图10  水平孔钻孔测试

图11  水平孔钻孔测试 图11斜孔钻孔测试

图12  钻获岩心

实际钻孔测试数据见表4。

表4  实际钻孔测试记录

序号	项　目		数据	备注
1	钻头编号		D-Z-1
2	钻头类型及规格		15~20度热压金刚石钻头
3	试验孔数		2
4	水平孔	水平孔进尺/m	1.3	测温测噪无异常
		岩心采取长度/m	1.15
		岩心采取/%	87
		纯钻进时间/min	20
		平均机械钻数/（m·h-1）	3.9
5	45°斜孔	斜孔进尺/m	1.8	测温测噪无异常
		岩心采取长度/m	1.52
		岩心采取/%	85
		纯钻进时间/min	28
		平均机械钻数/（m·h-1）	3.85
6	钻头磨损		磨损正常

通过实际钻孔测试，动力头工作稳定可靠，达到装机要求。

5 结论

各项测试结果证明，为HRD800F型水平岩心钻机配套研制的动力头各项功能指标达到设计要求。该动力头具有以下特点：

（1）动力头整体结构设计合理，液控变量马达并结合4挡变速箱，使动力头具备很宽的调速范围，适应能力强，可以很好满足不同工况需求。

（2）实测峰值扭矩高达4374 N·m，为钻深水平800 m（N口径），垂孔1000 m（N口径）提供保障。强大的扭矩可以使钻机处理各类孔内事故。

（3）在空载测试和实际钻孔测试过程中，动力头温升可控，均未超过80 ℃限值，没有出现过热现象，能够长时间稳定可靠工作。

（4）在实际钻进过程中不论是水平状态还是斜孔钻进状态，动力头均未出现漏油现象，证明动力头各类密封设计可靠。

（5）在实际钻进过程中，不论是钻杆上卸扣还是正常钻机工程中液压卡盘均未出现打滑现象，液压卡盘夹持可靠。

（6）动力头夹持钻杆在高速档位下，跳动小，符合金刚石岩心钻探工艺要求。

动力头经实际钻孔测试具备装机条件，可以批量生产装机，为战略找矿行动提供高效、绿色、智能钻探设备。