論巖心鉆機輕量化設計

摘 要：由于對深層礦產資源探索的需求日益提高，人們越來越重視對鉆探工程的研究。作為鉆探工程核心設備的巖心鉆機，近些年來也逐漸成為人們研究的重點。本文通過分析巖心鉆機的應用現狀和應用環境，說明了巖心鉆機輕量化設計的必要性，并重點分析了巖心鉆機的輕量化設計，主要從設計要求、參數選擇、主塔設計和有限元分析四個方面進行了探討，具有重要意義。

關鍵詞：巖心鉆機；輕量化設計；有限元分析

引言

礦產是人類生產生活必不可少的資源，為人類的生存和持續發展提供了重要的物質保證，而衡量一個國家經濟發展后勁是否足的一項重要內容就是礦產資源是否豐富。上世紀末，我國淺層礦產資源得到充分開發，GDP因此得到了快速增長，經濟狀況得到極大改善[1]。然而，伴隨著越來越高的經濟發展需求和越來越大的人口增長壓力，礦產資源的開發和利用與經濟發展所呈現出的矛盾也越來越深刻。

1. 巖心鉆機輕量化設計的必要性

鉆探工程是確定礦體儲量和品位、分析地質情況、開發油氣田、設置水文水井等施工的一種重要方法。巖心鉆機又是這項工程中最為重要的一項裝備。鉆機是一種帶動鉆具的機械設備，能夠從地下取出巖心、氣樣、液樣等實物，讓人們能借此分析出地質及礦產資源情況[2]。我國現有已探明資源已經相對較少，在這種情況下，探礦行業得以快速發展，而巖心鉆機的隨之需求大增。目前，在固體礦產開采中，國外的開采深度已經超過2000米[3]。近些年來，我國礦產的開采力度持續增強，淺層礦產的儲量已經明顯下降，很難滿足我國經濟發展的需要，嚴重制約了經濟的持續快速增長。當前，我國的巖心鉆探設備主要存在的問題是鉆體質量大，體積大，難以進行搬遷，非常不適合在丘陵地區或者山區進行使用。因此，在這種形式下，新型輕量化的巖心鉆機設計就成了巖心鉆機的發展方向。

2. 巖心鉆機的輕量化設計

2.1 輕量化設計要求

對于1000米以上的巖心鉆機，首先要求其結構緊湊、具有較好的可拆卸性，另外最好能使用模塊化設計方案。鉆機還應該具有較強的剛度、強度、抗震性，這樣才能承受住鉆探施工過程中的沖擊和反作用力。其次，鉆機的傳動應該平穩，設計的轉速檔位應當合理。再次，鉆機的回轉扭矩還要足夠大，提升力滿足使用要求，還應該有一定的應對孔內事故的能力。最后，在進行設計時，盡量選擇標準配件，減少制作和生產時間，也便于進行維修和保養。

2.2 設計參數選擇

設計參數選擇是否合理直接決定了巖心鉆機的性能。設計參數包括：整機重量，立軸行程、轉速和內徑以及最大扭矩，立軸極限提升力和極限壓力，卷揚機極限速度和極限起重量，鉆孔傾角等。鉆進孔深的確定主要是參考鉆機的用途，另外也需要參考國家標準或者行業中對鉆孔深度的標準規定，一般情況下，鉆進孔深應用較多的是1000米以上。鉆孔直徑包括開孔和終孔兩個方面，它的范圍因孔深不同而變化，孔深越大，孔徑范圍也相應的越大。鉆桿直徑是指孔道鉆進時鉆桿的外徑，這個參數直接對回轉器的能力和升降機的尺寸產生影響。鉆桿直徑的選擇與孔徑和孔深都有關系，當鉆桿小孔徑 大時，鉆桿容易發生孔內彎曲，導致工作條件變差，影響鉆孔質量也容易發生事故。鉆孔所能達到的傾角范圍就是鉆孔傾角，因鉆機的類型、用途不同而不同。回轉器提供的回轉扭矩一般與鉆孔直徑的平方成正比，一般而言，工程扭矩越大則鉆機鉆進能力也越強。升降機構是在發生孔內事故時的主要處理事故工具，所以其性能對鉆機的整體性能有非常大的影響。

2.3 主塔部分設計

主塔是組成鉆機的一項主要部分，深孔施工的狀態決定了其必須要有超強的承載力，要同時具備強度和剛度。而且鉆塔還應該具備一定高度，這樣才能保證在較少的輔助時間內，起下鉆具有較高的效率。另外，最重要的一點是為了方便在山區使用，鉆塔結構要進行輕量化設計。當鉆機深度超過1000米時，設定提升力，然后根據主塔的力學性能情況，選擇材質，一般采用鋁合金，焊接形式為5052，能獲得比較優異的焊接結果。然后導軌以45鋼調制， 采用螺栓固定的方式與主塔連接。

2.4 有限元分析

對于設計人員來說，靜力分析作為的工程結構分析手段，一般在求解與時間關系不大或無關的靜力載荷影響下的響應值，從而得到節點力和位移、單元應力和內力、約束反力和應變能等數據，這種分析一般還會同時提供重心及重力數據。靜力分析有兩種情況，第一種靜力分析是在慣性釋放條件下，根據結構的慣性作用，計算得到自由結構在沒有約束情況下的靜力載荷和在加速度狀態下的準靜態響應。第二種靜力分析是在非線性條件下，借助非線性模塊實現靜力分析的。在這種分析中，可以同時將結構的非線性情況考慮在內。 主要包括大應變、大變形、大轉動的幾何非線性，蠕變、塑性等的材料非線性以及接觸非線性等。

建立有限元模型中的分網格步驟作為一個重要環節，需要將較多問題考慮在內，因此這部分工作量較大。靜力分析時，當結構變形是唯一的計算要求時，網格數量不必太多。 但是一旦需要進行應力計算，在相同的精度要求條件下，網格數量應該取得較大。 在相同的響應計算中，計算位移響應相比于計算應力響應的網格數可以取得少一些。

3. 結論

由于巖心鉆機的體積和質量大大限制了其使用的靈活性，所以輕量化的設計方向成為巖心鉆機的熱門。本文從輕量化設計要求、設計參數選擇、主塔部分設計和有限元設計四個方面對巖心鉆機的輕量化設計進行詳細探討。由于時間和作者水平限制，本文僅是一次探索，還存在許多不足之處，在后續的研究和工作中會繼續改進。

參考文獻：

[1]李文秀，孟義泉，董向宇，等.YDX—1型輕便巖心鉆機的研制與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，42（2）：8～14.

[2] 歐陽志強，陳剛，雷統平，等.XD系列電傳動頂驅巖心鉆機的研制[J]. 地質裝備，2017，（8）：11～14.

[3] 高鵬舉，董耀.基于ANSYS Workbench的輕便巖心鉆機動力頭有限元分析[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（9）：20～25.

作者簡介：

宋康，1992年5月4日，男，漢族，江蘇徐州，本科，助理工程師，工程機械