輕量化坑道鉆機(jī)的研制及應(yīng)用

凡 東，王瑞澤，田宏亮，常江華

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦產(chǎn)資源經(jīng)過(guò)多年的勘探開發(fā)，淺部資源逐漸減少，部分老礦區(qū)急需加強(qiáng)深部找礦工作，尋找接替資源，延長(zhǎng)礦山壽命[1-3]。深部找礦的摸底探邊工作，對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)具有重要意義[4-6]。坑道勘探可避開上部采空區(qū)，相對(duì)于地表勘探能節(jié)省大量的鉆探工作量，沿礦床層帶多角度鉆孔，實(shí)現(xiàn)金屬礦山的邊探邊采，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的勘探手段[7-9]。

國(guó)外目前坑道勘探以全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)為主，這類鉆機(jī)技術(shù)先進(jìn)，可靠性較高，可有效利用坑道空間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。但其主機(jī)材料主要由碳素鋼制成，質(zhì)量大，在惡劣運(yùn)輸條件下移動(dòng)搬遷困難，進(jìn)一步解體拆裝難度大，需要專業(yè)裝配人員參與，增加了鉆探的周期、難度和成本[10-12]。

針對(duì)以上問(wèn)題，采用輕型結(jié)構(gòu)及模塊化設(shè)計(jì)思想，研制了主要部件由高強(qiáng)度鋁合金材料制成的ZDY1200G 型輕量化坑道鉆機(jī)。根據(jù)鋁合金材料力學(xué)特性及可加工性，結(jié)合鉆機(jī)部件受力情況，在給進(jìn)機(jī)身、提升架和底座等承受彎矩小的部件上使用鋁材。其他部件采用輕量化與模塊化快速拆裝的設(shè)計(jì)。

1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZDY1200G 型鉆機(jī)(圖1)運(yùn)用“易拆裝、部件輕”的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化和快速連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)易拆裝。鉆機(jī)由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)3 部分組成，擺布靈活、解體性好。并利用快速連接結(jié)構(gòu)，使夾持器、回轉(zhuǎn)器、底座、電機(jī)等可快速拆解。鉆機(jī)快速拆解后，單部件最大質(zhì)量為292.5 kg。

圖1 ZDY1200G 全液壓坑道鉆機(jī)Fig.1 ZDY1200G full hydraulic drill rig

在對(duì)輕量化坑道鉆機(jī)使用需求與施工能力進(jìn)行調(diào)研后，確定鉆機(jī)主要能力參數(shù)(表1)。

表1 ZDY1200G 主要能力參數(shù)Table 1 Main ability parameters of ZDY1200G

1.1 給進(jìn)裝置

鉆機(jī)給進(jìn)裝置承載鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿的給進(jìn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)孔內(nèi)事故時(shí)，要能夠進(jìn)行強(qiáng)力起拔，使鉆具脫困，是鉆機(jī)的重要承力部件。坑道鉆機(jī)在井下受限空間施工，對(duì)鉆機(jī)的體積和質(zhì)量要求較高，如何增大鉆機(jī)的能力，同時(shí)減輕質(zhì)量是設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)。

給進(jìn)裝置采用一支雙桿雙級(jí)雙作用油缸(圖2)，兩級(jí)油缸總行程1 000 mm，質(zhì)量109 kg。油缸的活塞桿固定在給進(jìn)機(jī)身兩端，缸體沿活塞桿運(yùn)動(dòng)，采用雙桿雙極雙作用油缸可以在短機(jī)身上獲得長(zhǎng)行程。油缸采用鋼桿與鋼筒兩端同步進(jìn)出油的方式，避免了常規(guī)雙級(jí)缸只在缸桿進(jìn)油，需要較厚的鋼筒壁設(shè)置油路的問(wèn)題。

圖2 給進(jìn)油缸Fig.2 Feeding cylinder

給進(jìn)機(jī)身的主梁使用一整張輕質(zhì)合金折彎，并與端板等輔件焊接而成(圖3)。快速拆解拖板后，給進(jìn)機(jī)身質(zhì)量為253.4 kg。若需要進(jìn)一步拆解，則可將機(jī)身后端6 個(gè)內(nèi)六角螺釘拆除后就能將油缸拆除，去掉油缸后的給進(jìn)機(jī)身質(zhì)量?jī)H為145 kg。

圖3 給進(jìn)機(jī)身Fig.3 Feeding frame

1.2 組合式泵站

鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由2 個(gè)小泵站組成(圖4)，降低了搬遷重量。淺孔作業(yè)只需1 個(gè)泵站即可進(jìn)行工作，有一定的節(jié)能效果。2 個(gè)泵站同時(shí)工作時(shí)，2 個(gè)油箱液面高度的控制是個(gè)難題，會(huì)造成油液溢出。為此，在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了吸油多泵共用連通、回油比例分配的油路，在2 臺(tái)泵站高差控制在150 mm以內(nèi)均不會(huì)出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。

圖4 組合式泵站Fig.4 Combined pump station

2 鋁合金材料選型及測(cè)試

2.1 材料選取

鋁合金常用的分類從1 系到7 系，每個(gè)系列都有各自不同的特點(diǎn)。不同牌號(hào)、狀態(tài)的鋁合金在硬度、強(qiáng)度、耐蝕性、加工性、焊接性、裝飾性等方面都存在著明顯的差異[13]。坑道鉆機(jī)主機(jī)存在大量的焊接結(jié)構(gòu)件。相對(duì)而言，2 系和7 系的鋁合金較難焊接，而5 系鋁合金焊接性較好[14]。所以，本文選取了幾種常用的焊接性能良好的鋁合金進(jìn)行性能對(duì)比(表2)。

表2 材料性能對(duì)比Table 2 Comparison of properties of aluminum alloy

對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，H38 態(tài)的5052 不僅能夠進(jìn)行90°折彎[15]，而且屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到近似Q235低碳鋼的210 MPa，同時(shí)具有良好的可切削性[16-17]，所以選取5052-H38 作為鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)身與底盤等的材料。

2.2 樣件試驗(yàn)

由于鋁合金材料導(dǎo)熱率大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生受熱不均勻的現(xiàn)象，采用鎢極氬弧焊保溫焊接的方法，對(duì)燒融部位進(jìn)行保溫，使焊接區(qū)域均勻受熱。為了驗(yàn)證焊接工藝的可行性與焊縫的可靠性，以及箱型機(jī)身結(jié)構(gòu)的承載能力，加工機(jī)身樣件并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)彌散裂紋模型，當(dāng)單元的最大主應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，單元在最大主應(yīng)力垂直方向形成無(wú)數(shù)平行微裂紋，垂直方向的長(zhǎng)度對(duì)裂紋發(fā)展不產(chǎn)生影響[18]。因此，考慮到檢測(cè)設(shè)備對(duì)被檢測(cè)樣件的尺寸要求，及垂直方向的長(zhǎng)度對(duì)裂紋發(fā)展不產(chǎn)生影響，加工的機(jī)身樣件長(zhǎng)度為實(shí)際機(jī)身長(zhǎng)度的四分之一，其余尺寸均與實(shí)際機(jī)身尺寸相同。試驗(yàn)主要模擬機(jī)身實(shí)際工況，采用在機(jī)身兩端通孔施加拉力與壓力的方式對(duì)變形量進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.1 抗壓試驗(yàn)

額定抗壓試驗(yàn)在SANS 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5105。該機(jī)最大試驗(yàn)力為100 kN。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)身試件平放于試驗(yàn)臺(tái)上，上端采用壓盤對(duì)端板的中心孔施加載荷。

試驗(yàn)采用逐級(jí)施加的方式，以10 kN 為間隔。加載到目標(biāo)壓力后進(jìn)行卸載，然后再施加下一級(jí)壓力。試驗(yàn)過(guò)程中的變形量隨著載荷的增加不斷呈線性增大的趨勢(shì)(圖5)，施加90 kN 載荷的變形量最大，為1.57 mm。初次施加10 kN 作用力時(shí)，樣件在相同的壓力下產(chǎn)生了較大的位移，究其原因在于曲線1初次施加載荷時(shí)，端板表面產(chǎn)生了輕微的塑性變形，形成壓痕，此后多次加載壓力，當(dāng)壓力90 kN 時(shí)，壓盤位移仍為1.57 mm。

圖5 抗壓數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Compression resistance data curve

2.2.2 破壞性試驗(yàn)

為了解該機(jī)身樣件的極限承載能力，進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)。使用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)LAW-1000，該試驗(yàn)機(jī)最大載荷為1 000 kN。

壓力機(jī)平臺(tái)上壓盤施加的壓力作用于穿過(guò)端板通孔的螺釘上。試驗(yàn)采用K30 脈沖輸出型拉線傳感器測(cè)量塑性變形。拉線傳感器采用增量編碼器的檢測(cè)方式，將傳感器主體與拉頭分別固定在機(jī)身上下端板，分辨率為0.005 mm。前文的抗壓試驗(yàn)測(cè)試了樣件90 kN 以下承壓能力，本次試驗(yàn)從90 kN 起繼續(xù)對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試(表3)。

從表3 可以看出，當(dāng)壓力超過(guò)200 kN 時(shí)，彈性變形超過(guò)2 mm，壓力卸載后塑性變形1 mm，機(jī)身端板變形開始肉眼可見(jiàn)。當(dāng)壓力達(dá)到300 kN時(shí)，試件彈性變形與塑性變形均較嚴(yán)重。

拉伸試驗(yàn)使用兩支帶端頭的螺桿，螺桿穿過(guò)機(jī)身樣件通孔后用卡扣固定，用以連接樣件與試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)選裝適合夾裝螺桿尺寸的卡瓦，卡瓦抱緊螺桿兩端頭進(jìn)行固定。

根據(jù)抗壓破壞數(shù)據(jù)可得出壓力150 kN 內(nèi)變形量較小，因此，抗拉破壞試驗(yàn)從150 kN 開始逐級(jí)加載拉力再卸載，抗壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。當(dāng)拉力達(dá)到220 kN 時(shí)，端板處焊縫產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)裂紋，隨著拉力的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)拉力達(dá)到300 kN時(shí)，焊縫徹底斷裂，端板變形明顯(圖6)。

表3 抗壓破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data of compression failure

表4 抗拉破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of tensile failure

由以上試驗(yàn)可得出，當(dāng)拉壓力達(dá)到給進(jìn)機(jī)身實(shí)際使用要求85 kN 時(shí)，彈性變形1.5 mm 左右(圖5)，塑性變形0.14 mm，重復(fù)加載85 kN 拉壓力后，塑性變形消失。原因在于鋁合金表面硬度低，拉壓力使鋁合金表面產(chǎn)生輕微塑性變形，可通過(guò)加大螺母與鋁合金機(jī)身的接觸面積解決。當(dāng)拉壓力達(dá)到200 kN 左右時(shí)，樣件開始產(chǎn)生明顯塑性變形，由此可知，安全系數(shù)實(shí)測(cè)可達(dá)2.35，滿足使用要求。

圖6 拉伸焊縫破壞Fig.6 Tensile weld failure

3 三維DIC 散斑測(cè)量

結(jié)合鋁合金樣件測(cè)試結(jié)果，加工完成后的樣機(jī)在國(guó)家安全生產(chǎn)西安勘探設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心(甲級(jí))的鉆機(jī)性能綜合試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)臺(tái)最大測(cè)試扭矩：15 000 N·m，最大測(cè)試功率：155 kW，滿足最大給進(jìn)起拔力85 kN，最大扭矩1 200 N·m 的檢測(cè)的要求。

為了分析鋁合金鉆機(jī)機(jī)身在極端受力條件下的變形情況，本文采用三維DIC 散斑系統(tǒng)進(jìn)行變形量觀測(cè)。先后對(duì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)身最大承扭變形和起拔狀態(tài)下機(jī)身最大承拉變形進(jìn)行了檢測(cè)。

3.1 最大承扭變形檢測(cè)

測(cè)量回轉(zhuǎn)負(fù)載產(chǎn)生的變形時(shí)，用鉆桿將鉆機(jī)與轉(zhuǎn)矩傳感器、回轉(zhuǎn)加載裝置連接起來(lái)，加載裝置由低到高逐漸加載，利用DIC 散斑系統(tǒng)，測(cè)量回轉(zhuǎn)器主軸輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的形變。主要有以下幾個(gè)步驟。

圖7 DIC 測(cè)試區(qū)Fig.7 DIC test area

a.區(qū)域劃定 在鉆機(jī)給進(jìn)裝置靠近托板部分劃定實(shí)驗(yàn)觀察區(qū)域(圖7)，區(qū)域大小與標(biāo)定板對(duì)應(yīng)，選用400 mm×300 mm 標(biāo)定板幅面，通過(guò)鏡頭焦距和相機(jī)夾角，計(jì)算出測(cè)量頭與被測(cè)表面的距離為900 mm，相機(jī)在橫梁上的距離為400 mm。按照距離參數(shù)完成測(cè)量設(shè)備的調(diào)整及現(xiàn)場(chǎng)布置。

b.噴斑處理 在被測(cè)區(qū)域用白色油漆對(duì)表面進(jìn)行噴涂，待風(fēng)干后再噴涂黑色油漆，從而在被測(cè)區(qū)域表面生成白色背景的黑色小圓點(diǎn)陣，生成均勻錯(cuò)落的黑斑點(diǎn)，制造不同區(qū)域特征的獨(dú)特性，防止散斑相似計(jì)算過(guò)程被干擾。

c.相機(jī)標(biāo)定 測(cè)量開始前，先對(duì)相機(jī)的空間位置進(jìn)行準(zhǔn)確求解。在DIC 軟件中設(shè)定標(biāo)定板的比例尺，采集8 個(gè)左右的狀態(tài)計(jì)算完成標(biāo)定。生成相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，即可對(duì)被測(cè)物體表面各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)狀態(tài)下的空間坐標(biāo)進(jìn)行解析及觀測(cè)。

d.圖像采集 創(chuàng)建散斑測(cè)量工程，采集初始狀態(tài)作為基準(zhǔn)，設(shè)置的采集間隔為2 張/s，在扭矩加載過(guò)程中連續(xù)采集直至結(jié)束。

e.工程計(jì)算 劃定散斑域和創(chuàng)建種子點(diǎn)之后即可完成計(jì)算，其中散斑的面片大小為20，步長(zhǎng)為15。

計(jì)算完成后，將被測(cè)表面最大主應(yīng)變輸出，如圖8 所示。

圖8 最大回轉(zhuǎn)負(fù)載云圖Fig.8 Cloud chart of maximum rotation load

通過(guò)DIC 散斑測(cè)量得出極限回轉(zhuǎn)工況鋁合金給進(jìn)機(jī)身最大主應(yīng)變?yōu)?.87%。圖9 為所選擇的指定點(diǎn)在各個(gè)狀態(tài)下的最大主應(yīng)變繪制出來(lái)的曲線，最大主應(yīng)變正值表示觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生拉應(yīng)變，負(fù)值表示觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)變，可以看出應(yīng)變隨回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，在拉應(yīng)變與壓應(yīng)變之間呈周期性波動(dòng)。

3.2 最大承拉變形檢測(cè)

測(cè)量最大給進(jìn)起拔產(chǎn)生的變形時(shí)，承拉DIC 測(cè)試方法和承扭時(shí)的基本一致，區(qū)別在于拉伸測(cè)試輸出的數(shù)據(jù)為位移，而承扭時(shí)輸出數(shù)據(jù)為最大主應(yīng)變。

然后創(chuàng)建靜態(tài)變形工程，依次導(dǎo)入各個(gè)狀態(tài)下的攝影測(cè)量工程并輸入工程參數(shù)，然后計(jì)算，計(jì)算完成后建立變形域并將所需要觀測(cè)部位的非編碼點(diǎn)添加進(jìn)去并激活，即可顯示出各個(gè)狀態(tài)下所選區(qū)域點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)(圖10)。

圖9 指定點(diǎn)應(yīng)變曲線Fig.9 Strain curve of specified points

圖10 最大拉伸負(fù)載云圖Fig.10 Cloud chart of maximum tensile load

通過(guò)DIC 散斑測(cè)量得出最大拉伸負(fù)載工況鋁合金機(jī)身關(guān)鍵部位最大位移為6.317 mm，位移隨著給進(jìn)機(jī)身拉力的增大而不斷增大，拉力卸載后位移消失。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

鉆機(jī)在云南省滄源縣某礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地位于1730 中段，該中段目前處于巷道建設(shè)階段。礦區(qū)內(nèi)部地層構(gòu)造復(fù)雜，下部伴有遺留巷道，礦藏埋深較大，急需采用坑道鉆探的方式提高找礦效率[19-20]。為探明13 穿矽卡巖硫化礦在區(qū)域內(nèi)的附存狀況，施工KZ19-1301 號(hào)鉆孔，開孔斜向下43°，方位角南偏西30°。

采用ZDY1200G 型鉆機(jī)配套BW-250 泥漿泵鉆進(jìn)。鉆進(jìn)前，先在孔口鉆入一節(jié)?89 mm 套管，長(zhǎng)度100 mm，高出地面約20 mm，作為孔口管使用，防止巖粉倒灌。孔口管安裝完成后使用?71 mm 取心鉆桿與?76 mm 金剛石孕鑲鉆頭鉆進(jìn)。鉆井液根據(jù)地層情況，使用清水或聚丙烯混合液鉆進(jìn)，協(xié)助孔底巖屑排出。鉆孔過(guò)程中，使用了孔底混合泥漿堵溶洞，聚丙烯泥漿護(hù)壁填充裂隙、孔底溶洞漏水，干孔下放內(nèi)管總成等工藝方法，保障鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度，于 512.68 m 終孔停鉆，巖心采取率達(dá)到96.8%，探明了鉆孔方向地質(zhì)特征，達(dá)到勘探找礦目的，驗(yàn)證了輕量化坑道鉆機(jī)搬遷運(yùn)輸方便、鉆進(jìn)能力大、效率高的特點(diǎn)。

1730 中段處于巷道建設(shè)階段，路面未鋪設(shè)鐵軌且斷面小，鉆機(jī)由4 人完成拆解搬遷到位工作。鉆進(jìn)到481 m 時(shí)出現(xiàn)了卡鉆現(xiàn)象，鉆機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)力起拔后成功掃孔脫困，進(jìn)一步驗(yàn)證了鋁合金給進(jìn)裝置、底座以及提升架滿足強(qiáng)度要求。分體式泵站在潛孔段施工時(shí)，只用了一個(gè)泵站，孔深不斷加深后同時(shí)開啟兩個(gè)泵站，有效節(jié)約了能耗。

5 結(jié)論

a.輕量化坑道鉆機(jī)采用高強(qiáng)度鋁合金材料替代傳統(tǒng)碳鋼材料減輕部件質(zhì)量，并用模塊化和快速連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)易拆裝，最大單件質(zhì)量292.5 kg，降低了搬遷運(yùn)輸?shù)膭趧?dòng)強(qiáng)度。

b.通過(guò)DIC 散斑測(cè)量方法分析得出，最大回轉(zhuǎn)扭矩工況和最大起拔力工況鋁合金給進(jìn)裝置關(guān)鍵部位的最大位移為6.317 mm，均未產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)尺寸與性能的塑性變形，滿足使用需求。

c.鉆機(jī)在云南滄源縣某礦現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)中完成了深度512.68 m 的繩索取心鉆孔，鉆孔巖心采取率為96.8%，體現(xiàn)出鉆進(jìn)能力大、操作便捷的特點(diǎn)，提高了勘探效率，為礦山安全高效開采地質(zhì)信息獲取提供了裝備保障。

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