臧臣坤1，何磊1，孙*盈1，高明帅1，宋志亮1，宋海燕2，*江2
（1.中地装（北京）科学技术研究院有限公司，北京；2.中地装张家口探矿机械有限公司，河北张家口）
摘要
为了满足深部找矿的需求，结合立轴钻机结构紧凑、适应金刚石绳索钻进工艺的要求，提升设备自动化、智能化程度，并尽可能降低钻机成本，研制了XY-9DB电传动立轴式岩心钻机。在油缸、卡盘加压给进基础上，加装高位转盘装置，实现深孔时长行程自动送钻，避免深孔时钻具重量加大导致卡盘夹紧失效产生钻具打滑或者由于给进油缸的行程受限导致钻进效率及辅助钻进时间过长。钻机采用变频电机驱动、现场总线通讯和PLC可视化程序控制等技术，实现钻机无极调速及智能化控制。本文主要介绍了钻机的结构、总体技术方案、主要参数及野外试验情况等。
关键词
电传动；立轴式岩心钻机；交流变频；高位转盘
随着我国经济的快速发展，人口数量急剧的升高，人类对资源的需求急剧增大，大宗矿产、稀缺有色矿产供需矛盾日益突出，很多大中型矿山已经进入中晚开采期，成为制约我国经济可持续发展的因素之一。习近平总书记也在年的全国科技大会上，提出了向地球深部进*是我们必须解决的战略科技问题。随着我国地质成矿理论、物化探手段的快速发展，表明我国深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，但仍需要钻探手段进行验证，这就需要有相适应的钻探设备进行支撑。因此，开展符合新时代智能化的深孔岩心钻机，对于开展深孔钻探，具有十分重大意义。
1国内外现状
国内固体勘察钻机主要采用的有立轴式岩心钻机、全液压岩心钻机、电传动岩心钻机等；在浅孔地质勘探施工中，由于立轴钻机结构紧凑、传动效率较高、价格便宜等特点，虽然工人劳动强度大，但仍在可接受范围内，仍被广泛应用，但在m以深的地质勘探施工中，立轴钻机由于其卡盘、给进油缸自身的缺陷，已无法满足施工要求。全液压钻机随着孔深的增加，钻进效率更加低下，处理事故能力更弱，需要更加强劲的动力输入，维护检修更加困难，施工难度、施工成本急剧增大，所以国内没有适合m以深的全液压岩心钻机。为满足深孔岩心钻进需求，中国地质装备集团有限公司在吸收国外先进钻机及石油钻机先进理念的基础上，研制了XD35DB顶驱式岩心钻机，在核工业第一科钻施工中创造了P口径.88m的国内取心记录，随后与中地装衡阳探矿机械有限公司共同研发了XD20/30/40DBTD电传动顶驱式岩心钻机。同时，中装集团与勘探技术研究所共同承担了国家十二五重点研发计划项目，成功研制了m电传动顶驱/转盘式岩心钻机，已顺利通过国家验收，目前正在共同承担国家十三五重点研发计划项目—m智能地质装备的研发工作。该类钻机均采用先进的顶驱+转盘式给进方式，交流电驱动，辅助时间短、效率高，劳动强度低，工艺适应性强，但价格相对较高。在分析以上钻机的优缺点后，结合市场需求，与中地装张家口探矿机械有限公司共同研发了XY-8DB、XY-9DB电传动立轴式岩心钻机。
国外钻探设备主要使用全液压动力头式钻机，自动化程度高，工人劳动强度低，但由于液压系统传动效率低，钻机体型较大，深孔钻进效率也较低，而且价格十分昂贵。目前很多国外钻探设备公司也在吸收电传动的优点，逐步在推广使用电传动岩心钻机。
2XY-9DB钻机结构特点及性能特点
2.1XY-9DB钻机整体结构特点
由于立轴钻机在国内的保有量最大，熟悉程度最高，操作人员素质普遍不高，考虑新设计的钻机既要满足新型钻机数字化、自动化特点，又要符合立轴式岩心钻机结构紧凑、井场面积小的结构模式和立轴油缸加减压等操作特点，降低工人操作难度，解决机械立轴钻机深孔时油缸给进行程短、钻具重卡盘打滑等问题，满足m地质钻探施工需求，同时尽可能降低设备成本，最终确定研发以立轴钻机为基础的全电传动、数字化、智能化、信息化的全新XY-9DB电传动立轴式岩心钻机。
XY-9DB钻机主要包括钻塔、平台、主机、司钻房、VFD房、绳索绞车、水龙头、动力钳、孔口夹持、泥浆泵、等部件组成，其结构见图1所示。钻机以V交流电作为动力源，容易获取。
图1XY-9DB钻机三维图
2.2钻塔及平台
XY-9DB钻机与机械式立轴钻机结构、大小差距较小，也可与A型钻塔、四角塔、K塔等各类型钻塔、高低平台配合使用，本次研发的XY-9DB电传都立轴钻机根据客户要求，采用26m四角塔，钻塔最大钩载95t，平台高度2.2m。
2.3XY-9DB钻机主机
XY-9DB钻机主机主要包括主绞车系统、回转给进系统、液压动力系统、底架等。其中回转给进系统主要包括回转电机、万向轴、回转器、给进油缸、主轴、卡盘、高位转盘等部件组成；液压动力系统主要包括液压动力站部件。所有部件均放置在钻机底架上，其结构见图2。
图2XY-9DB钻机主机三维图
2.3.1主绞车系统
主绞车系统具有快速提放钻具、慢速给进等功能。主驱动电机为kW8级变频电机，通过球笼联轴器与主减速连接，实现卷筒的高速大扭矩输出；15kW送钻电机先与小减速箱螺栓连接，在通过气动离合器与主减速机连接，；卷筒主轴插入减速箱输出轴孔内，实现动力传送，同时尽可能减小绞车整体宽度。卷筒另一侧安装有刹车盘、工作钳、安全钳，可实现电机短时悬停、工作钳比例刹车、安全钳长时间驻车等功能，同时可保证井场失电、离合器气压不足、油管断裂等情况发生时，绞车安全自动刹车，提升绞车整体安全性，三维图见图3。
图3主绞车系统三维图
2.3.2回转给进系统
回转给进系统主要包括回转电机、万向轴、回转器、给进油缸、主轴、卡盘、高位转盘等部件组成，其中回转器、给进油缸、主轴、卡盘均为原机械式立轴钻机相关部件，通过万向轴与回转电机连接，降低加工安装难度。在浅孔施工时，回转电机驱动卡盘回转，同时给进油缸下行实现加压钻进。在深孔施工时，将卡盘更换为高位转盘，电机驱动回转器从而驱动高位转盘回转，主绞车送钻功能配合使用，实现长行程减压钻进。高位转盘和卡盘均通过螺纹和立轴连接，更换方便。采用高位转盘钻进时，常规地质用水龙头已无法满足钻具重量要求，需要配备中装集团配套研发的高速重载水龙头，实现水龙头悬吊钻具并高速回转，见图4、图5。
图4回转给进系统三维图图5高位转盘三维图2.3.3液压动力站系统
为了实现钻机的模块化设计，方便液压、电气检查维修、改善液压和电气元件工作环境，提高元件寿命，将钻机上所有的电机、压夜泵、阀等液压元件与控制系统电器原件、空压机部件等全部放置在一个箱体内，液压动力站外仅布置有液压管线和各种控制电缆、传感器电缆等，实现液压电机部件的模块化设计，整体简洁、美观，三维外形图见图6。
图6液压动力站系统三维图
2.3.4钻机底架
钻机底架仍采用原机械式立轴钻机双层底架结构，中间安装有滑移油缸，保留钻机沿下层底架滑移让开孔口功能，实现主动钻杆高位悬挂。
2.4绳索绞车
绳索绞车主要功能是下放打捞矛、提取岩心内管，实现打捞岩心。主要由交流变频电机、减速机、卷筒、排绳机构等组成。此次采用一种新型的减速比可调的摩擦式排绳机构，通过摩擦力实现排绳轮的左右移动，实现排绳。通过手动调节减速比，可适用于不同直径钢丝绳，无需更换其他零部件。排绳机构与主卷筒之间由皮带轮连接，电机回转时实现卷筒和排绳机构同步运行，只需要初始排绳时将排绳挡轮位置调整合适即可，操作简单。配合张力传感器和绳长、绳速传感器，可实时监控钢丝绳的受力状况、下放深度和打捞矛速度，及时知道打捞矛到位情况，减少岩心打捞时间，降低打捞事故的发生，提高效率，三维图见图7。图7绳索绞车三维图
2.5控制系统
XY-9DB立轴式岩心钻机主要部件均采用独立的变频器驱动，所有变频器、PLC综合柜、MCC供电柜等均布置在VFD房内；系统采用西门子公司可编程序控制器、ABB系列变频器、控制系统采用Profibus数字控制技术，对各部件主电机及钻进参数进行采集、传输、运算并根据程序控制执行单元。
司钻房内安装有触摸屏、操作手柄、操作手轮、监控屏等，所有钻机动作均通过操作手柄、手轮、触摸屏实现，所有钻机参数、报警信息、故障代码均可在触摸屏上显示，钻机上所有关键部位均安装有摄像头，画面实时传输到司钻房内监控屏上，真正实现可视化数字化施工。同时，配合中装集团研发的远程传输监控系统，可在任客户端观看设备运行状况、设备运行参数、施工进展，并可进行远程视频及语音传输等，其内部结构见图8。
图8司钻房内部
3钻机主要特点
（1）钻机在XY-9型机械式立轴钻机基础上进行改进，保留了液压卡盘、给进油缸等装置，可实现开孔时加压钻进，符合小口径地质岩心钻探操作习惯。
（2）新研发高位转盘装置，可与液压卡盘方便互换，实现在深孔时高位转盘回转、恒钻速/恒钻压长行程自动送钻功能，避免深孔时卡盘严重打滑和给进行程太短造成的各类事故从而无法正常钻进。
（3）钻机采用交流变频电机驱动，具有过载能力，处理事故能力强；能做到的按需输出功率，能源消耗低，经济效益好。
（4）主要部件均单独采用变频电机驱动，数据采集唯一，便于对孔内状况、设备状态、及工艺参数的实时判断，发现问题及时处理，降低设备及孔内事故的发生概率，提升钻进效率，实现数字化钻进。
（5）井场配有摄像头，司钻人员可在司钻房内清楚看到井场各关键部件，仅需要在房内操作各种按钮、旋钮，工作环境舒适，劳动强度低，作业环境得到极大改善。
（6）配有动力钳及孔口卡瓦装置，基本实现机械化作业，井口作业人员劳动强度也得到极大的改善。
（7）钻机采用交流V工业电作为母电源，动力源方便获取。
（8）模块化设计，设备组装方便、维护简单。
4主要技术参数（见表1）
表1XY-9DB电传动立轴钻机主要技术参数
5野外试验
XY-9DB立轴式岩心钻机在拜泉、青冈天然气项目进行了野外试验，设计孔深均为m，采用S95绳索取心钻杆、φ98钻头，绳索取心工艺。目前拜泉工地钻进深度达到m，由于已经达到钻探目的，所以决定在m深度终孔；青冈工地钻进深度多米，前期主要采用卡盘油缸给进，m后采用新型重载高速水龙头与主绞车、高位转盘配合，进行长行程自动送钻。给进行程由原来的0.8m提升至9m，极大的提升了钻进效率，降低由于频繁导杆造成的孔壁扰动，降低事故发生，客户给予极大好评。野外施工及岩心照片见图9。
图9施工现场及岩心照片
在施工过程中，钻机工作基本正常，现场施工人员认为该钻机总体性能先进，作业环境舒适，操作简单，安全性高,使用成本低,钻机的主要技术性能也得到验证。同时设备也出现了一些问题，一是由于东北冬季极其寒冷，液压泵密封件在低温时会变脆，失去弹性，密封性能下降，造成泵体进气从而发热损坏；二是钻机提钻时主绞车提升钻具与卡盘松开钻具时机较难把握，操作不当容易发生墩钻或卡盘被拽起等事故，需要进一步进行优化，目前希望通过程序设定实现主绞车提钻时卡盘根据设定条件自动松开。
6结语
新研发的XY-9DB立轴岩心钻机以传统机械传动立轴式岩心钻机为基础，保留卡盘、油缸加压给进功能，满足地质岩心钻进薄壁钻杆金刚石开孔钻进时加压需求，研制高位转盘，实现长行程送钻，避免深孔卡盘打滑及立轴行程太短等问题；同时钻机具备井场视频监控、设备运行监测、司钻房控制、井口作业机械化等特点，提升了施工作业的舒适性、设备事故处理能力，绿色节能，提升了钻进效率，节约成本，提高了我国深孔地质钻探装备整体水平。
新研发的XY-9DB立轴岩心钻机具有较大扭矩，除传统地质岩心钻探外，也可适用于浅层地热、水井、石油勘探等领域，特别是具有结构紧凑、形体小，设备价格便宜、搬迁运输费用低、日运行费用低等特点，市场潜力巨大。
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作者简介
臧臣坤，男，汉族，年生，高级工程师，地质工程专业，从事钻探设备的设计与开发工作，北京市西城区*寺大街24号院明湖大厦，zck
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