CBQ-30A型輕便取樣鉆機的研制與應(yīng)用

朱 慧， 趙彥軍， 劉 志， 李勇前， 蔡 周

(長沙探礦機械廠，湖南 長沙 410100)

0 引言

CBQ-20型背包式取樣鉆機，整機輕便，適用于各種淺層地質(zhì)調(diào)查，能實現(xiàn)“以鉆代槽”[1]。通過走訪客戶了解到該鉆機存在以下缺點：(1)鉆具口徑較小，不能與常規(guī)鉆具通用，需要專門定制；(2)取樣直徑偏小，不滿足樣品化驗要求；(3)無輔助加壓結(jié)構(gòu)，單人作業(yè)勞動強度大；(4)受限于設(shè)備自身鉆進(jìn)能力，鉆進(jìn)深度有限。長沙探礦機械廠原暢銷機型WTY-30，雖鉆探能力優(yōu)于CBQ-20型鉆機，但整體偏笨重、各部件拆解性差。

為貫徹落實地質(zhì)勘查“十三五”發(fā)展規(guī)劃，開展綠色勘探實踐[2]，大力推廣淺層取樣鉆探技術(shù)，解決特殊淺覆蓋地層取樣難題，滿足當(dāng)下地質(zhì)調(diào)查、填圖等系列業(yè)務(wù)對新型輕便、高效取樣換代裝備新需求[3-13]，針對以上兩款機型的優(yōu)缺點，長沙探礦機械廠于2017年研制成功了CBQ-30型便攜式取樣鉆機，并于同年將第一代試制樣機進(jìn)行升級優(yōu)化，升級后產(chǎn)品型號確定為CBQ-30A型(見圖1)。相較CBQ-30型取樣鉆機，CBQ-30A機型便捷性得到了明顯的改善。

圖1 CBQ-30A型輕便取樣鉆機

1 CBQ-30A型輕便鉆機的研制思路

(1)根據(jù)勘查取樣目標(biāo)及深度要求，并參照WTY-30型鉆機，確定新機型鉆進(jìn)深度、扭矩、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)行程等主要技術(shù)參數(shù)以及配套鉆進(jìn)鉆具。

(2)在滿足取樣鉆進(jìn)能力的前提下，重點實現(xiàn)設(shè)備小型輕便化，優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)。選擇輕巧型動力機、小型水泵，主要功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計側(cè)重拆裝方便快捷。

(3)考慮野外地質(zhì)勘查環(huán)境，減少零部件種類和易損件的數(shù)量，按功能分解設(shè)計模塊，降低生產(chǎn)和施工成本[4]。

2 CBQ-30A型輕便鉆機的主要結(jié)構(gòu)

CBQ-30A型輕便取樣鉆機主要由動力機、離合器、變速箱、水龍頭及傳動機構(gòu)組成。其主要技術(shù)參數(shù)為：

名義深度：30 m(?75 mm)；

鉆桿規(guī)格：?33.5 mm×750 mm；

最大扭矩：120 N·m；

轉(zhuǎn)速：200、500、800 r/min；

給進(jìn)行程：1.2 m；

最大加壓力：10 kN；

手輪加壓比：22∶1；

動力機功率：3.2 kW；

鉆機質(zhì)量：120 kg；

鉆機尺寸(長×寬×高)：1306 mm×608 mm×2788 mm；

水泵流量：40 L/min；

水泵壓力：3 MPa；

水泵質(zhì)量：25 kg；

水泵功率：4 kW。

2.1 動力機選型

國內(nèi)背包式鉆機常采用二沖程汽油發(fā)動機，在實際應(yīng)用過程中，隨著鉆進(jìn)深入，鉆具與孔壁之間摩擦力逐漸加大，鉆進(jìn)深度>5 m時，會出現(xiàn)鉆進(jìn)乏力的情況，影響施工效率，甚至導(dǎo)致卡鉆[14]。

通過調(diào)研對比各品牌和型號汽油機，選用進(jìn)口HONDA GXV160型汽油機。該汽油機型式為單缸、四沖程、強制空氣冷卻，凈重15.5 kg，功率3.2 kW，最高轉(zhuǎn)速3600 r/min，最大扭矩9.6 N·m時，轉(zhuǎn)速為2500 r/min。具有質(zhì)量輕、容易啟動、操作方便省力等優(yōu)點，符合CBQ-30A型便攜式取樣鉆機設(shè)計的要求。

2.2 離合器設(shè)計

根據(jù)CBQ-30A型輕便取樣鉆機使用工況條件，要求離合器拆裝方便、質(zhì)量輕，能實現(xiàn)過載保護(hù)，避免加接或拆卸鉆桿時停機[4]，選用離心離合器帶彈簧閘塊式，其受力分析如圖2所示。該離合器的離心體是閘塊，啟動開始靠彈簧作用，閘塊不與殼體接觸。當(dāng)動力機輸出軸達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速n0時，閘塊有效離心力Q超過彈簧力T，閘塊開始與殼體逐步接合傳遞轉(zhuǎn)矩Tt。相關(guān)參數(shù)理論計算[15]如下。

圖2 帶彈簧閘塊式拉簧受力示意圖

(1)計算轉(zhuǎn)矩：

Tc=βTt

(1)

式中：Tc——轉(zhuǎn)矩，N·cm；β——工作儲備系數(shù)，一般取β=1.5～2；Tt——需傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·cm。

(2)傳遞扭矩所需離心力：

Qj=Tc/(Rμz)

(2)

式中：Qj——傳遞扭矩所需的離心力，N；R——閘塊外半徑，cm；μ——摩擦面材料摩擦因數(shù)；z——閘塊數(shù)量。

(3)閘塊有效離心力：

(3)

式中：Q——離心力，N；m——單個閘塊質(zhì)量，kg；r——閘塊質(zhì)心S所處半徑，cm；n——正常工作轉(zhuǎn)速，r/min；n0——開始接合轉(zhuǎn)速，r/min，一般取n0=(0.7～0.8)n。

(4)摩擦面壓強：

p=Tc/(R2bφμz)≤pp

(4)

式中：p——摩擦面壓強，N/cm2；R——殼體內(nèi)半徑，即閘塊摩擦半徑，cm；b——閘塊寬度，cm；φ——閘塊所對角度，(°)；μ——摩擦面材料摩擦因數(shù)；pp——摩擦面許用壓強，N/cm2。

(5)預(yù)定彈簧力：

(5)

式中：T——預(yù)定彈簧力，N；L1、L2、L3——長度(詳見圖2)，cm。

通過上述理論驗算，獲得計算扭矩Tc=1425 N·cm，傳遞扭矩所需離心力Qj=489.69 N，閘塊有效離心力Q=1159.49 N，摩擦面壓強p=0.346 N/cm2，預(yù)定彈簧力T=499.37 N。滿足預(yù)期設(shè)計要求，離合器結(jié)構(gòu)見圖3。實際測得，當(dāng)動力機怠速為1000 r/min時，處于離合狀態(tài)；逐步調(diào)大油門，提高轉(zhuǎn)速至1700 r/min時，閘塊與殼體運動同步，可完全接合傳遞扭矩。

圖3 離合器結(jié)構(gòu)

2.3 變速箱設(shè)計

為了滿足多數(shù)淺覆蓋層施工工藝要求，設(shè)計變速箱輸出3擋轉(zhuǎn)速：200、500、800 r/min。國內(nèi)同類鉆機變速箱，通常需要更換第一級減速齒輪，才能實現(xiàn)高低兩種速度的轉(zhuǎn)化[6]。CBQ-30A型便攜式取樣鉆機的變速箱(見圖4)設(shè)計采用兩級齒輪變速，同時沿用自主專利結(jié)構(gòu)換擋機構(gòu)，通過手動輕松實現(xiàn)三擋變速。該換擋機構(gòu)可避免三聯(lián)齒輪擠壓和換擋撥塊磨損，防止跳擋，保證換擋可靠。變速箱體外殼選用鑄鋁ZL104，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊，強度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，尤其適合野外地質(zhì)調(diào)查工作的需求。

2.4 水龍頭設(shè)計及水泵選用

圖4 變速箱結(jié)構(gòu)

常規(guī)水龍頭試鉆時，由于沖洗液摻雜沙粒，結(jié)構(gòu)內(nèi)O形密封圈易形成環(huán)道磨損間隙，導(dǎo)致漏水。CBQ-30A型便攜式取樣鉆機改用Y形橡膠密封圈，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)(見圖5)簡單、密封可靠。

圖5 水龍頭結(jié)構(gòu)

該水龍頭結(jié)構(gòu)包含水龍頭芯軸、水龍頭體和水管接頭。水龍頭芯軸連通變速箱輸出軸，傳遞扭矩，貫穿水龍頭體。水龍頭體內(nèi)部兩端成對裝配帶防塵蓋深溝球軸承，實現(xiàn)水龍頭芯軸和水龍頭體相對運動。水龍頭體外壁安裝水管接頭，連通水龍頭芯軸內(nèi)孔，配合兩組Y形橡膠密封圈，再連接水泵形成密封式水道。

根據(jù)便攜式取樣鉆機施工確定水泵流量40 L/min和壓力3 MPa，并考慮配套設(shè)備輕量化，故選用市場上成熟化產(chǎn)品：T45動力噴霧機。除去噴頭，直接將噴霧機出水口通過水管與水龍頭的水管接頭相連。該噴霧機動力為汽油機，且整機為擔(dān)架式，輕便易搬遷。通過試鉆驗證，其水壓穩(wěn)定，可替代工程類常規(guī)水泵輔助常規(guī)取樣鉆進(jìn)。

2.5 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)按功能分為底架和塔架兩部分，其余主體模塊見圖6。利用“鏈輪-鏈條”傳動方式實現(xiàn)鉆進(jìn)、提升。

圖6傳動機構(gòu)

Fig.6Transmission mechanism

以底架為基座，可根據(jù)取樣地層施工情況，按需就地取材增加配重，保證施工過程鉆壓穩(wěn)定。避免出現(xiàn)因鉆機輕巧，振動幅度過大，影響取樣質(zhì)量。原底架包含“鏈輪-鏈條”傳動下鏈輪支座，通過焊接固定，分體搬遷必須拆解鏈條，增加輔助作業(yè)。優(yōu)化后，將“鏈輪-鏈條”傳動劃歸塔架，僅需拆解底架與塔架之間裝配螺栓，實現(xiàn)模塊化拆分。

塔架為龍門式，副撐桿和滑移桿搭配底架基座，構(gòu)成穩(wěn)定性傳動機構(gòu)，包含兩組“鏈輪-鏈條”。傳動Ⅰ連通給進(jìn)機構(gòu)、頂座；傳動Ⅱ依次連接下鏈輪座、滑移架和頂座。當(dāng)轉(zhuǎn)動給進(jìn)組件手輪時，傳遞扭矩至頂座，關(guān)聯(lián)傳動Ⅱ。變速箱攜帶動力機安裝至滑移架上，三者同步沿滑移桿升降，實現(xiàn)給進(jìn)提升。為提高作業(yè)效率，降低勞動強度，設(shè)計滑移架為開箱式，變速箱能讓開孔口。再利用增高架和加長桿提升鉆塔總高，滑輪組件為鋼絲繩導(dǎo)向正對孔口，實現(xiàn)手搖絞車一次性提升多根鉆桿。

3 應(yīng)用情況

CBQ-30A型樣機在不同施工地進(jìn)行試鉆驗證，各項參數(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。該鉆機推廣進(jìn)入市場后，迅速得到客戶青睞。

2017年11月，在安化縣東坪鎮(zhèn)大村，某水利水電勘察院購置了CBQ-30A型輕便鉆機進(jìn)行水壩勘測孔施工(見圖7)。地處偏僻，交通不便，只能靠人力搬遷設(shè)備。計劃勘測地以灰層巖為主，3～5 m為覆蓋層，開孔?110 mm，終孔?75 mm，鉆深達(dá)12～20 m，獲得的完整巖樣如圖8所示。

圖7 水壩勘測孔施工現(xiàn)場

圖8 獲取的巖心

2018年4月，某勘探隊參與漣源市碧桂園某樓盤地基勘查孔施工(見圖9)，土質(zhì)粘性較大，下有斷層和碎石。因受限于施工場地，無法使用常規(guī)工勘鉆機。該勘探隊購置了CBQ-30A型輕便鉆機，采用?75 mm三翼鉆頭鉆穿覆蓋層，再更換電鍍金剛石鉆頭，進(jìn)行普鉆取心，鉆深達(dá)6～8 m。

圖9 地基勘查孔施工現(xiàn)場

根據(jù)用戶使用反饋意見，CBQ-30A相較CBQ-30具有以下特點：

(1)更換了水龍頭密封件，改用多組Y形橡膠密封圈，解決了漏水問題。

(2)將“傳動Ⅱ”結(jié)構(gòu)中上下鏈輪合為一體，下鏈輪支座通過螺栓與底架相連，實現(xiàn)模塊化迅速拆裝。

(3)考慮人性化設(shè)計，降低手輪安裝位置，增加給進(jìn)組件。同時，縮小手輪直徑，使整機比例協(xié)調(diào)。

(4)利用給進(jìn)組件，限制滑移架滑移行程，避免過度旋轉(zhuǎn)手輪出現(xiàn)誤操作。

(5)改用手搖絞車提升鉆具，省時省力，提高了施工效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過多地生產(chǎn)試驗證明，CBQ-30A型輕便取樣鉆機基本滿足淺覆蓋地區(qū)地質(zhì)調(diào)查對綠色勘查的特定需求，化解勘查與環(huán)境之間的矛盾，減少大型鉆探設(shè)備搬遷過程中便道施工對植被造成的影響。

為突出該款取樣鉆機輕便、快捷兩大優(yōu)勢，后續(xù)擬將從以下方向進(jìn)行優(yōu)化：(1)結(jié)構(gòu)件改用鋁合金系列材料，將整機輕量化。(2)在各模塊化之間設(shè)計可靠連接構(gòu)件，拆裝快捷。使之成為城市地質(zhì)調(diào)查填圖和取樣、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查快速取樣的首選裝備，促進(jìn)淺層取樣技術(shù)向新設(shè)備、新工藝方向快速發(fā)展。