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第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY light weight; DIC speckle measurement; aluminum alloy 矿产资源经过多年的勘探开发，浅部资源逐渐 减少，部分老矿区急需加强深部找矿工作，寻找接 替资源，延长矿山寿命[1-3]。深部找矿的摸底探边工 作，对地质矿产资源可持续开发具有重要意义[4-6]。 坑道勘探可避开上部采空区，相对于地表勘探能节 省大量的钻探工作量，沿矿床层带多角度钻孔，实 现金属矿山的边探边采，是一种经济、高效的勘探 手段[7-9]。 国外目前坑道勘探以全液压动力头式钻机为主， 这类钻机技术先进，可靠性较高，可有效利用坑道空 ChaoXing 第 4 期 凡东等 轻量化坑道钻机的研制及应用 47 间实现远程操作等优点，应用广泛。但其主机材料主 要由碳素钢制成，质量大，在恶劣运输条件下移动搬 迁困难，进一步解体拆装难度大，需要专业装配人员 参与，增加了钻探的周期、难度和成本[10-12]。 针对以上问题，采用轻型结构及模块化设计思 想，研制了主要部件由高强度铝合金材料制成的 ZDY1200G 型轻量化坑道钻机。 根据铝合金材料力学 特性及可加工性， 结合钻机部件受力情况， 在给进机 身、提升架和底座等承受弯矩小的部件上使用铝材。 其他部件采用轻量化与模块化快速拆装的设计。 1 轻量化结构设计 ZDY1200G 型钻机图 1运用“易拆装、部件轻” 的设计理念，采用模块化和快速连接结构实现易拆 装。钻机由主机、泵站、操纵台 3 部分组成，摆布 灵活、解体性好。并利用快速连接结构，使夹持器、 回转器、底座、电机等可快速拆解。钻机快速拆解 后，单部件最大质量为 292.5 kg。 图 1 ZDY1200G 全液压坑道钻机 Fig.1 ZDY1200G full hydraulic drill rig 在对轻量化坑道钻机使用需求与施工能力进行 调研后，确定钻机主要能力参数表 1。 表 1 ZDY1200G 主要能力参数 Table 1 Main ability parameters of ZDY1200G 物理量 参数 额定转矩/Nm 1 200～280 额定转速/rmin-1 310～1 000 主轴倾角/ -90～90 最大给进/起拔力/kN 85 电动机额定功率/kW 3737 1.1 给进装置 钻机给进装置承载钻进过程中钻杆的给进运 动，当出现孔内事故时，要能够进行强力起拔，使 钻具脱困，是钻机的重要承力部件。坑道钻机在井 下受限空间施工，对钻机的体积和质量要求较高， 如何增大钻机的能力，同时减轻质量是设计过程中 的难点。 给进装置采用一支双杆双级双作用油缸图 2， 两级油缸总行程 1 000 mm，质量 109 kg。油缸的活 塞杆固定在给进机身两端，缸体沿活塞杆运动，采 用双杆双极双作用油缸可以在短机身上获得长行 程。油缸采用钢杆与钢筒两端同步进出油的方式， 避免了常规双级缸只在缸杆进油，需要较厚的钢筒 壁设置油路的问题。 图 2 给进油缸 Fig.2 Feeding cylinder 给进机身的主梁使用一整张轻质合金折弯，并 与端板等辅件焊接而成图 3。快速拆解拖板后，给 进机身质量为 253.4 kg。若需要进一步拆解，则可 将机身后端 6 个内六角螺钉拆除后就能将油缸拆 除，去掉油缸后的给进机身质量仅为 145 kg。 图 3 给进机身 Fig.3 Feeding frame 1.2 组合式泵站 钻机的动力系统由 2 个小泵站组成图 4， 降低 了搬迁重量。 浅孔作业只需 1 个泵站即可进行工作， 有一定的节能效果。2 个泵站同时工作时，2 个油箱 液面高度的控制是个难题，会造成油液溢出。 图 4 组合式泵站 Fig.4 Combined pump station ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 48 卷 为此，在该系统中设计了吸油多泵共用连通、回油 比例分配的油路，在 2 台泵站高差控制在 150 mm 以内均不会出现溢流现象。 2 铝合金材料选型及测试 2.1 材料选取 铝合金常用的分类从 1 系到 7 系，每个系列都有 各自不同的特点。不同牌号、状态的铝合金在硬度、 强度、耐蚀性、加工性、焊接性、装饰性等方面都存 在着明显的差异[13]。坑道钻机主机存在大量的焊接结 构件。相对而言，2 系和 7 系的铝合金较难焊接， 而 5 系铝合金焊接性较好[14]。所以，本文选取了几种 常用的焊接性能良好的铝合金进行性能对比表 2。 表 2 材料性能对比 Table 2 Comparison of properties of aluminum alloy 材料类型 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 5052-H12 160 210～260 70 5052-H38 210 270 70 5083-O 125 275～350 69 对比分析后发现，H38 态的 5052 不仅能够进 行 90折弯[15]，而且屈服强度能够达到近似 Q235 低碳钢的 210 MPa，同时具有良好的可切削性[16-17]， 所以选取 5052-H38 作为钻机给进机身与底盘等的 材料。 2.2 样件试验 由于铝合金材料导热率大，焊接时容易产生受 热不均匀的现象， 采用钨极氩弧焊保温焊接的方法， 对烧融部位进行保温，使焊接区域均匀受热。为了 验证焊接工艺的可行性与焊缝的可靠性，以及箱型 机身结构的承载能力，加工机身样件并进行了试验 验证。根据弥散裂纹模型，当单元的最大主应力超 过抗拉强度时，单元在最大主应力垂直方向形成无 数平行微裂纹，垂直方向的长度对裂纹发展不产生 影响[18]。因此，考虑到检测设备对被检测样件的尺 寸要求， 及垂直方向的长度对裂纹发展不产生影响， 加工的机身样件长度为实际机身长度的四分之一， 其余尺寸均与实际机身尺寸相同。试验主要模拟机 身实际工况，采用在机身两端通孔施加拉力与压力 的方式对变形量进行检测。 2.2.1 抗压试验 额定抗压试验在 SANS 微机控制电子万能试验 机上进行，试验机型号为 CMT5105。该机最大试验 力为 100 kN。试验时，机身试件平放于试验台上， 上端采用压盘对端板的中心孔施加载荷。 试验采用逐级施加的方式，以 10 kN 为间隔。 加载到目标压力后进行卸载，然后再施加下一级压 力。试验过程中的变形量随着载荷的增加不断呈线 性增大的趋势图 5， 施加 90 kN载荷的变形量最大， 为 1.57 mm。初次施加 10 kN 作用力时，样件在相 同的压力下产生了较大的位移，究其原因在于曲线 1 初次施加载荷时， 端板表面产生了轻微的塑性变形， 形成压痕，此后多次加载压力，当压力 90 kN 时， 压盘位移仍为 1.57 mm。 图 5 抗压数据曲线 Fig.5 Compression resistance data curve 2.2.2 破坏性试验 为了解该机身样件的极限承载能力，进行了破 坏性试验。 使用液压式万能试验机， 型号 LAW-1000， 该试验机最大载荷为 1 000 kN。 压力机平台上压盘施加的压力作用于穿过端板 通孔的螺钉上。试验采用 K30 脉冲输出型拉线传感 器测量塑性变形。拉线传感器采用增量编码器的检 测方式，将传感器主体与拉头分别固定在机身上下 端板，分辨率为 0.005 mm。前文的抗压试验测试了 样件 90 kN 以下承压能力，本次试验从 90 kN 起继 续对试件进行测试表 3。 从表 3 可以看出，当压力超过 200 kN 时， 弹性变形超过 2 mm，压力卸载后塑性变形 1 mm， 机身端板变形开始肉眼可见。当压力达到 300 kN 时，试件弹性变形与塑性变形均较严重。 拉伸试验使用两支带端头的螺杆，螺杆穿过机 身样件通孔后用卡扣固定， 用以连接样件与试验机。 试验机选装适合夹装螺杆尺寸的卡瓦，卡瓦抱紧螺 杆两端头进行固定。 根据抗压破坏数据可得出压力 150 kN 内变形 量较小，因此，抗拉破坏试验从 150 kN 开始逐级加 载拉力再卸载，抗压破坏试验数据见表 4。当拉力 达到 220 kN 时，端板处焊缝产生肉眼可见裂纹，随 着拉力的增加，裂纹不断扩展，当拉力达到 300 kN 时，焊缝彻底断裂，端板变形明显图 6。 ChaoXing 第 4 期 凡东等 轻量化坑道钻机的研制及应用 49 表 3 抗压破坏试验数据 Table 3 Test data of compression failure 加载力/kN 塑性变形/mm 弹性变形/mm 90 0 0.62 100 0.04 0.76 110 0.16 0.86 120 0.16 0.90 130 0.22 1.02 140 0.26 1.12 150 0.30 1.24 160 0.42 1.40 170 0.48 1.54 180 0.60 1.70 190 0.62 1.80 200 0.76 2.00 210 1.00 2.34 220 1.22 2.62 230 1.52 2.98 240 1.92 3.48 250 1.96 3.50 260 1.96 3.52 270 2.42 4.06 280 3.84 5.64 290 3.94 5.76 300 5.50 7.42 表 4 抗拉破坏试验数据 Table 4 Test data of tensile failure 加载力/kN 塑性变形/mm 弹性变形/mm 150 0 1.92 160 0.02 2.06 170 0.02 2.20 180 0.04 2.34 190 0.20 2.64 200 0.46 3.02 210 0.86 3.56 220 1.34 4.20 230 1.94 4.96 240 2.74 5.92 250 3.72 7.06 由以上试验可得出，当拉压力达到给进机身实 际使用要求 85 kN 时， 弹性变形 1.5 mm 左右图 5， 塑性变形 0.14 mm，重复加载 85 kN 拉压力后，塑 性变形消失。原因在于铝合金表面硬度低，拉压 力使铝合金表面产生轻微塑性变形，可通过加大 螺母与铝合金机身的接触面积解决。当拉压力达 到 200 kN 左右时，样件开始产生明显塑性变形，由 此可知，安全系数实测可达 2.35，满足使用要求。 图 6 拉伸焊缝破坏 Fig.6 Tensile weld failure 3 三维 DIC 散斑测量 结合铝合金样件测试结果，加工完成后的样机 在国家安全生产西安勘探设备检测检验中心甲级 的钻机性能综合试验台上进行检测。该检测台最大 测试扭矩15 000 Nm，最大测试功率155 kW， 满足最大给进起拔力 85 kN， 最大扭矩 1 200 Nm 的 检测的要求。 为了分析铝合金钻机机身在极端受力条件下的 变形情况，本文采用三维 DIC 散斑系统进行变形量 观测。先后对钻机回转状态下机身最大承扭变形和 起拔状态下机身最大承拉变形进行了检测。 3.1 最大承扭变形检测 测量回转负载产生的变形时，用钻杆将钻机 与转矩传感器、回转加载装置连接起来，加载装 置由低到高逐渐加载，利用 DIC 散斑系统，测量 回转器主轴输出转矩对应的形变。主要有以下几 个步骤。 a. 区域划定 在钻机给进装置靠近托板部分 划定实验观察区域图 7，区域大小与标定板对应， 图 7 DIC 测试区 Fig.7 DIC test area ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 48 卷 选用 400 mm300 mm 标定板幅面，通过镜头焦距 和相机夹角，计算出测量头与被测表面的距离为 900 mm，相机在横梁上的距离为 400 mm。按照距 离参数完成测量设备的调整及现场布置。 b. 喷斑处理 在被测区域用白色油漆对表面 进行喷涂，待风干后再喷涂黑色油漆，从而在被测 区域表面生成白色背景的黑色小圆点阵，生成均匀 错落的黑斑点，制造不同区域特征的独特性，防止 散斑相似计算过程被干扰。 c. 相机标定 测量开始前，先对相机的空间位 置进行准确求解。在 DIC 软件中设定标定板的比例 尺，采集 8 个左右的状态计算完成标定。生成相机 内外参数，即可对被测物体表面各个节点在每个状 态下的空间坐标进行解析及观测。 d. 图像采集 创建散斑测量工程， 采集初始状 态作为基准，设置的采集间隔为 2 张/s，在扭矩加 载过程中连续采集直至结束。 e. 工程计算 划定散斑域和创建种子点之后 即可完成计算，其中散斑的面片大小为 20，步长为 15。 计算完成后，将被测表面最大主应变输出，如 图 8 所示。 图 8 最大回转负载云图 Fig.8 Cloud chart of maximum rotation load 通过 DIC 散斑测量得出极限回转工况铝合金给 进机身最大主应变为 0.87。图 9 为所选择的指定 点在各个状态下的最大主应变绘制出来的曲线，最 大主应变正值表示观测点产生拉应变，负值表示观 测点产生压应变，可以看出应变随回转器的转动， 在拉应变与压应变之间呈周期性波动。 3.2 最大承拉变形检测 测量最大给进起拔产生的变形时，承拉 DIC 测 试方法和承扭时的基本一致，区别在于拉伸测试输 出的数据为位移， 而承扭时输出数据为最大主应变。 然后创建静态变形工程，依次导入各个状态下 的摄影测量工程并输入工程参数，然后计算，计算 完成后建立变形域并将所需要观测部位的非编码点 添加进去并激活，即可显示出各个状态下所选区域 点的位移变化趋势图 10。 图 9 指定点应变曲线 Fig.9 Strain curve of specified points 图 10 最大拉伸负载云图 Fig.10 Cloud chart of maximum tensile load 通过 DIC 散斑测量得出最大拉伸负载工况铝 合金机身关键部位最大位移为 6.317 mm，位移随 着给进机身拉力的增大而不断增大，拉力卸载后 位移消失。 4 现场工业性试验 钻机在云南省沧源县某矿进行了现场工业性试 验，试验场地位于 1730 中段，该中段目前处于巷道 建设阶段。矿区内部地层构造复杂，下部伴有遗留 巷道，矿藏埋深较大，急需采用坑道钻探的方式提 高找矿效率[19-20]。 为探明 13 穿矽卡岩硫化矿在区域 内的附存状况，施工 KZ19-1301 号钻孔，开孔斜向 下 43，方位角南偏西 30。 采用 ZDY1200G 型钻机配套 BW-250 泥浆泵钻 进。钻进前，先在孔口钻入一节 89 mm 套管，长 度 100 mm，高出地面约 20 mm，作为孔口管使用， 防止岩粉倒灌。孔口管安装完成后使用 71 mm 取 心钻杆与 76 mm 金刚石孕镶钻头钻进。钻井液根 据地层情况，使用清水或聚丙烯混合液钻进，协助 孔底岩屑排出。钻孔过程中，使用了孔底混合泥浆 堵溶洞，聚丙烯泥浆护壁填充裂隙、孔底溶洞漏水， 干孔下放内管总成等工艺方法，保障钻孔达到设计 深度，于 512.68 m 终孔停钻，岩心采取率达到 ChaoXing 第 4 期 凡东等 轻量化坑道钻机的研制及应用 51 96.8，探明了钻孔方向地质特征，达到勘探找矿目 的，验证了轻量化坑道钻机搬迁运输方便、钻进能 力大、效率高的特点。 1730 中段处于巷道建设阶段，路面未铺设铁轨 且断面小，钻机由 4 人完成拆解搬迁到位工作。钻 进到 481 m 时出现了卡钻现象，钻机进行了强力起 拔后成功扫孔脱困， 进一步验证了铝合金给进装置、 底座以及提升架满足强度要求。分体式泵站在潜孔 段施工时，只用了一个泵站，孔深不断加深后同时 开启两个泵站，有效节约了能耗。 5 结 论 a. 轻量化坑道钻机采用高强度铝合金材料替 代传统碳钢材料减轻部件质量，并用模块化和快速 连接结构实现易拆装，最大单件质量 292.5 kg，降 低了搬迁运输的劳动强度。 b. 通过 DIC 散斑测量方法分析得出， 最大回转 扭矩工况和最大起拔力工况铝合金给进装置关键部 位的最大位移为 6.317 mm，均未产生影响结构尺寸 与性能的塑性变形，满足使用需求。 c. 钻机在云南沧源县某矿现场工业性试验中 完成了深度 512.68 m 的绳索取心钻孔，钻孔岩心采 取率为 96.8，体现出钻进能力大、操作便捷的特 点，提高了勘探效率，为矿山安全高效开采地质信 息获取提供了装备保障。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 滕吉文. 强化开展地壳内部第二深度空间金属矿产资源地球 物理找矿、勘探和开发[J]. 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