论岩心钻机轻量化设计

摘 要：由于对深层矿产资源探索的需求日益提高，人们越来越重视对钻探工程的研究。作为钻探工程核心设备的岩心钻机，近些年来也逐渐成为人们研究的重点。本文通过分析岩心钻机的应用现状和应用环境，说明了岩心钻机轻量化设计的必要性，并重点分析了岩心钻机的轻量化设计，主要从设计要求、参数选择、主塔设计和有限元分析四个方面进行了探讨，具有重要意义。

关键词：岩心钻机；轻量化设计；有限元分析

引言

矿产是人类生产生活必不可少的资源，为人类的生存和持续发展提供了重要的物质保证，而衡量一个国家经济发展后劲是否足的一项重要内容就是矿产资源是否丰富。上世纪末，我国浅层矿产资源得到充分开发，GDP因此得到了快速增长，经济状况得到极大改善[1]。然而，伴随着越来越高的经济发展需求和越来越大的人口增长压力，矿产资源的开发和利用与经济发展所呈现出的矛盾也越来越深刻。

1. 岩心钻机轻量化设计的必要性

钻探工程是确定矿体储量和品位、分析地质情况、开发油气田、设置水文水井等施工的一种重要方法。岩心钻机又是这项工程中最为重要的一项装备。钻机是一种带动钻具的机械设备，能够从地下取出岩心、气样、液样等实物，让人们能借此分析出地质及矿产资源情况[2]。我国现有已探明资源已经相对较少，在这种情况下，探矿行业得以快速发展，而岩心钻机的随之需求大增。目前，在固体矿产开采中，国外的开采深度已经超过2000米[3]。近些年来，我国矿产的开采力度持续增强，浅层矿产的储量已经明显下降，很难满足我国经济发展的需要，严重制约了经济的持续快速增长。当前，我国的岩心钻探设备主要存在的问题是钻体质量大，体积大，难以进行搬迁，非常不适合在丘陵地区或者山区进行使用。因此，在这种形式下，新型轻量化的岩心钻机设计就成了岩心钻机的发展方向。

2. 岩心钻机的轻量化设计

2.1 轻量化设计要求

对于1000米以上的岩心钻机，首先要求其结构紧凑、具有较好的可拆卸性，另外最好能使用模块化设计方案。钻机还应该具有较强的刚度、强度、抗震性，这样才能承受住钻探施工过程中的冲击和反作用力。其次，钻机的传动应该平稳，设计的转速档位应当合理。再次，钻机的回转扭矩还要足够大，提升力满足使用要求，还应该有一定的应对孔内事故的能力。最后，在进行设计时，尽量选择标准配件，减少制作和生产时间，也便于进行维修和保养。

2.2 设计参数选择

设计参数选择是否合理直接决定了岩心钻机的性能。设计参数包括：整机重量，立轴行程、转速和内径以及最大扭矩，立轴极限提升力和极限压力，卷扬机极限速度和极限起重量，钻孔倾角等。钻进孔深的确定主要是参考钻机的用途，另外也需要参考国家标准或者行业中对钻孔深度的标准规定，一般情况下，钻进孔深应用较多的是1000米以上。钻孔直径包括开孔和终孔两个方面，它的范围因孔深不同而变化，孔深越大，孔径范围也相应的越大。钻杆直径是指孔道钻进时钻杆的外径，这个参数直接对回转器的能力和升降机的尺寸产生影响。钻杆直径的选择与孔径和孔深都有关系，当钻杆小孔径 大时，钻杆容易发生孔内弯曲，导致工作条件变差，影响钻孔质量也容易发生事故。钻孔所能达到的倾角范围就是钻孔倾角，因钻机的类型、用途不同而不同。回转器提供的回转扭矩一般与钻孔直径的平方成正比，一般而言，工程扭矩越大则钻机钻进能力也越强。升降机构是在发生孔内事故时的主要处理事故工具，所以其性能对钻机的整体性能有非常大的影响。

2.3 主塔部分设计

主塔是组成钻机的一项主要部分，深孔施工的状态决定了其必须要有超强的承载力，要同时具备强度和刚度。而且钻塔还应该具备一定高度，这样才能保证在较少的辅助时间内，起下钻具有较高的效率。另外，最重要的一点是为了方便在山区使用，钻塔结构要进行轻量化设计。当钻机深度超过1000米时，设定提升力，然后根据主塔的力学性能情况，选择材质，一般采用铝合金，焊接形式为5052，能获得比较优异的焊接结果。然后导轨以45钢调制， 采用螺栓固定的方式与主塔连接。

2.4 有限元分析

对于设计人员来说，静力分析作为的工程结构分析手段，一般在求解与时间关系不大或无关的静力载荷影响下的响应值，从而得到节点力和位移、单元应力和内力、约束反力和应变能等数据，这种分析一般还会同时提供重心及重力数据。静力分析有两种情况，第一种静力分析是在惯性释放条件下，根据结构的惯性作用，计算得到自由结构在没有约束情况下的静力载荷和在加速度狀态下的准静态响应。第二种静力分析是在非线性条件下，借助非线性模块实现静力分析的。在这种分析中，可以同时将结构的非线性情况考虑在内。 主要包括大应变、大变形、大转动的几何非线性，蠕变、塑性等的材料非线性以及接触非线性等。

建立有限元模型中的分网格步骤作为一个重要环节，需要将较多问题考虑在内，因此这部分工作量较大。静力分析时，当结构变形是唯一的计算要求时，网格数量不必太多。 但是一旦需要进行应力计算，在相同的精度要求条件下，网格数量应该取得较大。 在相同的响应计算中，计算位移响应相比于计算应力响应的网格数可以取得少一些。

3. 结论

由于岩心钻机的体积和质量大大限制了其使用的灵活性，所以轻量化的设计方向成为岩心钻机的热门。本文从轻量化设计要求、设计参数选择、主塔部分设计和有限元设计四个方面对岩心钻机的轻量化设计进行详细探讨。由于时间和作者水平限制，本文仅是一次探索，还存在许多不足之处，在后续的研究和工作中会继续改进。

参考文献：

[1]李文秀，孟义泉，董向宇，等.YDX—1型轻便岩心钻机的研制与应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（2）：8～14.

[2] 欧阳志强，陈刚，雷统平，等.XD系列电传动顶驱岩心钻机的研制[J]. 地质装备，2017，（8）：11～14.

[3] 高鹏举，董耀.基于ANSYS Workbench的轻便岩心钻机动力头有限元分析[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（9）：20～25.

作者简介：

宋康，1992年5月4日，男，汉族，江苏徐州，本科，助理工程师，工程机械