礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，巖心鉆探是礦產(chǎn)資源勘探不可或缺的技術(shù)手段，巖心鉆機(jī)又是巖心鉆探工作開展的核心設(shè)備；因此，針對巖心鉆機(jī)進(jìn)行的研發(fā)工作對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。隨著易于開采和淺表資源儲量的減少，地質(zhì)勘探工作已開始向西部邊遠(yuǎn)地區(qū)和中東部難進(jìn)入地區(qū)轉(zhuǎn)移，這對巖心鉆機(jī)自身的結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求，需要在滿足鉆探工作穩(wěn)定進(jìn)行的條件下，盡可能地實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的輕量化，以便于在交通不便的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)場搬運(yùn)。
1 國內(nèi)外巖心鉆機(jī)輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析
輕量化是一個涵義非常廣泛的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，廣泛應(yīng)用于汽車、高鐵和航空航天等領(lǐng)域，其目標(biāo)是通過減輕質(zhì)量，使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大的加速度、更少的能源消耗以及更高的運(yùn)輸效率。輕量化設(shè)計(jì)方法主要有材料輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和模塊輕量化設(shè)計(jì)。在巖心鉆機(jī)這一領(lǐng)域，國內(nèi)外輕量化設(shè)計(jì)主要是針對液壓動力頭巖心鉆機(jī)進(jìn)行的，因與新立軸式鉆機(jī)相比，液壓動力頭鉆機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)。
(1)鉆機(jī)整體性強(qiáng)，搬遷時間短，更適合在交通不便的地區(qū)展開鉆探工作。一般情況下，液壓動力頭巖心鉆機(jī)搬遷一次只需1～2d，傳統(tǒng)立軸式鉆機(jī)搬遷一次則需要4～7d。
(2)鉆機(jī)鉆進(jìn)適應(yīng)性好。針對不同的巖層，須使用不同的鉆進(jìn)工藝，對鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的要求也不同，液壓動力頭巖心鉆機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且更方便施工不同傾角的鉆孔(45°~90°)。
(3)鉆機(jī)部件替換方便。由于各部件之間通過液壓管路連接，所以動力頭巖心鉆機(jī)可以根據(jù)使用不同要求方便地增設(shè)不同的機(jī)構(gòu)。如把拖掛形式改裝成履帶自行底盤，只需利用控制閥從供給泥漿泵液壓馬達(dá)的液壓回路切換到履帶行走液壓馬達(dá)回路即可。
目前，我國液壓動力頭巖心鉆機(jī)在輕量化設(shè)計(jì)方面的代表性單位有中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所、北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司、貴州遠(yuǎn)東兄弟、西安探礦機(jī)械廠以及陜西核昌機(jī)電裝備有限公司等。全球各地研發(fā)生產(chǎn)輕量化巖心鉆機(jī)的公司有美國BoartLongyear公司、瑞典AtlasCopco公司和瑞典Sandvik公司，此外，加拿大的HydracoreDrills和FORDIA公司在液壓動力頭巖心鉆機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方面也有著不錯的表現(xiàn)。筆者將從輕量化設(shè)計(jì)的角度，對國內(nèi)外制發(fā)企業(yè)現(xiàn)有的液壓動力頭巖心鉆機(jī)的輕量化現(xiàn)狀進(jìn)行分析比較。
1.1 材料輕量化設(shè)計(jì)
材料輕量化設(shè)計(jì)是一種在滿足物理力學(xué)性能前提下，用新型輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材的設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)代輕量化可選用的材料種類很多，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、超輕合金、纖維增強(qiáng)材料以及高分子材料(包含橡膠、塑料和TPE等)，輕量化設(shè)計(jì)的效果很大程度上取決于輕質(zhì)材料的選擇。選擇輕質(zhì)材料時，首先需明確構(gòu)件及其使用的目標(biāo)功能和邊界條件，進(jìn)而定義所需相關(guān)材料的特征值，通過對材料進(jìn)行評估，確定材料性能優(yōu)先權(quán)，并對其進(jìn)行加權(quán)評估，結(jié)合材料效率、加工工藝和制造成本等參數(shù)對符合性能要求的輕質(zhì)材料進(jìn)行分析比較，選取較優(yōu)的輕質(zhì)材料。
近幾年，國外輕質(zhì)材料在鉆探設(shè)備方面得到了很好的應(yīng)用。在眾多輕量化的液壓動力頭巖心鉆機(jī)中，加拿大FORDIA公司研制的Eider系列巖心鉆機(jī)在材料輕量化設(shè)計(jì)方面尤為突出。其中Eider1100U型鉆機(jī)主機(jī)部分(見圖1)85%的結(jié)構(gòu)是由7079高強(qiáng)度航空鋁型材加工制造而成，使得鉆機(jī)的主機(jī)部分質(zhì)量僅為1905kg，鉆機(jī)整機(jī)包括發(fā)動機(jī)、液壓管道和操作平臺在內(nèi)僅有3996kg，對于使用NQ鉆桿鉆深可達(dá)1100m的巖心鉆機(jī)來說，其質(zhì)量已相當(dāng)可觀。由于受到制造水平的限制，輕質(zhì)材料在國內(nèi)巖心鉆機(jī)上的應(yīng)用發(fā)展相對緩慢。目前，國內(nèi)材料輕量化設(shè)計(jì)主要集中在巖心鉆機(jī)的一些零部件和輔助設(shè)備上，如鉆機(jī)導(dǎo)軌、天車、夾持器、絞車滾筒、底座、泥漿泵、鉆桿和巖心箱等。在巖心鉆機(jī)鉆探能力一定的條件下，使用鋁合金鉆桿可鉆達(dá)鋼鉆桿無法到達(dá)的深度；在鉆探深度一定的條件下，由于鋁合金鉆桿質(zhì)量輕、其所需回轉(zhuǎn)功耗低、卸扣轉(zhuǎn)矩小，使得所配備的動力機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、給進(jìn)和提升機(jī)構(gòu)的質(zhì)量也會得到一定程度的減少，減輕了工人勞動強(qiáng)度。
1.2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)包括2個方面：①在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用輕量化構(gòu)造建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的3D模型，常見的輕量化構(gòu)造包括差動構(gòu)造、整體構(gòu)造、集成構(gòu)造、復(fù)合構(gòu)造以及實(shí)壁體和殼體；②對已建立的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)3D模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在給定的設(shè)計(jì)空間上獲得較優(yōu)的材料分布、優(yōu)良的尺寸和參數(shù)、優(yōu)良的位置和幾何形狀達(dá)到輕量化的目的。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法在巖心鉆機(jī)上的應(yīng)用主要集中在動力頭、桅桿、導(dǎo)軌、底座、支撐框架和一些輔助設(shè)備上。
所配置的液壓泵站，通過在發(fā)動機(jī)和液壓泵站的支撐框架之間增加一些橡膠支座形成差動構(gòu)造，差動構(gòu)造不僅可以有效地阻止裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)散，減輕連接處的應(yīng)力集中和腐蝕行為，還可以隔絕支撐框架與發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生的振動，有利于工程師將整個框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更為簡單、輕便。
