论文部分内容阅读
近年来，由于经济的快速发展，国内对矿产资源消耗量增长较快，部分重要矿产供求缺口不断加大。随着开采的加剧，地表矿藏日渐枯竭，地下浅、中层矿藏储量逐年减少，而我国重要矿产勘查由于多种原因还仅限于500米以内。国外的经验证明，500米以下的深部大有作为，地质找矿已转向地层深部发展。因此，中国政府部门特别强调提升地质装备水平，提高现有地质装备的利用效率，增强矿产资源勘查核心技术和关键装备的自主研究开发能力。
从目前国内外地质勘探技术发展现状看，还没有哪一种地质探测技术能够代替取心(样)钻探技术，并能最终准确确定地下矿产资源的品位、埋藏深度、储量等一系列物化参数。因此，取心(样)钻探技术在未来地质找矿中仍然起着不可取代的作用。
金刚石绳索取芯钻进技术作为地质取芯找矿，特别是深孔和复杂地层取芯钻探施工的最有效的技术方法，它保证了钻探效率、施工成本、取心质量及地质成果，而且对缩短勘探周期，加快开发利用具有重要的社会意义。2007年5月科技部“863资源环境领域”也专门设立2000米岩芯钻机重大科技专项，项目总经费1000万。针对上述情况，我们与金地钻探机械有限公司合作，瞄准目前国内该领域的产品空白，提出了“深孔全液压金刚石岩芯钻机”的选题。
经过前期调研、方案分析、计算设计和详细设计等环节，完成了论文研究。论文由八章组成，内容包括：深孔岩芯钻机的发展现状与未来趋势；总体方案设计：钻塔结构设计及有限元分析；动力头总成设计；液压绞车设计；下夹持器及水龙头设计；液压及监控系统设计；总结与研究展望。
第一章论述了全液压岩芯钻机节的研究现状、发展趋势和存在问题，指出顶驱式、全液压控制和适用于深孔是目前岩芯钻机的主流，而我国目前还没有自主知识产权的、超过1500m的全液压深孔岩芯钻机，经过市场调研和经济技术分析，我们确定了“电液控制深孔岩芯钻机”作为研发和论文选题。
第二章在充分国研究对比国内外岩芯钻机，尤其是国外先进产品(如Boart Longyear、Atlas Copco)的基础上，对JD15深孔岩芯钻机进行了技术和产品可行性分析，确定了JD15深孔岩芯钻机的主要技术参数，完成了钻机的机械结构、液压系统、电液控制、控制界面分析和设计，最终形成了JD15深孔岩芯钻机顶驱式结构、全液压传动、电液比例控制的总体设计方案。
第三章展开了JD15钻机的钻塔设计，主要工作有：①完成了钻塔的结构设计，确定了塔架的整体桁架结构，塔架有天车、上塔和下塔三部分，通过螺栓连接。给进方式为单独油缸推进，在确保提升力的前提下减小了塔架的尺寸和重量。②依据钻塔结构特点，对塔架进行了载荷分析，完成了塔架强度及稳定性计算，并运用有限元方法进行了优化和校验计算，在保证强度及稳定性的基础上，实现了塔架结构的优化。③完成了给进油缸和起塔油缸的计算与选型。
第四章展开了动力头总成的设计，将动力头回转变速和钻具夹持设计为一体，主要完成了以下工作：①完成了动力头总成主要零部件的设计计算和详细结构设计；高转速、大通孔直径的动力头结构设计。②夹持器的设计采用液压夹紧/松开的结构形式，实现了大夹持力下的快速灵敏动作，为防止液压系统由于瞬时掉压，引起滑钻事故，在结构设计时考虑了机械自锁，保证工作时机械自锁与液压自锁和蓄能器补压结合，实现三重保护，确保夹持器工作安全可靠。此设计有一定的创新。
第五章完成了主副液压绞车的结构设计和零部件设计计算，重点对副绞车展开。运用电液比例控制技术，通过对绞车工作参数的检测与反馈控制，实现了液压绞车的安全收放，尤其是重钩自由下落时的安全监控，在保证岩芯采取率和样品品质的基础上，实现了绞车的节能高效运转。液压绞车的重钩自由下落电液控制是本设计的另一个创新点。
第六章对下夹持器和水龙头展开了设计，主要工作有：①通过对液压木马夹持器的机构分析，建立了液压木马夹持器的力学模型，并运用matlab软件计算出各节点的载荷大小，由此确定液压木马夹持器零部件的结构尺寸。所设计夹持器在夹紧时，让给进油缸处于浮动或伸长工况，夹持器偏心块会随钻具重量的变化自动调节夹紧力，使系统处于平衡状态；拧卸钻杆时，在夹持器依靠自重产生的夹紧力不够的情况下，可通过动力头施加轴向负载，提高夹持器夹紧力，此时为钻具自重与动力头施加轴向负载之和，保证钻杆拧卸时不会打滑。该结构使钻具夹持更加安全可靠，降低了工人劳动强度。②对水龙头进行了结构设计，该产品结构简单、易于清洗维护，在密封方面采用轴向调整环调整，保证了密封的可靠性和高速回转下的高寿命。
第七章完成了液压控制系统和监控系统软硬件的设计。通过计算，选定了电液控制系统的全部元器件：对监控系统进行了软硬件联调，模拟测试运行稳定可靠。为更好实现监控功能，除设计了检测、通讯、控制等基本功能外，还增设了信息设置和信息管理功能，两功能的增加，可有效利用大量的现场钻探数据，为研究钻头在不同地质条件下的工作机理提供了条件，同时有助于合理选择钻探工艺，科学钻探。
第八章对论文进行了总结和研究展望。由于经费问题，所设计钻机虽然通过了项目评估专家组评审，但只完成了单片机控制部分的模拟测试，未能做出样机，在实际应用过程中肯定存在一些问题，希望在今后的工作中能弥补这一不足。
论文主要技术成果为：
1、完成了钻塔总成、动力头总成、下夹持器、水龙头、主绞车、副(取芯)绞车、控制台、泵站及钻机总成的设计计算和各级装配图、所有零部件图。
2、完成了深孔全液压岩芯钻机电液比例控制系统设计，计算选定了液压系统中所有液压元器件。
3、完成了监控系统的软硬件设计。
论文创新点体现如下：
1、所设计的钻机适用于地表取芯，实现了电液比例控制，在钻进过程中，能够实时监控钻进速度、钻进压力、转矩、钻进深度和油温等参数，为更好实现监控功能，除具备通讯、检测、控制等基本功能外，还增设了信息设置和信息管理功能，两功能的增加，可有效利用大量的现场钻探数据，为研究钻头在不同地质条件下的工作机理提供了条件，同时有助于合理选择钻探工艺，科学钻探，扶助司钻人员在钻进过程中预测各种工况并及时进行处理，使岩芯钻探向智能化发展，实现高效深孔取芯。在技术上具有集成创新。
2、对液压绞车重钩自由下落控制系统的设计是论文的另一个创新点。液压绞车重钩自由下落过程中，实现下落速度、加速度等参数的控制，保证取芯装备安全。
3、在结构分析的基础上，对钻机的钻塔进行了载荷分析与有限元分析，有限元分析结果与理论计算结果相符，确保了钻塔结构的合理性和总体的优化。
该钻机项目评审专家组认为：钻机专门为固体矿藏地表取芯作业而设计，适用于金刚石绳索取芯、冲击回转、定向钻进、反循环连续取芯(样)等多种高效钻探工艺方法。所有功能均为液压驱动，操控精准便捷，与传统的立轴式钻机相比，取芯作业的效率及安全性大大增加。钻机制造成本不到国外同类钻机的一半，可替代进口产品。该项目提交的鉴定技术资料完整，数据详实可靠，在技术上具有集成创新，绞车重钩自由下落控制系统的设计为首创，钻机具有较高的自动化程度，项目研究总体达到国内先进水平。