XY-8智能化全液压千米探矿钻机、钻井平台、地源热泵钻机

 xy-8型智能岩芯钻机是以金刚石和硬质合金钻进为主的岩心钻探设备，主要适用于地质、冶金、煤炭、水文、工程等行业，也可用于工程地质勘探、浅层天然气开采、矿山坑道通风、排水、水文水井钻进以及大口径基础桩工程施工等。它是一种先进的、智能化程度较高的岩心钻探机械。 在目前我国15万个矿山企业中，有相当一部分大、中型矿山到了中晚期，可采量与储量锐减，新增储量青黄不接，对经济发展和社会稳定造成很大压力，党中央、国务院已经认识到上述严重的形势，相继制定了“危机矿山接替资源勘探规划”、“加强地质工作的决定”等措施，并拨50亿元的地质勘查专项基金，以推进地下矿产资源的勘探速度。从目前地质找矿探测技术的发展现状看，利用钻探取心(样)方法确定地下矿产资源的品位、埋深、Zui终的储量等信息在未来相当长的时期内仍是的技术手段。我国地质找矿钻探装备被认为比较落后，难以满足国家对加速地质矿产资源的勘探开发的要求，所以从用户到到国家都认为应该开发先进的地质勘探装备。

目前我国的地质勘探钻机一直沿用前苏联的设计思路和理念，很多钻机都是上世纪六、七十年代的技术水平。（见图）我国在钻探机械国家标准及行业标准的更新速度上显得过于滞后，目前很多厂家还在执行上世纪90年代初期“地质矿产部”的部颁标准。在深度找矿的过程中，之前的钻机面临着无法逾越的困难——就是对施工现场的掌控。老型号的钻机都是机械式传动，机械式仪表，没有智能化感应和控制系统。施工过程中过分依赖工人的经验和主观判断。在过去浅孔施工的时候，这种模式尚且勉强，当孔深达到或超过1000米时，这种传统的施工方式便显得既落后又危险！因为仅仅凭借几块机械式压力表，无法将1000米深地下的情况清晰地描绘出来，极易造成钻孔事故，导致钻孔报废和人力物力巨大浪费。

图1  --老式钻机

国外进口造价高昂的全液压钻机也无法满足精准控制的要求。而且存在能耗高，维修保养成本奇高且不方便的难题。其液压操控系统繁杂，操作人员不易掌握，液压元件寿命较短，维修保养麻烦（如下图）。

图2：全液压钻机繁杂的液压操控系统

2012年1月，公司成立了技术研究小组，决定参照国内外先进机型，研发1000—2500米范围内岩心勘探钻机。公司先后派出五个调查组走访新疆、内蒙、贵州、青海、甘肃等地客户，广泛听取建议和意见，了解深层岩心钻探中客户Zui大的困难和风险在哪里。经过走访得知，用户Zui大的困难和风险来自井下事故。      

我公司研发组以如何规避井下事故，降低钻探风险为课题展开研发。依据不同的钻探施工工艺要求，开始起草本智能钻机设计草案。 在钻机操控及安全性能、产品外形、总体结构形式、关键电、液元器件的选型等方面，进行了大胆创新，克服了原有普通机械式钻机无法实现自由选取转速和控制扭矩的的难题，同时能够根据钻杆的强度设定电机的回转扭矩，系统可以凭借预设参数提前采取相应措施，有效地控制钻探过程中因负载的突然增大而导致的断钻、埋钻、卡钻、烧钻等现象，从而提高工作效率，避免巨大的人力、物力损失。    

本系统的核心在于直接转矩控制（direct torque control——dtc）。该项技术现已广泛应用于石油顶驱控制系统，是国外应用较早，成熟可靠的电控技术。目前全世界只有德国西门子、英国eurotherm（欧陆）、瑞士abb能掌握此项技术并生产相关控制单元。换言之，我公司研发的钻机电控系统就是石油顶驱控制系统的简化版本。

研发大致过程如下：

①为有效避免井下事故，在该智能化钻机钻进过程中必须对主传动系统的转矩加以控制，使其在钻杆钻具可承受的范围内运行。且根据转矩变化值的监测，感知钻进过程中的潜在风险。（如图）可以实现同等转速条件下转矩可调的控制模式有直流电控和交流变频，考虑到交流变频中的转矩控制较为复杂，目前全世界只有瑞士abb产品较为成熟但造价高昂，经过多方论证Zui终选择直流电控方案。 ②在设计过程中，遇到了较多的涉及结构形式的问题：Zui初设计时，考虑到操纵位置距离孔口较近，卷扬机的提升制动手柄仍然安装于钻机主机卷筒处。经过公司设计人员与实际操作人员相互沟通，发现操作者站在塔架吊钩下操纵卷扬机，危险性比较大，操作者的劳动强度大，违背了本智能钻机的设计初衷。经过反复论证，决定将卷扬机的控制系统也与主机剥离出来， 成为一个独立的模块。（如图） 

③立轴的给进速度在刚开始设计时，仍然沿用了原来的原始的观测方式：通过记录立轴导杆上面的刻度尺移动的距离和所用时间，然后才能计算出立轴给进的速度。这样无论是从产品档次上，还是操作者的掌控方便程度上，都是比较落后的。后来采用了加装数码光栅尺的方法，使其给进参数可以直观的显示在系统显示屏上面，大大方便了操作者。

产品研制过程中发现的问题及改进措施    

xy-8型智能岩芯钻机是一种全新型的岩心钻探设备，在没有可供参考的实物的情况下，通过大量市场相关类别的调研，和用户之间的沟通了解，设计了Zui初的智能岩心钻机。后来经过多次实际现场实用检验，逐步暴露出了一些问题，并且不断寻找质量缺陷，随着这些问题的逐项解决，使得整机设计逐步趋于合理。    

从第一台产品样机开始，研制过程中发现和解决的问题主要有以下几个方面：  

1、全数字直流调速和交流变频调速控制系统的设计、安装与调试。公司在数字控制技术方面虽然具有一定的基础，但是针对本智能钻机全新数字控制系统的全面设计，尚属首次，具有一定的难度。公司领导研究决定与西北工业大学航天学院进行校企合作，将一部分电控系统外包给西工大，同时聘请德国电气专家迈尔·赫穆特来公司现场指导安装、调试。保证了钻机电器控制系统的合理性和可靠性。 （见图）   

2、在产品样机的实验过程中发现，钻机的电力液压推杆制动器在制动时出现了动作延时现象，而且制动力矩不足。公司电气技术人员通过研究，调整了控制系统，设定制动器的动作时间，同时加大了制动器制动弹簧的弹力，增大了其制动力矩。改进后使用效果良好。

3、液压系统的手动换向阀安装于电气控制柜上，与主机距离较远，液压管路过长，引起液压系统压力、流量损失较大，严重影响了钻机液压系统的操控性能。而且液压元件与电气元器件混装在一起，液压管路容易渗漏，极易引发安全事故的发生。后经技术小组的改进，采用华德液压的电磁换向阀，将换向阀安装于独立的液压站上，液压站放置于主机的近距离处，液压站的电磁换向阀与主机间的连接选用快速插装式接头，方便了整机拆解和安装。

4、为方便用户拆卸及移动钻机，电气部分改用四个集成快速插头（四个插头尺寸不同，不会产生错误连接），液压系统管路连接也改为快速接头，钻机进场准备时间大大缩短。

还有若干因设计、制造、安装、采购、操作等带来的问题，这些问题在产品的不断改进、优化设计和关键技术点创新中得到了很好的解决。

2012年9月，由山东省机床及通用机械质量监督检验站完成对改进后的xy-8型智能岩心钻机的检测，并出具检验报告。其检验结论：钻机各项技术性能指标均达到或优于标准或设计任务书的要求。

试制完成后下一步工作：

1、进一步引进、消化吸收国外同类产品的先进技术，借鉴其它类别产品的优点，改进提升产品综合水平。

2、进一步规范和完善产品设计图样和工艺文件。

3、在关键元器件方面继续加大研发力度，提高整机性能，进一步提高其智能化水平，更好的满足市场需求。

4、加强同高校和科研机构的联系和合作，加快产品升级，进一步提高整机优化设计水平，尤其是整机外观设计

智能电控钻机主机控制结构简介：

1、电、液智能控制柜操纵面板（如图所示）

xy-8型智能岩芯钻机的电、液控制系统显示面板主要由以下几个模块组成：

1、钻机回转控制显示屏

2、回转手动控制旋钮

3、回转手动控制推杆

4、主机系统参数数字显示屏

5、主机系统控制按钮

6、卷扬机手动控制推杆

7、电流表

8、可移动式卷扬机控制盒

9、电磁换向阀组控制按钮。

在钻机回转控制触摸式显示屏上，可通过直接输入数字设定或调整旋钮（或推杆）调整钻机的输出扭矩及转速，并能随时显示出实际工作时的实际扭矩及转速。主机参数显示屏上可以显示实际工作时的系列相关参数，如油液温度、油液压力、钻进时的给进压力等。钻机在负载扭矩突然增大时，直流电机可以产生堵转，避免钻进过程中的断钻、埋钻等事故的发生。操作者能够随时掌握钻进情况，可以放心大胆的施工，有效提高施工效率。

2、主机电器控制采用专用plc控制系统，变频器、驱动器采用日本三菱元器件，保证质量的可靠性。控制柜整体结构设计充分考虑防潮、防水、散热等安全因素，保证其使用寿命及安全性能。

3、液压系统液压站（如图所示）

本钻机液压系统采用了独立液压站为其提供液压动力，其操控阀组采用了华德液压电磁换向阀组。其质量稳定，操纵按钮集中于电器控制柜面板上，操控方便。其结构如图三所示。

它主要包括

1、电磁换向阀组

2、油泵及电机

3、液压油箱总成

4、液压蓄能器总成等几大主要部件。通过控制各电磁阀组的动作，可以分别控制钻机的加减压钻进、前后移机、液压卡盘的卡紧及松开。其控制按钮集中于电液操纵柜面板上，方便集中操作。

4、电力液压推杆制动器（如图所示）

其结构主要由制动架和与其相匹配的yt1型电力液压推动器两大部分组成。

主要包括：

1制动弹簧、2底座、3制动瓦、4制动臂、5杠杆、6推动器总成、7jyf102a型电机、8推杆等。当通电时，电力推动器动作，其推杆迅速上升，并通过杠杆作用将制动瓦打开（松闸）；断电时，推杆在制动弹簧的弹力作用下，迅速下降，并通过杠杆作用将制动瓦合拢（抱闸）。 电力液压推杆制动器的作用是通过制动瓦的松闸和抱闸控制由交流变频电机9传给制动轮10的回转运动，从而控制卷筒12的回转运动，实现钢丝绳的提升和下放。

主要特点及创新点

1、主要特点 xy-8型智能岩芯钻机采用机、电、液一体化集合技术，自动化程度高；操作安全、方便；钻进扭矩及转速可实现无级调速，钻进效率高；钻我们将钻探过程中复杂地层可能会给各个运动环节带来的数据波动预设进了系统，并设立了警戒值与极限保护值。虽然未能涵盖所有的状况，但常见的井下事故发生概率大大降低。由原本依靠工人经验的主观模式转变为依靠高科技控制系统和传感器的科学模式。

2、项目主要创新点： ①xy-8型智能岩芯钻机采用了独特编程的pc控制系统（如图）

此系统的应用，可根据钻杆的强度，设定其工作时极限扭矩值，当负载过大时，可提前报警，各项数据直观显现在显示屏上。在手动模式下施工者可根据显示信息，提前采取相应措施，在系统自动模式下电脑会按预设程序自动反应。系统可有效地控制钻探过程中因负载的增大而导致的断钻、埋钻、卡钻等现象，从而提高工作效率，避免巨大的人力、物力损失。 ②钻机的回转速度在一定范围内可实现无级变速，可根据钻进工况自由调控钻机回转转速。解决了其他普通机械控制钻机无法实现自由选取转速的难题，满足了钻探施工工艺多样化的需求。 ③钻机卷扬机操纵系统与主机分离，提升速度实现无级调速，有效提高施工效率，在有效降低工人劳动强度的前提下，避免了提放钻具时的人身伤害事故的发生。现在国内老式千米钻机(如黄海、张家口等)的整体结构为卷扬操控和主机无法分离，在施工时，塔架下的卷扬机始终不能离开操作人员及周边辅助人员，上部悬吊吊钩等重物，在提升或下放时，极易发生危险（如图）。而本智能型钻机的卷扬机操控系统与主机脱离，可通过可移动式的手动推杆或控制柜上的按钮实现远程操控，塔架下可无人守护，安全性能大大提高。 （如图）

④本钻机由机、电、液控制取代原有的全液压或纯机械控制。用控制系统和高性能传感器将主机，卷扬机，泥浆泵，液压系统等关键部位连为整体，在钻探现场形成一个闭环的系统。系统会监测和采集任何一个运动单元的变化与波动数值，及时发现施工过程中的潜在危险并根据预设模式的钻探工艺做出调整，使原来人工无法达到的高度协调性得以实现。

⑤控制系统带有超大容量记忆存储模块，可以全程记录钻探过程中主传动、卷扬机、泥浆泵压力/流量、钻进速度、扭矩波动的各项参数及各部位影像资料，可以代替原有的手工记录模式，记录可保存半年左右为日后地质分析和地质报告生成提供了准确依据。 ⑥ 钻机配备电子水平仪，能获知钻塔在调整过程中和施工过程中倾角变化并通过系统显示，避免因钻塔倾斜导致的钻孔跑偏。 ⑦xy-8系统携带的网络模块可进行远程通讯，完成系统升级、系统维护、故障诊断、数据传输等工作。

xy-8普通型号简介

1.采用气动换挡法士特8js118汽车变速箱和离合器，结构紧凑、合理，运转平稳，性能稳定，通配性好。 2.采用汽车专用软轴变挡机构，实现变速箱换挡的远程控制，气动换挡轻盈敏捷，操作人性化程度高。 3.具有合理的转速范围且转速基数多（正转8级，反转1级），低速扭矩大（Zui大达8000n.m)。 4.采用集中强制润滑机构，只要设备运转，单独的润滑油泵就会开启抽油，润滑油通过分油器抵达各个需要润滑的节点，在润滑传动机构的同时，油液会带走里面的热量，（润滑系统配备单独冷凝器），避免高转速高负荷状态下部件发热。 5.以渐开线花键立轴取代了传统的六方立轴，使得回转器的传动效率和承载能力成倍提高。且立轴通孔直径大(96毫米),双油缸液压给进，行程较长（可达1000毫米),工艺适应性强，特别适合大直径钻杆绳索取芯（上部取芯）钻进，有利于提高钻进效率和减少孔内事故。 6.钻进能力大，直径71毫米的绳索取芯钻杆额定钻进深度1650米。 7.重量轻、可拆性好、钻机净重6500kg。 8.液压松开常闭式液压卡盘，结构新颖 ，补偿性好，硬质合金镶焊式卡瓦结构，加紧力大，寿命长，工作可靠。 9.配有水刹车，深孔钻进时，下钻平稳安全。 10.采用齿轮泵供油，功率消耗少，液压系统油温低，工作稳定。系统中装有手摇油泵，当动力机不能工作时仍可用手摇油泵将钻具提离孔底，以免发生埋钻事故 11.结构先进紧凑，布局合理，所有部件均表露在外，不相互重叠，便于维护、保养、修理。 12. 钻机重心低，移车距离长（可达530），固定简单牢靠，高速钻进稳定性好。 13.配有防震仪表，有利于掌握孔内情况。钻机操纵手柄少，布局合理，操纵灵活可靠。

本产品的加工定制是是，品牌是恒信地矿，型号是XY-8，钻孔直径是75（mm），钻孔深度是2200（m），钻孔角度范围是0-360（°），电动机功率是75（kw），重量是6500（kg），破碎方式是回转式钻机，施工场地是地表钻机，用途是岩心钻机，钻探深度是超深孔钻机