礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟發(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，巖心鉆機又是巖心鉆探工作開展的核心設(shè)備；因此，針對巖心鉆機進行的研發(fā)工作對社會經(jīng)濟的發(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地區(qū)和中東部難進入地區(qū)轉(zhuǎn)移，這對巖心鉆機自身的結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求，需要在滿足鉆探工作穩(wěn)定進行的條件下，盡可能地實現(xiàn)鉆機的輕量化，以便于在交通不便的情況下實現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)場搬運。
1 國內(nèi)外巖心鉆機輕量化設(shè)計現(xiàn)狀分析
輕量化是一個涵義非常廣泛的設(shè)計準(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，使機構(gòu)實現(xiàn)更大的加速度、更少的能源消耗以及更高的運輸效率。輕量化設(shè)計方法主要有材料輕量化設(shè)計、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和模塊輕量化設(shè)計。在巖心鉆機這一領(lǐng)域，國內(nèi)外輕量化設(shè)計主要是針對液壓動力頭巖心鉆機進行的，因與新立軸式鉆機相比，液壓動力頭鉆機具備以下優(yōu)點。
(1)鉆機整體性強，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搬遷一次只需1～2d，傳統(tǒng)立軸式鉆機搬遷一次則需要4～7d。
(2)鉆機鉆進適應(yīng)性好。針對不同的巖層，須使用不同的鉆進工藝，對鉆機轉(zhuǎn)速的要求也不同，液壓動力頭巖心鉆機不僅可以實現(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可以根據(jù)使用不同要求方便地增設(shè)不同的機構(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的液壓回路切換到履帶行走液壓馬達回路即可。
目前，我國液壓動力頭巖心鉆機在輕量化設(shè)計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、貴州遠東兄弟、西安探礦機械廠以及陜西核昌機電裝備有限公司等。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輕量化設(shè)計方面也有著不錯的表現(xiàn)。筆者將從輕量化設(shè)計的角度，對國內(nèi)外制發(fā)企業(yè)現(xiàn)有的液壓動力頭巖心鉆機的輕量化現(xiàn)狀進行分析比較。
1.1 材料輕量化設(shè)計
材料輕量化設(shè)計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)計方法?，F(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、纖維增強材料以及高分子材料(包含橡膠、塑料和TPE等)，輕量化設(shè)計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，進而定義所需相關(guān)材料的特征值，通過對材料進行評估，確定材料性能優(yōu)先權(quán)，并對其進行加權(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中，加拿大FORDIA公司研制的Eider系列巖心鉆機在材料輕量化設(shè)計方面尤為突出。其中Eider1100U型鉆機主機部分(見圖1)85%的結(jié)構(gòu)是由7079高強度航空鋁型材加工制造而成，使得鉆機的主機部分質(zhì)量僅為1905kg，鉆機整機包括發(fā)動機、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1100m的巖心鉆機來說，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)計主要集中在巖心鉆機的一些零部件和輔助設(shè)備上，如鉆機導(dǎo)軌、天車、夾持器、絞車滾筒、底座、泥漿泵、鉆桿和巖心箱等。在巖心鉆機鉆探能力一定的條件下，使用鋁合金鉆桿可鉆達鋼鉆桿無法到達的深度；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構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、給進和提升機構(gòu)的質(zhì)量也會得到一定程度的減少，減輕了工人勞動強度。
1.2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計
結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計包括2個方面：①在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概念設(shè)計過程中，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)造以及實壁體和殼體；②對已建立的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)3D模型進行拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等優(yōu)化設(shè)計，使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在給定的設(shè)計空間上獲得較優(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到輕量化的目的。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法在巖心鉆機上的應(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)計的更為簡單、輕便。
