黃志強(qiáng)，喻洪梅，馬亞超，謝 豆，周 操

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

川渝地區(qū)是頁(yè)巖氣、天然氣的主要產(chǎn)區(qū)之一。為了將西南油氣田建設(shè)成為“西南氣大慶”的一個(gè)資源開(kāi)發(fā)區(qū)，必須加快川渝地區(qū)油氣資源的開(kāi)發(fā)。川渝地區(qū)的地貌以山地、丘陵等復(fù)雜地形為主，道路崎嶇不平，山路狹窄且陡峭，車載大型油氣勘探設(shè)備無(wú)法到達(dá)勘探現(xiàn)場(chǎng)，便攜式山地物探鉆機(jī)已經(jīng)成為川渝地區(qū)油氣勘探開(kāi)發(fā)的主要設(shè)備［1］。因此，對(duì)山地物探鉆機(jī)的輕量化、模塊化和搬運(yùn)的便利性提出了較高的要求［2-3］。山地物探鉆機(jī)是一種由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的勘探設(shè)備，作業(yè)時(shí)噪聲大［4］，尾氣排放量大，尾氣排放超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。又由于地形條件的限制及鉆機(jī)自身較重，鉆機(jī)搬運(yùn)不便，鉆井作業(yè)效率不高，操作人員工作環(huán)境差，限制了山地物探鉆機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用。

許多學(xué)者對(duì)山地物探鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。例如：賀子延等［5］設(shè)計(jì)了一種輕便氣動(dòng)鉆機(jī)，由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，鉆機(jī)各模塊質(zhì)量小于40 kg，總質(zhì)量為390 kg，采用插接連接、銷軸固定的方式，底架安裝橡膠罩體以減小尾氣對(duì)環(huán)境的污染，并通過(guò)在黃土塬地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明該鉆機(jī)具有較高的鉆井效率；樊慧文等［6］開(kāi)發(fā)了HY-40F新型山地鉆機(jī)，該鉆機(jī)分為發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、油泵油箱模塊、散熱器模塊、底座模塊、井架及支架模塊和動(dòng)力頭模塊，相較HY-40鉆機(jī)，各模塊和整機(jī)的質(zhì)量都較小，各模塊的質(zhì)量小于75 kg，整機(jī)質(zhì)量小于350 kg，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明了鉆機(jī)性能的可靠性；楊鳳申等［7］分別對(duì)山地鉆機(jī)的主機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)、井架、滑架以及新型空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配設(shè)計(jì)，減小了主機(jī)質(zhì)量（主機(jī)動(dòng)力模塊用1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)），減少了能量損失，保證了鉆機(jī)的鉆井穩(wěn)定性和負(fù)載能力，提高了鉆機(jī)的鉆井能力［7］。國(guó)外研制的山地物探鉆機(jī)主要有加拿大Canterra公司生產(chǎn)的CT-155/CT-255/256CT-200（主機(jī)）/CT-201（氣源）型鉆機(jī)、美國(guó)GEOREX公司生產(chǎn)的PT-100型鉆機(jī)、ARDCO公司生產(chǎn)的HMP-125型鉆機(jī)、法國(guó)Sercel公司生產(chǎn)的TD150S型鉆機(jī)和新加坡國(guó)家地震勘探公司生產(chǎn)的SS-175/SSC-110型鉆機(jī)等。上述鉆機(jī)均采用燃油機(jī)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)質(zhì)量在600 kg以上，且占地面積大，污染嚴(yán)重。其優(yōu)點(diǎn)為：采用組合框架結(jié)構(gòu)；鉆機(jī)底座采用擺動(dòng)架調(diào)節(jié)，底座支腿采用插銷調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)均比較方便；底架及井架采用手動(dòng)快速鎖緊機(jī)構(gòu)；皮帶張緊結(jié)構(gòu)較為合理［8］。

綜上，現(xiàn)有山地物探鉆機(jī)主要由汽油機(jī)和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)模塊和整機(jī)的質(zhì)量均較大，模塊數(shù)量較多，拆裝、搬運(yùn)不便，在鉆井作業(yè)時(shí)噪聲大、尾氣排放嚴(yán)重。為了改變現(xiàn)有山地物探鉆機(jī)的燃油驅(qū)動(dòng)方式，促進(jìn)鉆機(jī)向低噪聲、尾氣零排放方向發(fā)展，筆者提出了山地物探電動(dòng)鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)方案?；谀：C合評(píng)價(jià)法和對(duì)比法優(yōu)選適合川渝地區(qū)勘探作業(yè)的電動(dòng)鉆機(jī)的關(guān)鍵部件，采用有限元分析方法進(jìn)行電動(dòng)鉆機(jī)的安全性分析，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證鉆機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與安全性，以期實(shí)現(xiàn)電動(dòng)鉆機(jī)低噪聲、尾氣零排放、輕量化、模塊化和便于搬運(yùn)等的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)方案

山地物探電動(dòng)鉆機(jī)包括底盤(pán)、提升裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、桅桿、導(dǎo)向裝置和拉桿等六大部分。其中：底盤(pán)是支撐部件；桅桿是受力和導(dǎo)向部件，導(dǎo)向架沿桅桿上下滑動(dòng)；拉桿用來(lái)增強(qiáng)鉆機(jī)的穩(wěn)定性。

山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）提升裝置的最大提升力為7 kN；

2）旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)扭矩為600 N·m，輸出轉(zhuǎn)速為120～200 r/min；

3）提升裝置和旋轉(zhuǎn)裝置均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.1 方案設(shè)計(jì)

1.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

提升裝置和旋轉(zhuǎn)裝置是鉆機(jī)的核心部件。提升裝置用來(lái)控制鉆具的提升與下降，提供提升力。旋轉(zhuǎn)裝置用來(lái)控制鉆具的正反轉(zhuǎn)、提供鉆頭的破巖扭矩及連接與拆卸鉆桿和鉆具等。提升裝置和旋轉(zhuǎn)裝置的性能直接影響鉆機(jī)勘探開(kāi)發(fā)的效率。工業(yè)上采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類繁多，本文選擇直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為鉆機(jī)備選驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性的對(duì)比如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性對(duì)比Table 1 Comparison of drive motor characteristics

各驅(qū)動(dòng)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，故下文將通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法優(yōu)選適合川渝地區(qū)勘探作業(yè)的鉆機(jī)的電機(jī)。

1.1.2 傳動(dòng)方式

通過(guò)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)裝置、鉆桿和鉆具的上下移動(dòng)。本文選擇滾珠絲杠傳動(dòng)［9］、渦輪絲杠傳動(dòng)［10］、鏈輪鏈條傳動(dòng)和帶傳動(dòng)［11］作為備選傳動(dòng)方式。傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 傳動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of transmission mode

由表2可知，各傳動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，故下文將通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法優(yōu)選傳動(dòng)方式。

1.1.3 減速器

減速器是提升裝置和旋轉(zhuǎn)裝置的重要部件，其性能直接影響鉆井效率。本文選擇較適合勘探作業(yè)的擺線針輪減速器和渦輪蝸桿減速器作為備選減速器。其性能對(duì)比如表3所示。

表3 減速器性能對(duì)比Table 3 Comparison of reducer performance

由表3可知，渦輪蝸桿減速器的體積、質(zhì)量和工作中的噪聲較小，過(guò)載能力較強(qiáng)，且其自鎖性能夠防止在鉆桿提升與下降時(shí)由慣性導(dǎo)致的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞，因而確定渦輪蝸桿減速器為山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的減速器。

1.1.4 支撐部件

底盤(pán)位于電動(dòng)鉆機(jī)的底部，在鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程中對(duì)鉆機(jī)整體起支撐作用，必要時(shí)可以在其上放置鉆桿以及相應(yīng)的配重來(lái)增加工作鉆壓。因此，要求底盤(pán)具有良好的移運(yùn)性、可拆裝性以及較強(qiáng)的承載能力。鑒于此，將底盤(pán)設(shè)計(jì)成K形和π形兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 底盤(pán)設(shè)計(jì)Fig.1 Chassis design

K形底盤(pán)由多根矩形管焊接而成。其耗材多，成本高，但整體受力均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。將鉆機(jī)整體的重心置于底盤(pán)中心，底盤(pán)與4根拉桿連接，可以增強(qiáng)鉆機(jī)的穩(wěn)定性，使其不易傾覆。

π形底盤(pán)焊接所用的矩形管較少，成本較低，且留有足夠的操作空間便于操作人員拆卸鉆桿和鉆具。在承載桅桿重量的矩形管與其余2根矩形管的焊接處各增加一塊加強(qiáng)板，有助于將鉆機(jī)整體的重量分散到底盤(pán)上，提高底盤(pán)的安全性與穩(wěn)定性。雖然底盤(pán)上鉆機(jī)重心前移，易發(fā)生傾覆，但可依靠鉆機(jī)自身的重量增加一定的鉆壓。

K形和π形底盤(pán)的參數(shù)如表4所示。由表可知：π形底盤(pán)的外形尺寸和質(zhì)量均小于K形底盤(pán)；與桅桿采用銷軸連接，比螺栓連接方便快捷。因此，π形底盤(pán)在山地勘探鉆井作業(yè)時(shí)更便于搬運(yùn)。

表4 底盤(pán)參數(shù)Table 4 Chassis parameters

綜合來(lái)看，選擇π形底盤(pán)為電動(dòng)鉆機(jī)的支撐部件。

1.1.5 導(dǎo)向部件

桅桿是電動(dòng)鉆機(jī)的重要組成部分［12］，是鉆桿、動(dòng)力頭的安裝支承部件和導(dǎo)向裝置的滑動(dòng)導(dǎo)向部件。其性能直接影響電動(dòng)鉆機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性［3，5，13-14］。針對(duì)此，設(shè)計(jì)了C形桅桿和單桅桿兩種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 桅桿設(shè)計(jì)Fig.2 Mast design

C形桅桿采用內(nèi)導(dǎo)向設(shè)計(jì)。導(dǎo)向裝置在桅桿內(nèi)部滑動(dòng)，桅桿下部焊接矩形板與底盤(pán)通過(guò)螺栓連接。其密封性好，強(qiáng)度高。

單桅桿采用外導(dǎo)向設(shè)計(jì)。將桅桿制作成無(wú)縫鋼管，桅桿底部的圓柱軸端面設(shè)計(jì)成圓平面，在與底盤(pán)鎖緊時(shí)，桅桿不易發(fā)生前搖后晃。鉆機(jī)無(wú)須工作時(shí)，能倒置在π形底盤(pán)上被運(yùn)走。

對(duì)比C形桅桿與單桅桿可知，單桅桿耗材較少，體積和質(zhì)量較小，拆裝、搬運(yùn)較方便，更適合川渝地區(qū)的油氣勘探作業(yè)，因此選擇單桅桿為電動(dòng)鉆機(jī)的導(dǎo)向部件。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的確定

為了確定電動(dòng)鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為定量評(píng)價(jià)。以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)4種驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)［15-17］。

1）確定因素論域。

根據(jù)電動(dòng)鉆機(jī)野外勘探作業(yè)情況及驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的因素集X：

2）確定權(quán)重因子。

根據(jù)各因素對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的重要程度，采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重分配，各因素的權(quán)重因子之和為1。根據(jù)鉆井工人和相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的權(quán)重集U：

3）確定評(píng)價(jià)集。

對(duì)各因素進(jìn)行5個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)集V：

4）建立模糊評(píng)價(jià)矩陣。

逐個(gè)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式從各個(gè)因素進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，得到單因素的模糊關(guān)系矩陣R：

式中：m為評(píng)價(jià)方案的個(gè)數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

邀請(qǐng)4位勘探領(lǐng)域相關(guān)專家對(duì)每種方案各因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的模糊評(píng)價(jià)矩陣R1和R2分別為：

5）模糊綜合評(píng)判。

利用權(quán)重集U和模糊評(píng)價(jià)矩陣R1和R2得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B1和B2。

B1=UR1=[0.648 0.735 0.981 0.747]

B2=UR2=[0.737 0.715 0.780 0.748]

4種電機(jī)和傳動(dòng)方式的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表5、表6所示。由表可知，永磁同步電機(jī)和鏈輪鏈條傳動(dòng)的綜合評(píng)分最高，故被選為電動(dòng)鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式。它們不僅能夠滿足山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的性能要求，而且能夠很好地適用于川渝地區(qū)野外勘探環(huán)境。

表5 4種電機(jī)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Fuzzy comprehensive evaluation result of four kinds of motors

表6 4種傳動(dòng)方式的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 6 Fuzzy comprehensive evaluation result of four kinds of transmission modes

2 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)安全性分析

山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的作業(yè)環(huán)境十分惡劣。在多種復(fù)雜因素的綜合影響下，鉆機(jī)的受力和運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，其工作可靠性降低，甚至可能不能正常作業(yè)［18］，及發(fā)生漏電等安全事故。因此，開(kāi)展山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的安全性分析尤為重要。

2.1 電動(dòng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性分析

2.1.1 電動(dòng)鉆機(jī)仿真模型的建立

1）模型簡(jiǎn)化。

根據(jù)電動(dòng)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)，利用Creo軟件進(jìn)行建模和裝配。為便于分析和計(jì)算，去除無(wú)影響的螺栓和螺母。利用ANSYS軟件中的Space Claim填實(shí)圓孔，對(duì)復(fù)雜零部件中無(wú)影響或影響較小的特征如倒角、圓角等進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2）材料定義。

電動(dòng)鉆機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料為45鋼。其密度為7 890 kg·m-3，彈性模量為 2.09×105MPa，泊松比為0.269，抗拉強(qiáng)度σb=600 MPa，屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。

3）網(wǎng)格劃分。

采用自由網(wǎng)格劃分。對(duì)桅桿、拉桿、π形底盤(pán)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，其網(wǎng)格大小為8 mm，其他部分的網(wǎng)格大小為30 mm。鉆機(jī)整體網(wǎng)格劃分的平均質(zhì)量評(píng)價(jià)值為0.87，共劃分為599 423個(gè)節(jié)點(diǎn)、298 329個(gè)單元。

4）邊界條件設(shè)置。

將與地面接觸的4個(gè)π形底盤(pán)支腿的腳座設(shè)置成固定約束；在旋轉(zhuǎn)裝置處的鉆桿平面設(shè)置接觸力，最大提升力F=7 kN；在旋轉(zhuǎn)裝置處的鉆桿表面設(shè)置扭矩，最大扭矩T=600 N·m。

構(gòu)建的山地物探電動(dòng)鉆機(jī)仿真模型如圖3所示。

圖3 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)仿真模型Fig.3 Simulation model of mountain geophysical electric drilling rig

2.1.2 電動(dòng)鉆機(jī)鉆井仿真結(jié)果的分析

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真，仿真后山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的變形如圖4所示。由圖可知，鉆機(jī)在鉆井作業(yè)過(guò)程中的變形呈從上至下逐漸遞減，最大變形出現(xiàn)在桅桿上部和旋轉(zhuǎn)裝置的電機(jī)處，其次是桅桿中上部和旋轉(zhuǎn)裝置除電機(jī)外的部分，再次就是桅桿下部和提升裝置，變形最小的是4條支腿，其幾乎沒(méi)有變形。

圖4 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)變形云圖Fig.4 Deformation nephogram of mountain geophysical electric drilling rig

山地物探電動(dòng)鉆機(jī)應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖可知，應(yīng)力主要集中在π形底盤(pán)底架、底盤(pán)支腿、桅桿以及旋轉(zhuǎn)裝置與桅桿的連接處。其原因是：電動(dòng)鉆機(jī)整體的重量主要由π形底盤(pán)承擔(dān)；在載荷的作用下，旋轉(zhuǎn)裝置與桅桿連接處會(huì)有應(yīng)力產(chǎn)生；旋轉(zhuǎn)裝置沿桅桿上下移動(dòng)，導(dǎo)致桅桿四側(cè)也有相應(yīng)的應(yīng)力產(chǎn)生。

圖5 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of mountain geophysical electric drilling rig

山地物探電動(dòng)鉆機(jī)最大變形、最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線分別如圖6、圖7所示。由圖可知，最大變形與最大應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)反復(fù)增大、減小的趨勢(shì)?？梢?jiàn)在鉆井作業(yè)過(guò)程中工況較為復(fù)雜，對(duì)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求較高。變形和應(yīng)力均在0.06 s時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)最大變形量為4.14 mm，最大應(yīng)力值為269.21 MPa。鉆機(jī)變形為彈性變形，其最大應(yīng)力值小于鉆機(jī)材料的許用應(yīng)力，故鉆機(jī)的強(qiáng)度和剛度符合要求，設(shè)計(jì)的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)是安全的。

圖6 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)最大變形隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Variation curve of maximum deformation of mountain geophysical electric drilling rig with time

圖7 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)最大應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Variation curve of maximum stress of mountain geophysical electric drilling rig with time

2.2 電機(jī)電路的安全性分析

電動(dòng)鉆機(jī)的電機(jī)為大電壓小電流，且設(shè)有多功能無(wú)觸電保護(hù)器，具有屏蔽泄漏電流、電子波、噪聲、靜電、落雷以及抑制電器起火的功能。

當(dāng)電路出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、輸入和輸出缺相時(shí)，電路驅(qū)動(dòng)器會(huì)自我保護(hù)而自動(dòng)停止工作；當(dāng)電流過(guò)載時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停止工作；當(dāng)電機(jī)過(guò)熱時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)生報(bào)警。電機(jī)電路中設(shè)有制動(dòng)回路，具有制動(dòng)管過(guò)載保護(hù)和制動(dòng)電阻保護(hù)功能。如果瞬間斷電，即當(dāng)電源電壓出現(xiàn)瞬間消失或瞬間掉落的情況時(shí)，電機(jī)電路可以保持母線電壓，不會(huì)出現(xiàn)欠壓故障，電機(jī)的輸出也不會(huì)停止。

3 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的鉆井試驗(yàn)

為了測(cè)試山地物探電動(dòng)鉆機(jī)的性能，進(jìn)行了鉆井實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。鉆機(jī)分為π形底盤(pán)、提升裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、桅桿-導(dǎo)向裝置-拉桿四個(gè)模塊，每個(gè)模塊的質(zhì)量小于50 kg，整機(jī)質(zhì)量小于150 kg，模塊之間大多采用銷軸連接，組裝十分快捷。

圖8 山地物探電動(dòng)鉆機(jī)鉆井實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Drilling test site of mountain geophysical electric drilling rig

通過(guò)電動(dòng)鉆機(jī)鉆井實(shí)驗(yàn)，得出：在鉆井過(guò)程中，提升裝置的提升與下降速度為0.3 m/s，最大提升力能夠達(dá)到24 kN；在正常鉆進(jìn)的情況下，鉆桿下降的速度較小，所需的提升力較??；旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)速度能夠達(dá)到200 r/min，在卡鉆時(shí)其扭矩能夠達(dá)到640 N·m，可以提供足夠的旋轉(zhuǎn)扭矩來(lái)解決卡鉆的問(wèn)題。鉆機(jī)在鉆井過(guò)程的提升力和扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)野外勘探鉆井所要求的提升力（7 kN）和扭矩（600 N·m）。

此外，將雞和魚(yú)作為實(shí)驗(yàn)活物，開(kāi)展鉆機(jī)電機(jī)電路的漏電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電機(jī)電路的安全性保護(hù)下，漏電電流對(duì)雞和魚(yú)的生命沒(méi)有造成影響，故電機(jī)電路漏電不會(huì)威脅工作人員的生命安全，電機(jī)電路是安全可靠的。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鉆機(jī)沒(méi)有因?yàn)槭艿姐@井過(guò)程中的沖擊載荷和扭矩而出現(xiàn)振動(dòng)大、強(qiáng)度不足以致失效等情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：1）自主設(shè)計(jì)的山地物探電動(dòng)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕量化、模塊化和搬運(yùn)的便利性；2）鉆機(jī)結(jié)構(gòu)以及電機(jī)電路的設(shè)計(jì)合理，安全可靠；3）鉆機(jī)在鉆井過(guò)程中噪聲低，沒(méi)有尾氣排放，改善了操作工人的工作環(huán)境；4）鉆機(jī)可提供的最大提升力和扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了野外勘探鉆井的要求。

4 結(jié)論

1）以電能驅(qū)動(dòng)代替燃油機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了山地物探電動(dòng)鉆機(jī)模塊化方案?；谀：C合評(píng)價(jià)法優(yōu)選驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)方式，確定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，傳動(dòng)方式為鏈輪鏈條傳動(dòng)，同時(shí)通過(guò)對(duì)比優(yōu)選出減速器、支撐部件和導(dǎo)向部件分別為渦輪蝸桿減速器、π形底盤(pán)和單桅桿。

2）采用有限元分析方法進(jìn)行了鉆機(jī)的安全性分析，得出鉆機(jī)最大變形位于桅桿上部和旋轉(zhuǎn)裝置的電機(jī)處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在π形底盤(pán)連接桅桿的直角處。最大應(yīng)力小于鉆機(jī)材料的許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)的鉆機(jī)結(jié)構(gòu)是安全的。

3）開(kāi)展了鉆機(jī)鉆井實(shí)驗(yàn)和漏電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：自主設(shè)計(jì)的山地物探電動(dòng)鉆機(jī)較現(xiàn)有山地物探鉆機(jī)質(zhì)量減小了57%，達(dá)到了輕量化、模塊化的設(shè)計(jì)要求；鉆機(jī)在鉆井時(shí)噪聲低，沒(méi)有尾氣排放，符合綠色環(huán)保的要求；鉆井時(shí)可以提供的最大提升力和扭矩分別超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的71%和6.25%，完全達(dá)到了野外勘探鉆井的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，該電動(dòng)鉆機(jī)設(shè)計(jì)合理，安全可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。