岳永東，譚春亮，盧 倩，郭 強(qiáng)，林廣利

（北京探礦工程研究所，北京 100083）

0 引言

生態(tài)地質(zhì)調(diào)查是做好生態(tài)系統(tǒng)整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)與綜合整治的必要條件，與傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查相比，生態(tài)地質(zhì)調(diào)查更重視對(duì)淺表層土壤等松散地層的研究，其中淺層鉆探取樣技術(shù)是支撐生態(tài)地質(zhì)調(diào)查不可替代的重要手段之一。生態(tài)地質(zhì)調(diào)查鉆探取樣對(duì)鉆進(jìn)效率、取心率及樣品的原狀性等有較高要求，國(guó)內(nèi)外研究實(shí)踐表明，沖擊鉆進(jìn)取樣是實(shí)現(xiàn)松散地層優(yōu)質(zhì)高效、原狀無污染取樣的有效手段，能夠客觀真實(shí)地反映地層物質(zhì)組成以及不同地層的接觸關(guān)系，鉆進(jìn)過程無回轉(zhuǎn)，對(duì)巖心擾動(dòng)小，便于判斷地層產(chǎn)狀；不使用泥漿，樣品不受污染，可滿足后續(xù)科學(xué)研究與生態(tài)修復(fù)的需求，綠色環(huán)保［1-4］。

便攜式?jīng)_擊取樣設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、效率高、搬運(yùn)方便，適用于山地、林區(qū)等難進(jìn)入地區(qū)，在土壤調(diào)查、泥炭調(diào)查等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前的便攜式?jīng)_擊取樣設(shè)備以人工錘擊和汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)沖擊為主［5-8］，汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)沖擊鉆進(jìn)能力比人工錘擊更強(qiáng)，但隨著生態(tài)文明建設(shè)向縱深發(fā)展，以汽油機(jī)為動(dòng)力源的沖擊取樣鉆機(jī)不能較好地適應(yīng)安全生產(chǎn)要求和綠色勘查發(fā)展要求，在應(yīng)用中存在諸多限制和弊端，主要表現(xiàn)在：

（1）山區(qū)、林草區(qū)防火期內(nèi)禁用燃油動(dòng)力設(shè)備。

（2）高海拔地區(qū)汽油機(jī)存在功率衰減。

（3）零散汽油采購(gòu)管制日益嚴(yán)格。

（4）汽油機(jī)工作中的尾氣排放、噪聲污染等對(duì)環(huán)境和操作人員人身健康產(chǎn)生不良影響［9］。

隨著鋰電池能量密度及安全性不斷提高，以鋰電池作為輕便型鉆機(jī)的動(dòng)力源成為可能。為解決汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)在應(yīng)用中面臨的問題，本文以鋰電池作為動(dòng)力源，研發(fā)了便攜式鋰電池電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套工具，助力生態(tài)地質(zhì)調(diào)查淺層鉆探取樣實(shí)現(xiàn)“綠色”升級(jí)。

1 鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)

便攜式電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)通過無水沖擊鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)淺表松散地層取樣，圍繞生態(tài)地質(zhì)調(diào)查中對(duì)淺層鉆探取樣深度和樣品質(zhì)量的要求，以輕便、高效、安全為設(shè)計(jì)原則，并借鑒現(xiàn)有便攜式?jīng)_擊取樣鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)，確定鉆機(jī)鉆進(jìn)取樣最大深度為5 m、孔徑≮40 mm、樣品直徑≮25 mm。

電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套工具的組成根據(jù)功能可劃分為鋰電池動(dòng)力源、電動(dòng)沖擊器、取樣器及起拔器等4 部分（圖1）。為保證便攜性，鉆機(jī)采用模塊化分體式設(shè)計(jì)的思路，各模塊單體質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單。

圖1 電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)研制技術(shù)路線圖Fig.1 Technical roadmap for development of the electric impact sampling drill

2 取樣器設(shè)計(jì)及貫入阻力分析

2.1 取樣器設(shè)計(jì)

便攜式?jīng)_擊取樣鉆機(jī)一般配套小口徑的單管取樣器使用，由受擊桿、扶正套、鉆桿接頭、鉆桿、取樣管接頭、取樣管、管靴組成。管靴材質(zhì)選用40Cr，刃口淬火處理，取樣管材質(zhì)為DZ40，采用半合管形式，由管靴和取樣管接頭通過絲扣連接，方便采集樣品，取樣管接頭的中心設(shè)有貫通接頭的中間通道和排氣孔（圖2）。鉆桿材質(zhì)為55SiMoMn，屬于貝氏體釬具鋼，鉆桿外徑25 mm，鉆桿帶中心通氣孔，為減小沖擊能的損失、提高鉆桿強(qiáng)度，鉆桿螺紋采用國(guó)標(biāo)波形螺紋。

圖2 沖擊單管取樣器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the impact single tube sampler

取樣器的刃口尖端寬度、刃口角度、取樣面積比、內(nèi)間距比、外間距比、管靴高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)取樣深度及取樣質(zhì)量有較大影響［10］，通過對(duì)比最終確定的取樣器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 沖擊單管取樣器主要參數(shù)Table 1 Main specifications of the impact single tube sampler

2.2 取樣器貫入阻力計(jì)算

沖擊鉆進(jìn)取樣過程中，由沖擊器產(chǎn)生的沖擊能量以應(yīng)力波的形式在鉆桿和取樣器中傳播，取樣器所受阻力主要是取樣器底端的環(huán)端阻力、土塞與取樣器內(nèi)壁間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力和取樣器外壁由于擠土效應(yīng)與四周接觸產(chǎn)生的外摩擦力（圖3）。當(dāng)取樣器頂部的沖擊力、自重或配重克服了側(cè)摩阻力和端阻力后，將土體沖切破壞，取樣器與周圍土體之間產(chǎn)生剪切滑移，取樣器下沉取樣。

圖3 沖擊取樣器受力分析示意Fig.3 Force analysis of the impact sampler

取樣器的貫入阻力與地層土體性質(zhì)、取樣器結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)，可參考建筑樁基技術(shù)規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算［11-12］：

式中：Q——貫入阻力，N；Qp——環(huán)端阻力，N；Qsd——外摩擦力，N；Qsr——內(nèi)摩擦力，N；qp——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；Ap——取樣器環(huán)端面積，m2；usd——取樣器外周長(zhǎng)，m；qs——極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；h——取樣器外壁與地層接觸長(zhǎng)度，m；usr——取樣器內(nèi)周長(zhǎng)，m；l——取樣器管靴取樣部分長(zhǎng)度，m。

建筑樁基技術(shù)規(guī)范中給出了不同地層qp、qs的大量建議值，作為參考極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qp取900 kPa、極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qs取50 kPa，代入式（1）～（4）中，取樣器完全貫入地層后，考慮鉆孔縮徑的影響，對(duì)于沖擊單管取樣器，h取539 mm，l取39 mm，可得沖擊單管取樣器的貫入阻力約為4200 N。

3 電動(dòng)沖擊器設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)沖擊器工作原理

沖擊鉆進(jìn)取樣所需的電動(dòng)沖擊器工作原理與鑿巖的電錘等設(shè)備類似，電動(dòng)沖擊器主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖擊部件組成（圖4）。工作時(shí)，電機(jī)輸出軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過斜齒輪變速機(jī)構(gòu)傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接在連桿上的活塞做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于活塞與頂部沖擊錘之間為密封空間，頂部沖擊錘在空氣壓強(qiáng)作用下也隨著活塞的運(yùn)動(dòng)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷地沖擊底部沖擊錘，進(jìn)而將能量傳遞到取樣器上。

圖4 電動(dòng)沖擊器結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of the electric hammer

沖擊過程中頂部沖擊錘的下端和底部沖擊錘的上端都將產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力將以順波和逆波的形式分別向兩側(cè)傳播，并且在截面突變處發(fā)生反射和透射，最終在管靴末端產(chǎn)生作用力作用于工作介質(zhì)，達(dá)到鉆進(jìn)取樣的目的。應(yīng)力波能量在取樣鉆具和鉆桿中的傳遞效率影響因素眾多，其中鉆桿的連接是應(yīng)力波能量傳遞效率的主要影響因素之一。參考鑿巖釬桿接頭對(duì)能量傳遞效率影響的相關(guān)研究，不同類型接頭的能量傳遞效率一般在80%～90% 之間［13-14］。單管沖擊取樣鉆桿接頭類型為套筒形式，鉆桿接頭能量傳遞效率相對(duì)較低，此處取85%，則由估算的沖擊取樣器貫入阻力可得，沖擊單管取樣器至5 m 取樣深度時(shí)所需的沖擊力≮9465 N。

3.2 電動(dòng)沖擊器主要零部件設(shè)計(jì)選型

沖擊功是衡量沖擊器性能的主要指標(biāo)，偏心軸偏心距、偏心軸轉(zhuǎn)速、頂部沖擊錘質(zhì)量、氣缸直徑等參數(shù)對(duì)沖擊能有直接的影響。假定沖擊錘與活塞作同步運(yùn)動(dòng)，則由“對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”運(yùn)動(dòng)計(jì)算公式，可推得沖擊功大小的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為［15］：

式中：W——沖擊功，J；m——頂部沖擊錘質(zhì)量，kg；r——偏心軸偏心距，mm；n——偏心軸轉(zhuǎn)速，r/min。

依據(jù)動(dòng)能守恒定律有：

式中：vm——沖擊錘沖擊速度，m/s。

頂部沖擊錘所獲得的動(dòng)能通過沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)槿悠魉艿臎_擊力，依據(jù)動(dòng)量定理有：

式中：vr——沖擊錘末速度，m/s；t——碰撞作用的時(shí)間，s；Fm——沖擊錘受到的作用力，N。

取樣器受力過程與沖擊錘在瞬間可以假定是大小相同的：

式中：F——取樣器所受沖擊力，N。

沖擊碰撞過程瞬間的動(dòng)力學(xué)情況很難準(zhǔn)確測(cè)量，為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)沖擊力為一均值，在一次沖擊過程中，沖擊錘的沖擊速度由最大變?yōu)? 時(shí)可得最大的沖擊力為：

沖擊作用接觸時(shí)間參考電錘沖擊系統(tǒng)模擬仿真及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相關(guān)研究［16］，此處t取0.5 ms 進(jìn)行計(jì)算。

電機(jī)選用永磁同步直流無刷電機(jī)，具有高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小、噪聲低、過載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)輸出軸與偏心軸之間通過一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，齒輪材料選用20CrMnTi，滲碳淬火處理。沖擊器殼體采用鋁合金材料，為減少模具開發(fā)、材料試驗(yàn)等前期基礎(chǔ)性研究投入，提高各結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配程度以保證沖擊性能的最優(yōu)化，偏心軸、連桿、活塞、缸筒等部件選用現(xiàn)有成熟配件，最終確定的電動(dòng)沖擊器主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 電動(dòng)沖擊器主要參數(shù)Table 2 Main specifications of the electric hammer

將相關(guān)參數(shù)代入式（5）、（9），可得電動(dòng)沖擊器提供的沖擊功約為24 J、沖擊力約為10680 N，滿足沖擊單管取樣器至5 m 取樣深度時(shí)所需的沖擊力需求。

4 控制器及鋰電池動(dòng)力源選型

直流無刷電機(jī)通過控制器控制電機(jī)的啟停，采用PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而調(diào)節(jié)沖擊器的沖擊頻率以適應(yīng)不同地層的取樣需求。鋰電池組選型在滿足質(zhì)量大小要求的前提下盡可能選擇大容量電池，以提升鉆機(jī)野外有效工作時(shí)長(zhǎng)。鋰電池組與控制器外形設(shè)計(jì)為可組合式模塊化結(jié)構(gòu)，共同組成鉆機(jī)的動(dòng)力與控制單元（圖5）。鋰電池組參數(shù)如表3 所示，電池標(biāo)稱容量1728 Wh，理論上可支持1000 W 直流電機(jī)連續(xù)工作超過1.5 h?？紤]到實(shí)際取樣過程中輔助作業(yè)時(shí)間占比較高，電機(jī)工況為間斷性短時(shí)工作，鋰電池續(xù)航基本可滿足實(shí)際應(yīng)用的需求

表3 鋰電池組主要參數(shù)Table 3 Main parameters of the lithium battery

圖5 鉆機(jī)動(dòng)力與控制單元Fig.5 Power and control units of the portable electric impact sampling drill

5 起拔器設(shè)計(jì)

淺層沖擊取樣過程中，鉆孔縮徑現(xiàn)象普遍，起拔過程中較大的側(cè)摩擦阻力導(dǎo)致沖擊鉆進(jìn)取樣面臨“鉆進(jìn)易、起拔難”的困境。除了要優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)降低摩擦阻力外，一套輕便、高效、易于操作的起拔裝置是沖擊取樣鉆機(jī)必不可少的輔助工具。

目前現(xiàn)有的起拔器結(jié)構(gòu)形式多樣，但總體可分為兩類：人力杠桿式起拔和液壓式起拔。人力杠桿式起拔器較為輕便，但起拔力有限，起拔效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；液壓式起拔器起拔力大，但通常需配套燃油動(dòng)力泵站使用，不適合配套電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)使用，若采用市場(chǎng)上常規(guī)的直流液壓動(dòng)力單元，又存在功率或工作電流較大，現(xiàn)有鋰電池組無法滿足要求的問題。針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套采用鋰電池作為動(dòng)力源、配套便攜式電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)使用的滾輪液壓起拔器，從而實(shí)現(xiàn)整套便攜式電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套工具均可由同一鋰電池組驅(qū)動(dòng)。

該起拔器由小型鋰電池液壓動(dòng)力單元、起拔液壓缸、鉆桿夾持裝置等組成。起拔器液壓系統(tǒng)（圖6）設(shè)計(jì)額定壓力為10 MPa，最大起拔力60 kN，起拔油缸行程250 mm，上升速度500 mm/min，下降速度1000 mm/min。

圖6 起拔器液壓原理Fig.6 Hydraulic principle of the puller

鋰電池液壓動(dòng)力單元主要由直流電機(jī)、液壓油路閥塊組件、齒輪泵、聯(lián)軸器、吸油過濾組件及油箱等組成（圖7）。液壓油路閥塊組件是其中的關(guān)鍵部件，既集成了換向閥、溢流閥、單向閥等液壓控制閥及液壓油通道與一體，又起到了安裝固定直流電機(jī)、齒輪泵及油箱的作用，同時(shí)閥塊中間還存在通孔以使電機(jī)與齒輪泵通過聯(lián)軸器相連，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及密封要求較高。閥塊組件采用鋁合金材料加工，保證結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的同時(shí)做到小巧輕便。

圖7 鋰電池液壓動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of the hydraulic power unit driven by lithium battery

依據(jù)液壓起拔器設(shè)定的工作參數(shù)，完成了液壓油缸、液壓泵及其他液壓元件的選型。由液壓泵工作壓力及輸出流量可得直流電機(jī)所需的功率約為0.8 kW，因此選擇與電動(dòng)沖擊器相同型號(hào)的直流無刷電機(jī)，從而使電動(dòng)沖擊器與起拔器可共用一套鋰電池動(dòng)力源與控制器，減少系統(tǒng)配件數(shù)量，減輕整機(jī)質(zhì)量。鋰電池液壓起拔器的主要參數(shù)如表4 所示。

表4 鋰電池液壓起拔器主要參數(shù)Table 4 Main parameters of the lithium battery hydraulic puller

鉆桿夾持裝置（圖8）固定在起拔油缸的活塞桿上端，活塞桿上升時(shí)帶動(dòng)夾持裝置上移，滾輪在重力作用下沿導(dǎo)向槽向下移動(dòng)，從而夾緊鉆桿，之后鉆桿隨夾持裝置一起上升，完成起拔；活塞桿下降時(shí)帶動(dòng)夾持裝置下移，此時(shí)鉆桿由人力固定，滾輪在鉆桿摩擦力作用下沿導(dǎo)向槽上移，鉆桿由夾緊狀態(tài)轉(zhuǎn)為松開狀態(tài)，隨著活塞桿降到極限位置，完成一個(gè)起拔工作循環(huán)［17］。

圖8 夾持裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure of the clamping device

6 鉆機(jī)試驗(yàn)

2021 年10 月，在北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)開展了鋰電池電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)取樣試驗(yàn)（圖9），取樣地層為混合回填土、砂質(zhì)粘土。試驗(yàn)結(jié)果為：鋰電池電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套起拔器等均可正常工作，采用40 mm 直徑單管取樣器沖擊鉆進(jìn)取樣深度達(dá)到了5 m，采集土壤樣品質(zhì)量良好，取心率≥98%，鉆進(jìn)效率＞1 m/min，起拔器可順利實(shí)現(xiàn)鉆桿的高效起拔。

圖9 鉆機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Sampling test site of the electric impact sampling drill

7 結(jié)語(yǔ)

本文完成了以鋰電池作為動(dòng)力源的便攜式電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套工具的設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)證明鋰電池電動(dòng)沖擊取樣鉆機(jī)及配套工具可以實(shí)現(xiàn)5 m 以淺松散地層的優(yōu)質(zhì)高效、原狀無污染取樣，整機(jī)輕便可靠，可以替代汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的沖擊取樣鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查淺層鉆探取樣“零碳排”，是融合新能源技術(shù)進(jìn)步、踐行綠色勘查理念、推動(dòng)淺層鉆探裝備電動(dòng)化升級(jí)的有益嘗試。