摘要
XY系列立轴式岩心钻机作为我国小口径找矿施工的主力机型，其中市场保有量较大的XY-6型立轴钻机可满足2000 m以内的固体矿产勘探，由于其主要为机械传动、人工手动操作制带、匮乏的钻参数据等缺点很难高效支撑新一轮找矿突破行动，所以对于XY系列机械立轴钻机的数字化升级改造迫在眉睫。本文重点介绍在机械式XY-6型立轴钻机基础上对其进行变频电传动和数字化控制的升级改造，相比于原型机，XY-6DB新型电传动立轴钻机实现了回转动力单元变频改造、提升制动系统电液控制升级、手-自一体式换挡方式以及整机的数字化控制方式的升级改造，最终可实现整机的节能、增效、降低劳动强度和提高安全性的目的。
关键词
习近平总书记在给山东省地矿局第六地质大队全体地质工作者的回信中提到：“矿产资源是经济社会发展的重要物质基础，矿产资源勘查开发事关国计民生和国家安全。”要求我们“践行绿色发展理念，加大勘查力度，加强科技攻关，在新一轮找矿突破战略行动中发挥更大的作用，为保障国家能源资源安全、为全面建设社会主义现代化国家做出新贡献。”
随着新一轮找矿突破战略行动的开展，对于支撑找矿战略行动的勘探技术装备也亟待新的突破升级。中国地质装备集团有限公司作为一家集地质装备研发与生产于一体的企业，积极响应国家号召先后在小口径找矿和绿色勘探、一带一路建设、地热能源、油气资源等领域推出多类型成套装备。中地装集团下属的中地装（北京）科学技术研究院有限公司联合中地装（张家口）探矿机械有限公司，基于市场保有量较大的XY-6型钻机进行了变频电传动升级改造为XY-6DB型，相比XY-6型机械立轴钻机，升级后的XY-6DB型钻机提供了转速、钻压、泵量、孔深等丰富的钻进参数；极大地改善了司钻站在钻机旁手动控制制带的作业方式，整体采用数字化司钻系统，钻机所有的动作控制都集中在司钻房内；简化了钻机的传动路线，用电传动替代多级变速齿轮传动，提高了传动效率的同时实现钻进参数的连续性，更适合钻探施工应对复杂多变的地层。目前该系列产品包含了已投入市场使用的XY-5DB型、XY-6DB型、XY-8DB型、XY-9DB型电传动立轴钻
基于XY-6型立轴钻机的操作习惯和其主体传动模式，对其回转动力模块、卷扬制动模块、挡位挂合方式以及电液控制进行升级改造，最终实现XY-6DB型电传动立轴钻机的数字化电液比例精确控制，通过升级改造改善传统地质勘探过程中人、机、料、法、环的关系，让设备适用于工法、让工法适应于环境、让设备和工法适合于人员最终达到安全、高效的目标。
立轴钻机具备浅孔加压和深孔减压的功能特点，具备钻机移车让开孔口拧卸空间的优势，根据不同施工需求通过多挡手动变速箱可提供多组钻探工艺参数与之匹配选择。鉴于立轴钻机的以上特点使其成为地质勘探施工历史上普及度最高的一种设备类型，长期以来受到广大地质勘探从业者的喜
基于从业者在深孔钻探中一种成熟的、较为舒适的作业空间与场景中对传统XY-6型钻机的操作习惯和作业流程的熟悉，在保留原有回转、卷扬、高低挡等3个换挡方式以及原有加减压作业工艺的前提下，将换挡执行机构设计为气控/手动2种控制模式使其具备远程/本地换挡功能；将原55 kW普通三相异步电机+手动变速箱的动力模块调整为55 kW交流变频电机+电动换挡变速箱的模式；同步将原钻机液压系统进行了模块化设计，液压动力单元集成了卷扬的液压制动器控制和卡盘、给进、移车等原有动作的电液比例控制。改造后的XY-6DB型电传动立轴钻机如
图1 XY-6DB型钻机主机结构
经过以上改造可改善操作者的高强度、高危险、环境脏乱的作业环境，操作者在司钻房即可对钻机的所有功能进行精准数字化控制。司钻房可实时显示转速、扭矩、给进速度、钻压、钩载以及泥浆泵压和泵量等参数。同时配备能耗制动功能的变频电机具备“零速悬停”功能，操作者可通过手柄实现卷扬的悬停和速度控制，完全打破“手把+制带”的高强度作业模式。
本次改造通过对驱动单元的变频电传动改造可实现回转和卷扬的挡内无极调速，对钻机运行参数的数字化精准控制与显示，最终实现对XY-6型钻机的操控模式、提升设备运行效率和运行经济性的提升，使设备在新一轮找矿突破战略中延续和提升市场竞争力。经过对变频电机动力匹配、由机械传动传动向电传动的传动方式调整以及整机控制由手动操控向电-液/气远程比例控制和施工工艺数据的数字化显示和存储等一系列改造，最终XY-6DB型钻机与XY-6型钻机性能参数对比如
| 参 数 | XY-6型 | XY-6DB型 |
|---|---|---|
| 钻孔深度/m | 1000~2000 | |
| 钻杆直径/mm | 50/60/89 | |
|
立轴转速/（r·mi |
正转80/175/225/260/360/490/730/1000 反转62/170 |
正转0~1000（无极调速） 反转0~1000（无极调速） |
| 立轴最大扭矩/（N∙m） | 6000 | 6000 |
| 给进油缸上顶力/kN | 200 | 200 |
| 给进油缸给进力/kN | 150 | 150 |
| 给进油缸行程/mm | 600 | 600 |
| 给进油缸缸径/mm | 125 | 125 |
| 卷扬单绳提升力/kN | 60 | 70 |
| 卷扬提升速度/m/s | 0.66/1.44/1.85/2.13/2.96/4 | 0~6 |
| 卷筒直径/mm | 300 | 300 |
| 钢丝绳直径/mm | 20 | 20 |
| 容绳量/m | 140 | 140 |
| 移车距离/mm | 550 | 550 |
| 动力电动机 | 55kW Y250M-4 | 55kW YZP250M-4 |
| 动力柴油机 | 100HP 4135AG柴油机 | |
| 外形尺寸/mm | 3450×1500×2250 | 3450×1500×2250 |
| 主机质量/t | 4.2 | 4.8 |
| 控制方式 | 手动控制 | 电-液/气控制 |
| 操控环境 | 户外 | 司钻房 |
| 钻参数据 | 给进油缸压力、泥浆泵压 | 立轴转速、扭矩、孔底钻压、钻速、泥浆泵压、泵量 |
本次改造重点对动力单元和卷扬制动装置进行了改进，使XY-6DB型钻机具备回转和提升能力的无极调节，可以更好地及时对应不同地层钻进需求进行调整钻探工艺。原钻机的液压系统简易，主要液压动作均为手动控制，无法实现远程操控，经过改造后的液压系统采用电-液比例阀，结合伺服电机驱动的油泵可以实现对各个液压动作的精准、比例、远程操控。
XY-6DB型钻机的驱动单元采用55 kW交流变频电机，机座号与原钻机采用的电动机相同，可以实现动力互换。经过变频的电动机将动力输入到变速箱，4挡变速箱+2挡分动箱最终可实现8个机械挡位，同时在任意挡位电动机可以实现0~1500 r/min的无极调速以及不低于1.5倍的瞬时过载扭矩储备能力，
图2 立轴转速-扭矩对比曲线
图3 卷扬绳速-拉力对比曲线
从
XY-6型钻机采用控制行星架的运动状态实现卷筒的动力输入与切断，通过采用摩擦滚筒轮辐的方式对卷筒进行减速，同时可匹配水刹车防止在深孔下钻过程中钻具下放速度过快导致事故发生。鉴于以上手动控制方式无法实现对卷筒的精准控制，同时需要操作者长期、就近作业对操作者的安全造成威胁，XY-6DB型钻机取消卷筒的2个制带，采用能耗制动+液压制动器驻车制动的方式实现对卷筒的安全控制。
液压驻车制动器的安装方式如
图4 XY-6DB型钻机制动器结构
XY-6DB型钻机的液压系统采用了伺服电机驱动齿轮油泵为钻机提供液压动力源，将原有手动控制阀更换为电液比例阀，除对给进、卡盘、移车等三大功能可实现远程精准控制以外还对液压制动器进行控制。经过对液压系统的电液比例控制升级，可实现对原有设备运行的状态参数进行实时监测与显示，并在司钻房内对采集的数据进行模拟量的数字化显示以供司钻及时掌握设备运行状态，并根据设备运行状态判断孔内施工情况。液压系统原理如
图5 XY-6DB型钻机液压系统
经过变频升级改造后的XY-6DB型钻机样机如
图8 XY-6DB型钻机实物
中国地质装备集团有限公司积极推动地勘行业供给侧改革，通过技术革新不断推出助力国家新一轮找矿突破战略行动的地质装备产
图9 XY系列电传立轴钻机产品序列
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