钻探设备轻量化设计及应用

引言

钻探设备是资源勘查与开发的关键装备。浅部资源衰减、勘探转向偏远复杂区，对装备机动与快速部署提出更高要求。传统立轴式岩心钻机笨重、搬迁常需 4–7 天；模块化液压动力头机型可缩至 1–2 天，轻量化显著提升野外效率 [1]。轻量化亦可降材耗与能耗、减排降噪、提升安全，契合绿色发展，并减少对场地和大型吊装依赖、降低劳动强度。

1 钻探设备轻量化设计的方法与原则

1.1 材料轻量化设计

材料轻量化是在满足强度 / 刚度 / 耐久前提下，以低密度高比强度材料替代钢材以降重。常用铝、镁、钛合金、超高强钢与复合材料等 [1]。如 FORDIAEider 岩心钻机主机 85% 用 7079 铝合金，主机 ≈1905 kg、整机 ≈3996kg ，配 NQ 可达 1100m ，显著降低搬运难度而保持深孔能力。铝合金钻杆因自重小、摩阻低，可达更大深度，所需功率与提升扭矩更低，带动动力 / 给进 / 提升机构小型化并减重 [1]。需注意焊接与热处理等工艺适配，当前国内多用于导轨、桅杆、夹持器、绞车滚筒、底座、泥浆泵等部件。随材料与制造进步，碳纤维复合与新合金应用前景可期。

1.2 结构轻量化设计

结构轻量化是指通过优化钻机的结构布局和几何形状，在保证必要力学性能的情况下减少多余材料，以降低结构自重的方法。其实现包括两个层次：一是在概念设计阶段采用轻量化构型，建立合理的三维结构模型（例如采用空心薄壁结构代替实心结构、用桁架或框架替代整体实心体，或将原分散部件集成为多功能部件等），以减少不必要的结构冗余；二是对初步设计的结构模型应用计算机辅助优化技术，进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化等，使材料在设计空间内的分布更加合理，尽可能去除低应力区域的多余材料，同时确定优化的构件尺寸参数和形状。通过上述手段，可在保证钻机强度和刚度满足要求的前提下最大限度降低结构重量。

在岩心钻机的设计中，结构轻量化措施主要集中于动力头、桅杆、导轨、底座、支撑框架以及某些辅助装置等部位 [2]。举例来说，为了简化和减轻钻机底座与泵站支架的结构重量，设计者可以在发动机与底座支撑框架之间增加橡胶减振支座形成“差动构造”。这种设计一方面可以有效阻止由于振动导致的裂纹产生或扩展，降低连接部位的应力集中和腐蚀风险，另一方面隔绝了发动机运行时传递给框架的高频振动，使得整个支撑结构无需过度加强即可保证可靠性，从而实现了结构简化和减重。现代有限元分析（FEA）手段已广泛用于钻机结构优化设计中，通过对钻机在各种工况下的受力进行仿真，识别关键受力部位并改进设计细节。例如，对桅杆和井架结构进行应力分析后施行局部减薄或开孔设计，以减轻重量同时不显著降低强度；对钻机底盘和支撑腿进行轻量化加强肋布置，以替代大块实心钢板结构等。这些结构优化措施具有操作性强、成本低的优点，相较于盲目增加动力提升能力，更加经济有效地实现了减重目标[2]。

1.3 模块化与可拆装设计

模块化设计是钻探设备轻量化的另一关键策略，它通过将整机划分为若干可拆分的功能模块，使每个模块的重量和体积控制在可搬运范围内，从而提高设备的运输和现场组装便捷性。换言之，即使整机总重量无法显著降低，模块化设计也能通过拆分来降低单件组件的重量，减轻人工搬运和安装的负担。典型的模块化措施包括：将钻机的动力单元、泵站、操纵台和钻塔等分离为独立模块，通过柔性管路和快速接口连接[2] ；采用多个小型液压泵站并联以替代单个大型泵站，在需要深孔大功率时组合运行，浅孔时可单独运行，从而兼顾性能与重量；设计快速拆卸的销轴和法兰连接，使桅杆、钻架等大型结构可以方便地拆成几段运输。例如，ZDY1200G 型全液压坑道钻机在研制中采用了模块化组装思想：它由主机、双泵站和操作台三个模块组成，彼此间通过液压胶管连接，拆装快捷，各主要部件之间采用销轴连接，便于解体。这种设计使得任何单个模块的质量都被控制在可人工搬运的范围，很好地解决了以往坑道钻机拆装耗时费力、人力搬迁困难的问题 [2]。再比如，一些地表小型勘探钻机（如加拿大 Hydracore 公司的 HC-1000、国内英格尔公司的 EP600 、陕西核昌公司的HQY500 等）均采用了轻质合金材料和模块化泵站、多单元解体结构设计，使单件部件质量大幅降低，在野外交通不便地区使用取得了良好效果[2]。模块化与快速装拆设计不仅方便运输，还可提高施工安全——由于无需大型起重设备即可完成钻机的拆装搬迁，在崎岖危险的现场环境中降低了事故风险。

过度追求模块小型化可能带来整机刚度不足、装配接口过多等问题，设计时应权衡模块划分的粒度与结构可靠性。同时，模块化设计通常需要增加一些连接件和辅件（如快速接头、支撑框架等），这些附加结构的重量和对性能的影响也需综合考虑，做到减重与可靠的平衡。

2 轻量化设计的应用实例与效果

2.1 地质岩心钻探装备的轻量化应用

ZDY1200G 全液压坑道钻机针对井下巷道狭窄、运输困难，采用轻型合金替代碳钢、模块化快速拆装与可伸缩桅杆，显著降低部件质量；配置双泵组合可单独/ 并联运行，主要部件以销轴与软管实现快速解体重组 [3]。现场验证表明，该机可高效完成金属矿井下勘探、瓦斯抽放与探放水作业，较传统坑道钻机明显缓解搬迁难题并提升安全性 [3]。商业化方面，Hydracore 等推出多款轻型岩心钻机，整机拆分为独立单元，可由小型车辆或直升机运至偏远地区组装，机动性突出。本单位在峨山铁矿、丘北铝土矿项目中采用 F800A 便携式全液压岩心钻机，凭借自重轻、拆装快优势，顺利进入道路不畅区域并高效取芯；而传统 XY-6A、XY-44T 虽能力强但搬迁安装耗时，与液压动力头机型 ⩽2 天”就位形成对比。以上均表明，材料替代与模块化是岩心钻机轻量化的关键抓手。

2.2 水文水井及其他领域的轻量化实践

大型深井水井钻机（如 YPS-3500）虽总重较大，但通过模块化接口分解为若干大件、现场吊装快速拼装，已在个旧龙园项目完成近 3000m 地热井施工，体现了“重型设备亦可轻量化思路”的可行性。地灾应急与海外工程同样强调便携与低物流成本：苏丹 9 号区块项目采用 FRC-500 贯通式反循环钻机，全液压驱动、折叠桅杆与集装箱化运输，两台轻型起重机即可完成安装；作业中运行平稳，实现大直径反循环高效取样。

通过材料替代、结构优化与模块化拆装，轻量化显著提升了机动性与进场效率，减少对大型吊装与重型运输的依赖，降低综合成本，并在安全与环保方面产生正效应，适用于矿产勘查、水文钻井及工程勘察等多场景 [4]。

3. 轻量化设计的效益与发展展望

轻量化的主要效益： ① 显著缩短进退场与转场时间，提升机动与效率； ② 减少大型吊装与运输依赖，降低燃油、租赁及制造 / 维护成本； ③ 结构优化与自动化协同，提升钻进效率与多地层适应性； ④ 减轻吊装风险与排放噪声，符合绿色施工。展望：高强复合 / 新合金 / 纳米材料与增材制造将实现复杂轻质构件，MDO 与拓扑优化推动“智能轻量化”；与模块化、机器人和新能源耦合，形成绿色便携的钻探系统。结论：矿产、水文与工程勘察实践表明，轻量化已显著提高机动与效率，未来在复杂地形、深部、海洋及行星场景潜力更大。

参考文献：

[1] 毕进 , 定熊 , 马宇 , 等 . 煤矿用便携式模块全液压坑道钻机设计 [J]. 中国机械 ,2024,(21):16-20.

[2] 鲁石平 . 煤矿井下用钻机的轻量化设计方法综述 [J]. 价值工程 ,2022,41(26):163-165.

[3] 马明志 , 夏少华 , 王凯 , 等 . 激光熔覆制备 NiWC 耐磨层的工艺开发与性能研究 [J]. 轨道交通材料 ,2024,3(06):29-36.

[4] 邹祖杰 . 分体式坑道岩心钻机及高效取芯工艺技术研究 [J]. 煤矿机械 ,2025,46(06):120-124.