利用液压马达驱动的钻冰机试验及效果评价

刘国忠，刘靖轩

（1.松辽委水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江同江156400；2.嫩江尼尔基水利水电有限公司，黑龙江齐齐哈尔161005）

目前，现有大型钻冰机，体积过于庞大，难以用于条件复杂的冰面（如无路、陡坡、梯形路面、冰面承重量等）钻孔且成本高。水文人员一般使用市场出售的轻便成型的钻孔产品，但这类产品多数是为垂钓开发的，适用冰层厚度薄（多数为80 cm以下）、成孔直径小（多为15～20 cm），水文测流无法使用（冬季受气温的影响，ADCP无法使用，只能使用流速仪，其配套的铅鱼最小直径为42 cm。

为了解决这一问题，我们尝试使用液压马达为动力的钻冰机，收到了较好的效果。

1 工作原理及工艺

1.1 工作原理

钻冰机的主要配件有液压泵、液压马达、链轮、高压油管、电动机（直流12 V）、齿条及齿轮、绞龙、钻头刀片等。基本原理利用相应的装置实现动能—势能—动力的转换，将冰层钻穿，并将碎冰抛出。

1.2 工艺

动力输出设备驱动液压泵提供势能→通过高压油管传递给移动平台上的液压马达转换为动能→带动钻杆旋转（绞龙和钻头刀片与钻杆同步）→平台上下移动→钻杆带动钻头刀片将冰破碎→平台下移→绞龙将碎冰排出冰孔→完成打孔作业。

2 设备研制过程

2.1 动力输出设备的确定

设备的动力输出设备包括：动力源、动力转换器以及连接设备。

为降低成本、便于使用，动力源选择农用四轮车备用的后输出轴为动力源。

液压泵和液压马达强度高、耐腐蚀、重量轻，这次选择其为动力转换设备，从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况；反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。因为它们具有同样的基本结构要素--密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。

为保证动力源和动力转换设备的稳定连接，确保设备正常运行，配套链轮、高压油管。

通过反复运用，调节设备相关参数，最终选定农用四轮车备用的后输出轴的转速、配套链轮的大小比例、液压泵的转速。

2.2 配套设施的确定

配套设备主要包括：移动平台、设备底座、电动机、减速机等。

为确保实验设备能与动力源可靠连接，设备底座采用正方形框架，前端通过两个横臂与四轮车后桥连接，在横臂与正方形框架连接处，设有可上下移动的滑道，用于提升或降低钻冰机底座（改变设备总高度，方便车辆进入车库）；立柱上安装一个可在立柱上滑动、与底座平行的平台。

移动平台上安装有液压马达、钻杆轴承座、电动机、减速机、同轴的两个齿轮。液压马达轴上安装一套链轮，降低转速。

电动机采用车载带行星减速机的结构，通过调试功率、扭力、输出轴转速、等参数保证移动平台的移动速度稳定。

减速机输出轴带动传动轴，带动移动平台上下移动。

2.3 钻具的确定

根据钻孔的要求与可操性，选定钻杆长度，钻杆底端装有绞龙，钻杆底端，安装两个锯齿形的钻头刀片和一个三角形刀片，钻冰头刀片与三角形刀片相互垂直。

3 解决难点

1）增加钻孔的深度。传统钻冰机采用钻杆中间驱动的方式，由于受四轮车后面高度的影响，支架只能在距离地面1.2 m左右，机器移动时，钻头需要离开地面0.2 m，实际绞龙长度只有1 m，而此时，支架上方的丝杠必须大于1.2 m，才能保证打孔深度超过1 m，设备总高度为2.4 m；如果将绞龙增加到1.2 m，则需要将车辆后面的支架提高至1.4 m，相应的丝杠长度也要增加到1.4 m，此时，设备总高度为2.8 m，显然影响了机器行走的稳定性。如果单纯增加支架上方丝杠的长度而绞龙长度不变，则存在使用中深度超过1 m时钻下来的碎冰，不能及时从冰孔中排出，造成卡钻，尤其是刚透水时，此现象更为严重，影响正常作业。而且支架上方的丝杠由于没法增加支撑设施，摆动严重，即影响使用寿命也存在安全隐患（安装方式见图1）。

新制作的钻冰机采用钻杆顶端驱动的方式，设备距离地面高度为2.3 m，钻杆上下行程为1.6 m，设备支架距离地面0.3 m（便于移动方便），可钻孔深度为1.3 m，根据黑龙江的结冰厚度，设计绞龙长度为1.1～1.2 m，满足了作业需要。

图1 钻冰机安装方式对比

2）解决了转动摩擦无法有效润滑的矛盾。以前钻冰机的钻杆通过丝杠传动，在转动的同时需要上下移动，存在两种摩擦力，且由于丝杠需要键槽滑动传输动力，键槽的存在，使得丝杠无法密封，不能使用液体润滑油润滑，只能使用固体润滑油，润滑效果不好，存在干磨现象，导致衬套使用寿命短、使用中设备摆动严重的问题。

新制作的钻冰机，由于采用液压马达直接驱动钻杆的方式，只存在上下移动的摩擦力，且运动速度慢，固体润滑油即可满足其需要，有效的解决问题。

3）液压传动不受空间的限制，可以软连接传动，安装制作简单，操作便利，只需驾驶员在车内即可独立完成钻孔作业。

4）降低了设备的高度，由于采用了可升降支架，车辆入库时降低设备，使之与车辆同高，方便了进入车库，有利于冬季车辆的启动和设备的养护。

4 试验成果

钻冰机能够有效的提高工作效率，以太平沟水文站为例，测流需要打26个冰眼，用人工打，三人一组，打一个需要15 min左右，在不休息的情况下，需要6.5 h，由于人的体力逐渐下降，实际工作中耗时会更长。现实情况是，五个人用一天时间打冰眼，第二天再由两人重打（一晚上大约能冻20 cm），三人测流，费时费力，仅测流就需要近5 h。

通过实验发现，使用钻冰机，理想状态打一个冰眼大约3 min，加上移动位置5 min，共计8 min，有效的缩短了时间，打冰眼的同时即可进行测流工作，节约的劳动力可以增加测流人员，在人员不变的前提下，可缩短一半的时间，使得26个数据取得的时间更短，能充分体现测流断面在某一时段流速、流量的真实性，提高了数据的科学性。

5 存在不足及后期改进方向

1）打孔时间比预测时间长。原因分析：①钻头材质强度、锐度未能满足要求、钻入角度存在偏差，导致速度慢，与钻杆下降速度不匹配，甚至出现车辆轮胎离开地面的情况；②农用四轮车电瓶电力不足，导致移动速度慢甚至停顿。

后期改进：增强钻头强度，细化钻入角度试验；寻找更稳定的动力源，确保设备使用稳定。

2）操作人员不熟练。后期驾驶员需培训，牢固掌握操作程序，避免造成设备损坏和安全事故，通过培训，提高工作效率。试验过程发现未卸载液压泵就启动四轮车的现象。同时，液压马达的转速和功率与四轮车发动机的转速相关，需要密切配合，熟练掌握技巧。

6 设备适用条件及应用前景

该设备可用于钻孔直径在50 cm以下、钻孔深度30～130 cm的冰上钻孔作业，设备总重量约为2 t，冬季结冰超过30 cm即可作业（设备上冰之前需查明工作路线的冰厚度情况）。

冰厚度与承重量的关系（淡水捕捞学，1983.6）

冰厚5 cm，人可行走；

冰厚12 cm，人可持一匹马行走；

冰厚30 cm，可行驶9～10 t履带式机器；

冰厚40 cm，可荷重15～20 t。

该设备负荷能力大，性能稳定，工作效率高；可与任意型号拖拉机车体配套使用（应考虑设备总重量），安装方便；操作人员可独立完成全部操作，提高作业效率，操作熟练的情况下每小时不低于20个（厚度为1 m）冰孔，较传统工艺钻孔相比，工作效率可提高80%。设备研制成功后可用于严寒冰冻地区的水文测流、水库养殖和池塘养殖的打孔补氧、渔业捕捞冰下大拉网打孔作业等，运用前景较广泛。