矿产资源是经济发展的重要物质基础，岩心钻探是矿产资源勘探不可或缺的技术手段，岩心钻机又是岩心钻探工作开展的核心设备；因此，针对岩心钻机进行的研发工作对社会经济的发展具有重要意义。随着易于开采和浅表资源储量的减少，地质勘探工作已开始向西部边远地区和中东部难进入地区转移，这对岩心钻机自身的结构形式提出了更高的要求，需要在满足钻探工作稳定进行的条件下，尽可能地实现钻机的轻量化，以便于在交通不便的情况下实现设备的转场搬运。

1　国内外岩心钻机轻量化设计现状分析

　　轻量化是一个涵义非常广泛的设计准则，广泛应用于汽车、高铁和航空航天等领域，其目标是通过减轻质量，使机构实现更大的加速度、更少的能源消耗以及更高的运输效率。轻量化设计方法主要有材料轻量化设计、结构轻量化设计和模块轻量化设计。在岩心钻机这一领域，国内外轻量化设计主要是针对液压动力头岩心钻机进行的，因与新立轴式钻机相比，液压动力头钻机具备以下优点。

　　(1)钻机整体性强，搬迁时间短，更适合在交通不便的地区展开钻探工作。一般情况下，液压动力头岩心钻机搬迁一次只需1～2d，传统立轴式钻机搬迁一次则需要4～7d。

　　(2)钻机钻进适应性好。针对不同的岩层，须使用不同的钻进工艺，对钻机转速的要求也不同，液压动力头岩心钻机不仅可以实现无级调速，而且更方便施工不同倾角的钻孔(45°~90°)。

　　(3)钻机部件替换方便。由于各部件之间通过液压管路连接，所以动力头岩心钻机可以根据使用不同要求方便地增设不同的机构。如把拖挂形式改装成履带自行底盘，只需利用控制阀从供给泥浆泵液压马达的液压回路切换到履带行走液压马达回路即可。

　　目前，我国液压动力头岩心钻机在轻量化设计方面的代表性单位有中国地质调查局勘探技术研究所、北京天和众邦勘探技术有限公司、贵州远东兄弟、西安探矿机械厂以及陕西核昌机电装备有限公司等。全球各地研发生产轻量化岩心钻机的公司有美国BoartLongyear公司、瑞典AtlasCopco公司和瑞典Sandvik公司，此外，加拿大的HydracoreDrills和FORDIA公司在液压动力头岩心钻机轻量化设计方面也有着不错的表现。笔者将从轻量化设计的角度，对国内外制发企业现有的液压动力头岩心钻机的轻量化现状进行分析比较。

1.1　材料轻量化设计

　　材料轻量化设计是一种在满足物理力学性能前提下，用新型轻质材料代替传统钢材的设计方法。现代轻量化可选用的材料种类很多，如铝合金、镁合金、钛合金、超轻合金、纤维增强材料以及高分子材料(包含橡胶、塑料和TPE等)，轻量化设计的效果很大程度上取决于轻质材料的选择。选择轻质材料时，首先需明确构件及其使用的目标功能和边界条件，进而定义所需相关材料的特征值，通过对材料进行评估，确定材料性能优先权，并对其进行加权评估，结合材料效率、加工工艺和制造成本等参数对符合性能要求的轻质材料进行分析比较，选取较优的轻质材料。

　　近几年，国外轻质材料在钻探设备方面得到了很好的应用。在众多轻量化的液压动力头岩心钻机中，加拿大FORDIA公司研制的Eider系列岩心钻机在材料轻量化设计方面尤为突出。其中Eider1100U型钻机主机部分(见图1)85%的结构是由7079高强度航空铝型材加工制造而成，使得钻机的主机部分质量仅为1905kg，钻机整机包括发动机、液压管道和操作平台在内仅有3996kg，对于使用NQ钻杆钻深可达1100m的岩心钻机来说，其质量已相当可观。由于受到制造水平的限制，轻质材料在国内岩心钻机上的应用发展相对缓慢。目前，国内材料轻量化设计主要集中在岩心钻机的一些零部件和辅助设备上，如钻机导轨、天车、夹持器、绞车滚筒、底座、泥浆泵、钻杆和岩心箱等。在岩心钻机钻探能力一定的条件下，使用铝合金钻杆可钻达钢钻杆无法到达的深度；在钻探深度一定的条件下，由于铝合金钻杆质量轻、其所需回转功耗低、卸扣转矩小，使得所配备的动力机构、旋转机构、给进和提升机构的质量也会得到一定程度的减少，减轻了工人劳动强度。

1.2　结构轻量化设计

　　结构轻量化设计包括2个方面：①在产品结构概念设计过程中，应用轻量化构造建立产品结构的3D模型，常见的轻量化构造包括差动构造、整体构造、集成构造、复合构造以及实壁体和壳体；②对已建立的产品结构3D模型进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化等优化设计，使得产品结构在给定的设计空间上获得较优的材料分布、优良的尺寸和参数、优良的位置和几何形状达到轻量化的目的。结构轻量化设计方法在岩心钻机上的应用主要集中在动力头、桅杆、导轨、底座、支撑框架和一些辅助设备上。

　　所配置的液压泵站，通过在发动机和液压泵站的支撑框架之间增加一些橡胶支座形成差动构造，差动构造不仅可以有效地阻止裂纹的产生或扩散，减轻连接处的应力集中和腐蚀行为，还可以隔绝支撑框架与发动机工作时产生的振动，有利于工程师将整个框架结构设计的更为简单、轻便。