基于雙偏心軸驅(qū)動的聲頻振動鉆機(jī)設(shè)計研究

王 瑜 劉寶林 周 琴 胡遠(yuǎn)彪 高明帥

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京，100083

0 引言

液壓鉆機(jī)是進(jìn)行能源勘探、環(huán)境取樣［1］、工程勘察、水井建設(shè)等工程的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛用于煤礦采煤工作面瓦斯抽放孔、注水孔、探水孔、防突孔［2］、救援孔等的鉆進(jìn)，以及地表淺層的鉆進(jìn)取樣。目前使用廣泛的是旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)［3］，該鉆機(jī)一般需要泥漿配合鉆進(jìn)，以防止燒鉆，并利用泥漿黏性護(hù)住井壁［4－5］，但泥漿的化學(xué)成分往往對樣品的擾動較大，且回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法在松散地層的鉆進(jìn)速度較振動鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)速度慢。

聲頻鉆進(jìn)技術(shù)使用液壓驅(qū)動鉆進(jìn)、無需泥漿［6］，是一種高效的新型振動鉆進(jìn)技術(shù)［7－9］，目前，這一技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白［10］。本文分析了聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)的工作原理，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計了一種基于液壓馬達(dá)驅(qū)動的雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆機(jī)，在虛擬樣機(jī)模擬分析的基礎(chǔ)上，制造了聲頻振動鉆機(jī)的實物樣機(jī)，對樣機(jī)的性能進(jìn)行了測試，并進(jìn)行了現(xiàn)場鉆進(jìn)取樣實驗。

1 聲頻振動鉆進(jìn)原理與特點

1.1 聲頻振動鉆進(jìn)原理

雙偏心軸驅(qū)動的聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)基本原理如圖1所示，激振器上安裝的兩個高速的液壓馬達(dá)分別驅(qū)動兩根質(zhì)量為m的偏心軸形成偏心系統(tǒng)，偏心距為e，兩偏心系統(tǒng)以ω的角速度作高速旋轉(zhuǎn)，運動方向相反，當(dāng)兩偏心系統(tǒng)初相位和轉(zhuǎn)速完全相等時，其產(chǎn)生的橫向力相互抵消，而在縱向（鉆桿軸向）上的合力得到加強，為兩個偏心系統(tǒng)產(chǎn)生的激振力之和，即軸向的激振力為

圖1 聲頻振動鉆進(jìn)原理

當(dāng)激振器的激振與鉆柱自然諧振頻率疊合時產(chǎn)生共振，振動的能量通過鉆桿傳遞到孔底，在高頻的激振能量作用下，鉆頭周圍的土壤被液化，鉆頭便高速排開周圍土壤進(jìn)行鉆進(jìn)；同時，在鉆桿內(nèi)部裝有塑料的內(nèi)管取樣筒，當(dāng)鉆桿鉆進(jìn)時，地層土壤進(jìn)入取樣筒，鉆桿起到保護(hù)孔壁的作用，避免使用泥漿，使樣品遭到化學(xué)侵蝕，土壤也因此保持了高度的層狀關(guān)系。

1.2 聲頻振動鉆進(jìn)特點

聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)使用雙液壓馬達(dá)驅(qū)動偏心部分，以人耳能聽見的50～200Hz的頻率進(jìn)行振動鉆進(jìn)，由于不使用任何泥漿，故對樣品和環(huán)境沒有任何污染，能夠真正獲得連續(xù)的、非擾動的柱狀樣品；由于在鉆進(jìn)過程中，鉆柱不回轉(zhuǎn)，或者僅作極低速旋轉(zhuǎn)以防止松扣，所以使得鉆柱與孔壁之間的摩擦阻尼大為減小，節(jié)省了動力輸出［11］。高頻的振動使土壤局部液化，鉆進(jìn)速度快，比常規(guī)的鉆探方法速度快2～3倍，鉆探成本降低30%～60%，是一種高效、環(huán)保的新型鉆進(jìn)技術(shù)。

聲頻振動鉆機(jī)目前在國外已經(jīng)成功應(yīng)用于地質(zhì)勘探、淺層地?zé)衢_發(fā)、礦山救援、環(huán)境取樣、土壤修復(fù)、地震勘探、排水工程、炮彈探測、地基工程、礦產(chǎn)取樣、考古取樣、路基取樣、淺海取樣、靜力觸探、水井建設(shè)等領(lǐng)域［12］，特別是聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)無需使用水，在干旱缺水地區(qū)、松散地層等工況條件下具有不可替代的優(yōu)勢［13］。

2 聲頻振動鉆機(jī)設(shè)計

2.1 鉆機(jī)整體技術(shù)方案

聲頻振動鉆機(jī)是實施聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，在聲頻振動鉆進(jìn)操作過程中必須具備提供向下的激振力與鉆壓、處理事故的向上起拔力，以及行走等輔助操作的能力。聲頻振動鉆機(jī)設(shè)計目標(biāo)為振動鉆深50m。聲頻振動鉆機(jī)包括激振器、液壓系統(tǒng)、桅桿以及底盤支撐系統(tǒng)等四大部分。激振器由高速液壓馬達(dá)驅(qū)動，提供聲頻激振力，它是聲頻振動鉆機(jī)最關(guān)鍵的部分；桅桿提供聲頻激振器上下運動的軌道，其內(nèi)部設(shè)置的起升液壓缸提供鉆進(jìn)鉆壓與起拔力；液壓系統(tǒng)由柴油機(jī)驅(qū)動，是聲頻振動鉆機(jī)的動力來源；而底盤則將各種部件集成在上面，為鉆機(jī)的主要操作和輔助操作提供平臺。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在Solidwork2010環(huán)境下，根據(jù)鉆機(jī)各零部件的物理信息及其幾何信息建立三維模型，定義零部件間的連接關(guān)系并對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配，形成的聲頻振動鉆機(jī)的虛擬樣機(jī)如圖2所示。在裝配的過程中，進(jìn)行各部分的裝配分析，確定整體與各部分尺寸，防止零部件之間的干涉，并且設(shè)定一定的虛擬環(huán)境對聲頻鉆機(jī)激振器、桅桿等其他關(guān)鍵部件進(jìn)行動力學(xué)分析、強度分析，在設(shè)計初期便可以發(fā)現(xiàn)問題［14－15］，而且可以直接修改缺陷，對聲頻振動鉆機(jī)進(jìn)行整體改進(jìn)，形成最優(yōu)設(shè)計方案。虛擬樣機(jī)技術(shù)在聲頻振動鉆機(jī)開發(fā)中的應(yīng)用縮短了開發(fā)周期［16］，大大提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。

圖2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的聲頻振動鉆機(jī)

2.2 聲頻激振器

聲頻激振器是聲頻振動鉆機(jī)最關(guān)鍵的設(shè)備，聲頻激振器主要包括回轉(zhuǎn)馬達(dá)、閥塊、支撐架、隔振器、偏心部分、振動體以及鉆桿接頭等部分，如圖3所示。

圖3 聲頻激振器虛擬樣機(jī)

馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生上下方向（鉆桿軸線方向）的自激振能量，帶動左右兩個偏心部分振動體振動，由隔振器將振動體與支撐架隔開，減少振動，以免振動傳遞到非振動部分。支撐架的上方裝有回轉(zhuǎn)馬達(dá)，以滿足聲頻振動鉆進(jìn)過程中的緩慢旋轉(zhuǎn)以防止鉆桿脫扣。閥塊的主要作用是對進(jìn)入兩個振動馬達(dá)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)中的流量進(jìn)行分配，同時將馬達(dá)回油進(jìn)行合流，并保證泄油通道暢通。激振器振動時，整個振動體以50～200Hz的頻率作振動，通過鉆桿接頭傳遞到鉆桿上，并傳播到孔底。激振器整體安裝在桅桿上，通過桅桿內(nèi)部的加壓油缸的控制，使鉆頭一直保持一定的鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)。激振器鉆桿接頭為中空結(jié)構(gòu)，作為預(yù)備的泥漿循環(huán)通道，以適應(yīng)某些需要使用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的特殊場合。

2.3 聲頻振動液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)為聲頻振動、進(jìn)給以及起升桅桿、鉆機(jī)行走、液壓支腿等輔助動作提供動力，并對動作進(jìn)行控制。為達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，提高液壓系統(tǒng)使用效率，聲頻振動鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)采用了1個主油路和1個輔助油路的開式系統(tǒng)，系統(tǒng)工作壓力為21MPa。

圖4所示為聲頻振動鉆機(jī)液壓原理，主油路Ⅰ采用了負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載敏感多路比例換向閥6的油路系統(tǒng)、驅(qū)動振動馬達(dá)和回轉(zhuǎn)馬達(dá)1以及兩個行走馬達(dá)2。由于鉆機(jī)在進(jìn)行作業(yè)操作時，行走馬達(dá)并不工作，因此保證了作為主要動作的振動和低速回轉(zhuǎn)的流量要求。主系統(tǒng)多路閥采用摩擦定位和壓力補償，具有良好的線性輸出特性以及在不同流量和負(fù)載作用下的工作獨立性。帶有負(fù)載的敏感泵和多路閥組成的控制回路能根據(jù)負(fù)載的壓力反饋自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，使不同鉆深所需要的功率與液壓系統(tǒng)的輸出功率相匹配，減少系統(tǒng)能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱。

圖4 聲頻振動鉆機(jī)液壓原理圖

輔助油路Ⅱ采用恒壓泵和多路閥8驅(qū)動桅桿起升液壓缸3、液壓支腿液缸4以及進(jìn)給液壓缸5動作。起升液壓缸3和液壓支腿液缸4均設(shè)置液壓鎖，以保證液壓缸能夠長時間進(jìn)行保壓。進(jìn)給液壓缸設(shè)置了節(jié)流閥9進(jìn)行激振器提升和下放時的速度控制，壓力閥10則控制進(jìn)給液壓缸工作壓力，以控制鉆進(jìn)時的鉆壓要求。

主回路和輔助回路的回油合流后，經(jīng)冷卻器、過濾器進(jìn)入油箱。液壓系統(tǒng)主輔泵采用雙聯(lián)泵，由康明斯渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，柴油機(jī)配置三重冷卻器為液壓油、渦輪廢氣、柴油機(jī)冷卻水同時進(jìn)行冷卻，保證了液壓系統(tǒng)溫升可控，液壓系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定可靠。

3 聲頻振動鉆機(jī)實驗

聲頻振動鉆進(jìn)中的振動能量來自激振器，而鉆桿則傳遞振動的能量，通過鉆桿將振動與土壤之間的相互作用建立起聯(lián)系。在開發(fā)過程中，對聲頻激振器的能量產(chǎn)生效果和振動鉆進(jìn)效果進(jìn)行了實驗。

3.1 激振器振動能量測試

激振器在振動時，周期性地輸出上下方向（鉆桿方向）的激振力，通過對振動體振動的加速度和振動體質(zhì)量進(jìn)行測試，即可測定聲頻振動輸出的能量。測試系統(tǒng)硬件采用美國NI公司的USB－6210即插即拔型高速數(shù)據(jù)采集卡，利用Lab－View2009編寫聲頻振動虛擬儀器測試軟件系統(tǒng)，測試系統(tǒng)具有采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)文件保存、數(shù)據(jù)濾波等功能。測試系統(tǒng)運行平臺為ThinkPad T410便攜式計算機(jī)，采集數(shù)據(jù)精度達(dá)16位，最高采樣速率為250Hz，高速的硬件配置為數(shù)據(jù)采集提供可靠保證，測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 激振器測試現(xiàn)場

測試傳感器采用朗斯LC0123型加速度計，測量范圍為－500g～500g，通過調(diào)理器后輸出信號為±5V，數(shù)據(jù)采集采用雙通道差分輸出。圖6為數(shù)據(jù)采集頻率為3000Hz，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到12 000r／min時所實測的振動體加速度曲線。從曲線上可以看出，此轉(zhuǎn)速下聲頻激振器輸出最大加速度約為200g，振動加速度輸出振動規(guī)律穩(wěn)定，基本呈現(xiàn)正弦關(guān)系，考慮到振動體質(zhì)量約為90kg，不帶鉆桿空載時，輸出激振力約17.6kN，為鉆進(jìn)提供了足夠的能量。

圖6 振動體激振加速度曲線

3.2 鉆進(jìn)現(xiàn)場測試

鉆機(jī)裝配成功后，2011年11月初在中國煤田地質(zhì)總局的配合下，在河北涿州地表沉積層進(jìn)行了現(xiàn)場鉆進(jìn)與取樣實驗，實驗中采用外徑為50mm的普通地質(zhì)鉆桿，取心筒直徑為108mm。實驗實際取心回次為23次，鉆進(jìn)47m，穿越多個交替的粘土層、砂層、礫石層，最大取樣長度達(dá)到取樣筒長度（3m），總體取樣率達(dá)到90%以上，部分取心回次取心率最低也達(dá)到63%，礫石層中最大的鵝卵石直徑達(dá)到了80mm，部分礫石被排開或者切斷。

實驗過程中，雙偏心軸驅(qū)動的聲頻振動鉆進(jìn)速度快，最大鉆速達(dá)0.31m／s，取樣效率高、鉆進(jìn)能力強，實際鉆進(jìn)過程中沒有使用任何水或泥漿，樣品地層分界明顯，地質(zhì)信息完整，達(dá)到了聲頻振動鉆機(jī)設(shè)計的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，開發(fā)了基于雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆機(jī)的虛擬樣機(jī)與實物樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上開展了聲頻振動室內(nèi)實驗研究，以及現(xiàn)場鉆進(jìn)實驗研究。實驗證明：基于液壓馬達(dá)驅(qū)動的雙偏心慣性軸的聲頻振動鉆進(jìn)技術(shù)可行，鉆進(jìn)速度快、取樣無擾動、質(zhì)量高，鉆進(jìn)振動能量密度大，無水鉆進(jìn)過程環(huán)保、高效。在干旱缺水地區(qū)、松散地層等工況條件下具有不可替代的作用，在資源和環(huán)境問題日益受到重視的今天具有良好的發(fā)展前景。

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