ZHDN-SDR 150A 型高頻聲波鉆機設(shè)計

潘云雨，梅金星，徐 靜，高 翔，潘 俊

（1.南京中荷寰宇環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210019；2.溧陽市東南機械有限公司，江蘇 溧陽 213399）

0 引言

隨著城市產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整，城市及周邊地區(qū)的化工企業(yè)關(guān)閉搬遷后，其原址被再次開發(fā)利用，帶來的土壤環(huán)境污染問題日益顯現(xiàn)［1］。自改革開放以來，我國農(nóng)業(yè)化學品投入量大幅增加，造成日益嚴重的農(nóng)業(yè)土壤污染問題［2］。國家在 2016 年和 2019 年分別頒布了《土壤污染防治行動計劃》和《中華人民共和國土壤污染防治法》，全國性的農(nóng)用地和重點行業(yè)企業(yè)用地調(diào)查先后實施［3］。截至2020 年底，農(nóng)用地詳查布設(shè)點位55.3 萬個，基本查明農(nóng)用地土壤污染面積、分布及其對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響；全國重點行業(yè)企業(yè)調(diào)查涉及地塊十幾萬個，基本掌握污染地塊的分布及其環(huán)境風險［4］。由此可見，我國土壤環(huán)境調(diào)查市場前景廣闊，鉆探采樣設(shè)備需求較大。

自20 世紀60 年代中期以來，歐美國家土壤及地下水采樣鉆進設(shè)備及其配套檢測、采樣工具的研發(fā)與應用日趨成熟，推出了一系列國際領(lǐng)先水平的場地調(diào)查采樣設(shè)備，可獲取高取心率、高保真度的土壤及地下水樣品［5-9］。典型的直推式鉆機，如美國Geoprobe system 公司生 產(chǎn) 的 Geoprobe 7822DT 型、AMS 公司的 Powerprobe 9410 VTR 型、國內(nèi)江蘇蓋亞環(huán)境科技股份公司研發(fā)的GY-SR60 型和江蘇無錫探礦機械總廠研發(fā)的QY-60L 型，適用于常規(guī)地層原位低擾動采樣［10-11］。但典型的直推式鉆機在松軟地層進行采樣時，由于其鉆進時護壁功能不足，存在連續(xù)性與密封性差、樣品壓縮比嚴重以及取樣量不能滿足檢測需求等問題；在堅硬地層進行取樣時，由于其遇到礫石時鉆進困難，存在取樣難度大、取樣量不足以及取心率低等問題。而高頻聲波式鉆機，如美國Boart Longyear 公司的LSTM250 MiniSonic型、荷蘭 Sonicsampdrill 公司的 SRS-PL 型、日本利根公司的SD-250A 型和加拿大Sonic Drill 公司的SDC500-28E 型，由于其具有樣品壓縮比低、取心率高以及對地層樣品擾動小等特點，常適用于松軟（散）和堅硬地層低擾動高保真采樣［12］。

國內(nèi)現(xiàn)有的聲波式鉆機，如無錫金帆鉆鑿設(shè)備股份有限公司研發(fā)的 YGL-S100 型聲波鉆機［13］、中國煤炭地質(zhì)總局第二勘探局研發(fā)的MGD-S50Ⅱ型聲波鉆機［14］，核心部件采用國外進口的聲波動力頭，且平均能耗（柴油平均消耗量，L/h）相對較高（15～20 L/h），智能自動化程度較低。國外鉆機如上文提到的荷蘭Sonicsampdrill 公司的SRS-PL 型、日本利根公司的SD-250A 型鉆機采用單組振子結(jié)構(gòu)聲波動力頭裝置，且聲波動力頭在軸承冷卻潤滑不良的情況下工作存在軸承損壞的問題，導致動力頭工作效率明顯下降。在國內(nèi)外聲波鉆機技術(shù)調(diào)研分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種雙組振子結(jié)構(gòu)聲波動力頭鉆機，其動力頭振動頻率可持續(xù)穩(wěn)定達到150 Hz；同時配備了一套軸承冷卻潤滑系統(tǒng)，提升軸承使用壽命50%以上；實際地塊驗證測試結(jié)果顯示鉆機平均能耗約為10 L/h。該鉆機能夠滿足不同地層原位弱擾動采樣要求，在污染場地調(diào)查領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

1 總體設(shè)計思路

1.1 高頻聲波鉆機設(shè)計技術(shù)路線

針對污染場地土壤采樣樣品壓縮、采樣量不能滿足檢測需求、堅硬地層鉆進難度大、取心率低等技術(shù)難點，設(shè)計了高頻聲波動力頭與鉆機主體及與之匹配的適用于不同地層的土壤鉆具，設(shè)計技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 鉆機設(shè)計技術(shù)路線Fig.1 Technical roadmap for the drill design

1.2 主要性能參數(shù)設(shè)計

主要性能參數(shù)是直接影響鉆機系統(tǒng)功能的參數(shù)，它是設(shè)計鉆機總體結(jié)構(gòu)及主要零部件的重要指標。高振頻（150 Hz）、主輔機工作一體化、適用于不同地層原位弱擾動采樣是鉆機的主要設(shè)計要求。在參考國內(nèi)外先進高頻聲波鉆機設(shè)計的基礎(chǔ)上，確定了能直觀反映滿足鉆機設(shè)計要求的性能指標，如鉆進頻率、轉(zhuǎn)速、給進力、起拔力、最大輸出扭矩、鉆進深度、平均能耗、樣品取心率（表1）。

表1 高頻聲波鉆機主要性能設(shè)計參數(shù)Table 1 Main performance design parameters of the high frequency sonic drill

2 鉆機主體設(shè)計

2.1 鉆機主體工作原理

鉆機主體工作原理是利用PLC 電/液控/手動控制系統(tǒng)和負載敏感反饋系統(tǒng)控制液壓智能分配，實現(xiàn)主輔機工作一體化。該原理是基于PLC（可編程邏輯控制器）技術(shù)，通過采用可編程序的存貯器，存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，智能控制液壓在鉆機的智能分配。

2.2 鉆機主體主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉆機主體整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，通過對鉆機操作控制平臺進行創(chuàng)新性的PLC 電/液控/手動設(shè)計，實現(xiàn)了對液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、履帶底盤系統(tǒng)和桅桿系統(tǒng)的智能操控，解決了設(shè)計過程中遇到的主機輔機工作一體化難題?，F(xiàn)對上述構(gòu)成鉆機主體的關(guān)鍵系統(tǒng)作簡要介紹。

圖2 鉆機主體Fig.2 Main part of the drill

2.2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)是通過執(zhí)行元件將液壓油變成轉(zhuǎn)動或往復運動，主要由1 個主油路和1 個輔助油路組成。主油路由主泵、負載敏感比例多路換向閥和液壓執(zhí)行元件組成，控制聲頻動力頭的振動、回轉(zhuǎn)和給進/提升、自動卸扣液壓夾持器、履帶行走。輔助油路由輔助泵、普通多路換向閥、多路油缸、液壓鎖和平衡閥等組成，控制鉆機支腿、桅桿起落和桅桿滑移等輔助鉆進動作。主泵選用丹佛斯柱塞變量雙聯(lián)泵（JR-R-075C+JR-R-045B 型），最大流量 187.5+112.5 L/min，最大壓力20 MPa，該雙聯(lián)泵能夠自動控制流量；輔助泵選用一種定量齒輪泵，能夠驅(qū)動泥漿泵并使其流量輸出速度提高。

2.2.2 動力系統(tǒng)設(shè)計

動力系統(tǒng)主要為鉆機提供可靠的動力保障，主要由柴油機、聯(lián)軸器、散熱器和空氣壓縮機組成。鉆機的主動力由1臺柴油機提供，該柴油機一側(cè)連接液壓系統(tǒng)，為鉆機各執(zhí)行機構(gòu)提供動力源；另一側(cè)連接空氣壓縮機，為整個系統(tǒng)的壓縮空氣提供動力源。考慮外圍功率損失的原因，柴油機選用F-4L913FE-12 型，凈輸出功率約為56 kW，有手油門和電油門兩種方式。

2.2.3 履帶底盤系統(tǒng)設(shè)計

鉆機履帶底盤系統(tǒng)主要由行走架、履帶、拖鏈輪、支重輪、引導輪、驅(qū)動輪、張緊裝置、液壓馬達等組成。履帶行走時，液壓馬達產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動力，使得履帶對地面產(chǎn)生一個向后的作用力，同時，地面對履帶產(chǎn)生反作用力，驅(qū)動水平定向鉆機行走。選用履帶底盤型號為XLDZ6-1405 型，接地比壓0.071 kPa，最 大 爬 坡 度 為 30° ；液 壓 馬 達 型 號 為TBM07 型。

2.2.4 桅桿系統(tǒng)設(shè)計

桅桿部分主要由減速機驅(qū)動馬達、主軸和起駕油缸組成。減速機驅(qū)動馬達是維持桅桿系統(tǒng)工作的重要部件，與起駕油缸相互配合，使桅桿滑移落地。選用減速機驅(qū)動馬達型號為XSM1-250D60101 型，桅桿設(shè)計長度4.8 m，頭部傾角0°～10°，最大給進行程2 m。

3 高頻聲波動力頭設(shè)計

3.1 高頻聲波動力頭工作原理

高頻聲波動力頭工作時，振動部分的一對液壓馬達帶動一對轉(zhuǎn)動曲柄，以驅(qū)動一對偏心振子反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高頻振動力；同時回轉(zhuǎn)部分通過低速大馬達為動力頭產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力；動力頭并由桅桿結(jié)構(gòu)提供向下的壓力［15］。高頻振動力、低速回轉(zhuǎn)力和向下壓力三者的結(jié)合使鉆具快速鉆進土層（圖3）。

圖3 聲波動力頭工作原理示意Fig.3 Working principle diagram of the sonic power head

3.2 高頻聲波動力頭主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

高頻聲波頭主要由主軸箱、減振裝置、主軸旋轉(zhuǎn)裝置、主軸振動裝置和軸承冷卻潤滑系統(tǒng)構(gòu)成（圖4）。設(shè)計難點為：（1）高振頻問題。設(shè)計人員全新設(shè)計了一種振動裝置，將歐美常用的的單振子結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙振子結(jié)構(gòu)，振動頻率可持續(xù)穩(wěn)定達到150 Hz。（2）動力頭工作穩(wěn)定性低。設(shè)計人員經(jīng)比對測試選擇了一種柱狀橡膠塊材料，全新設(shè)計了一種減振裝置，提升了高頻聲波動力頭高速運轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定性。（3）動力頭軸承使用壽命短。設(shè)計人員全新設(shè)計了一套軸承冷卻潤滑系統(tǒng)，提升了軸承使用壽命50%以上?，F(xiàn)對振動裝置、減振裝置和軸承冷卻潤滑系統(tǒng)作主要介紹。

圖4 高頻聲波動力頭結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of the high?frequency sonic power head

3.2.1 振動裝置設(shè)計

為了使高頻聲波動力頭振動頻率滿足設(shè)計要求（150 Hz），設(shè)計了一種振動裝置，主要由兩組對稱設(shè)置的振子結(jié)構(gòu)和振動液壓馬達組成（圖5）。兩組振子結(jié)構(gòu)設(shè)有四件具有相等偏心質(zhì)量和偏心距的振子軸，質(zhì)心同相位兩兩串聯(lián)后并聯(lián)布置，由轉(zhuǎn)向相對的兩激振馬達分別驅(qū)動作相向轉(zhuǎn)動，激振軸的另一端裝有同步帶輪，受同步帶的約束兩串激振軸作同步相向回轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生垂直方向的單自由度激振合力。經(jīng)過計算，振子鉆速ω=8980 r/min，扭矩M=4.32 N·m。查派克液壓元件樣本，可選擇馬達型號F11-005，最大排量達到4.9 mL/r，能帶動兩組振子結(jié)構(gòu)在圓柱腔中反向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)向下鉆進的振動力。

圖5 振動裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the vibration device

3.2.2 減振裝置設(shè)計

為了提升高頻聲波動力頭高速運轉(zhuǎn)下穩(wěn)定性，設(shè)計了一種減振裝置，主要由一種柱狀橡膠塊材料和連接法蘭組成（圖6）。該柱狀橡膠塊具有橫向尺寸大于縱向尺寸的截面形狀，且柱狀橡膠塊的縱向與主軸的振動方向一致，該隔振器截面形狀可采用橢圓形或兩端為半圓形的矩形等，具有橫向尺寸大于縱向尺寸的截面形狀。采用上述結(jié)構(gòu)的隔振裝置，在聲波動力頭的振動方向具有較好的彈性變形性能，同時在橫向又具有較強的支撐性能，有效防止了主軸箱振動時產(chǎn)生較大的橫向位移變化，提高了聲波動力頭的振動穩(wěn)定性，并且有效阻擋了主軸箱的振動向主框架的傳遞，減少了振動能量損耗。

圖6 一種柱狀橡膠塊材料Fig.6 A columnar rubber block

3.2.3 軸承冷卻潤滑系統(tǒng)設(shè)計

為了提升高頻聲波動力頭軸承使用壽命，設(shè)計了一套軸承冷卻潤滑系統(tǒng)，主要由進油管、回油管和油液循環(huán)控制系統(tǒng)組成。工作原理如圖7 所示，軸承冷卻潤滑系統(tǒng)利用進油壓力傳感器檢測冷卻潤滑油的供油壓力，在供油壓力異常的情況下，由主控器通過液電負載敏感比例閥組控制聲波動力頭不工作，有效防止了聲波動力頭在軸承冷卻潤滑不良的情況下工作而導致軸承損壞，提高了聲波動力頭的使用安全性和可靠性；并且利用冷卻供油泵和吸油泵配合，使得冷卻潤滑油在聲波動力頭的主軸箱內(nèi)同步進油和回油，使偏心軸腔內(nèi)不產(chǎn)生積油，避免了偏心軸腔內(nèi)積油而對偏心振子軸旋轉(zhuǎn)振動造成阻力。

圖7 軸承冷卻潤滑系統(tǒng)液壓原理Fig.7 Hydraulic schematic diagram of the bearing cooling and lubrication system

4 配套鉆具設(shè)計

4.1 設(shè)計原理

配套鉆具的設(shè)計原理主要是基于慣性邊界和高頻聲波鉆柱動力學理論，該理論分別從應力效應和鉆柱疲勞累計損傷進行分析，通過慣性邊界聲波鉆柱動力學微分方程的計算，最終實現(xiàn)對鉆具使用壽命的估算［13，16-17］。

4.2 松軟地層適用的活塞式鉆具設(shè)計

活塞式鉆具總體結(jié)構(gòu)如圖8 所示，主要由鉆桿、鉆頭、橡膠活塞和連接頭組成。鉆桿內(nèi)設(shè)有橡膠活塞，上端通過連接頭與平衡器螺紋連接；平衡器包括能與連接桿螺紋連接的上閥體、能與連接頭螺紋連接的下閥體和閥芯，閥芯包括螺桿門芯、壓縮彈簧、上彈簧安裝座、下彈簧安裝座和鎖緊螺母，下閥體插入上閥體內(nèi)，并且下閥體與上閥體螺紋連接；橡膠活塞的下端芯子位于下閥體內(nèi)，且螺桿門芯的下端芯子設(shè)置于出水通道與進水通道之間，進水通道與開設(shè)于下閥體側(cè)壁上的注水孔連通，方便了注水推動橡膠活塞進行往返運動。

4.3 中-堅硬地層適用的雙壁式鉆具設(shè)計

雙壁式鉆具總體結(jié)構(gòu)如圖9 所示，主要由鉆頭、護心管、取心管、連接頭和鎖緊器組成。取心管的上端連接有多孔鋼堵頭，下端插入通孔鋼堵頭內(nèi)；護心管的上端螺紋連接有連接頭，自下往上裝入鉆桿，拆裝方便；鉆桿的下端與鉆頭螺紋連接，上端與鎖緊器螺紋連接，鎖緊器內(nèi)螺紋連接的封堵螺栓抵在連接頭上，取土及卸土方便。

圖9 雙壁式鉆具結(jié)構(gòu)Fig.9 Double wall drilling tool structure

5 驗證測試

5.1 測試參數(shù)確定

通過主要性能參數(shù)分析，測試參數(shù)選取了鉆進頻率、轉(zhuǎn)速、給進力、起拔力、最大輸出扭矩、鉆進深度、平均能耗、樣品取心率。上述參數(shù)能直觀反映鉆機工作性能。

5.2 松軟地層驗證測試

5.2.1 測試場地概述

測試場地位于江蘇省溧陽市東南機械廠內(nèi)，區(qū)域范圍屬于長江中下游平原，海拔5～8 m，第四系地層，以雜填土和粉質(zhì)粘土為主。

5.2.2 配套鉆具選擇及工藝流程

測試時選用水鎖式鉆具一套，鉆桿外徑90 mm，內(nèi)徑85 mm，壁厚7 mm，定尺長1.7 m，每根重2.5 kg；鉆頭2 個，外徑92 mm；聲頻振動頭主軸接頭1個；鉆桿與鉆具轉(zhuǎn)換接頭1 個。

鉆機工作時，鉆桿開始下鉆，在壓力的作用下土壤全部進入鉆桿腔內(nèi)，鉆桿腔內(nèi)的水不斷從注水口排出；鉆桿提升后卸下鉆頭，開始把水注入平衡器，水壓推動橡膠活塞至鉆桿內(nèi)最下端，高保真原樣土壤從鉆桿腔內(nèi)排出。鉆進工藝流程如圖10 所示。

圖10 活塞式鉆具鉆進工藝流程Fig.10 Working process of the piston drilling tool

5.2.3 測試結(jié)果

測試試驗全部采用振動鉆進方式，共鉆進取樣14 回次，鉆進深度21.0 m，累計取樣長度21.0 m，通過現(xiàn)場記錄整理出測試參數(shù)變化情況（見表2）?？傮w而言，不同深度取心率范圍介于90%～98%，初步達到原位弱擾動連續(xù)完整采樣；振動頻率范圍介于56～150 Hz，高振頻150 Hz 可顯著提升鉆進深度和效率；平均能耗約為10 L/h，較國內(nèi)外同類產(chǎn)品更為節(jié)能；其它相關(guān)測試參數(shù)均達到了設(shè)計的要求。

表2 松軟地層驗證測試記錄Table 2 Verification test record for soft formation

5.3 中-堅硬地層驗證測試

5.3.1 測試場地概述

測試場地位于江蘇省南京市玄武區(qū)原“興敏化工”地塊，區(qū)域范圍屬于長江中下游平原，海拔4～7 m，第四系地層，以粉質(zhì)粘土和砂巖為主。

5.3.2 配套鉆具選擇及工藝流程

測試時選用雙壁式鉆具一套，護心管直徑105 mm，取心管直徑55 mm，定尺長1.7 m，每根重2.5 kg；鉆頭2 個，外徑107 mm；聲頻振動頭主軸接頭1個；連接桿20 根；鉆桿與鉆具轉(zhuǎn)換接頭1 個。

鉆機進行工作，將取心管放入套管，鉆頭下鉆，土壤進入取心管，完成取樣工作后提出鉆桿，并卸下鉆頭，抽出護心管，再將取心管從護心管中取出，卸下取心管上的通孔鋼堵頭和多孔鋼堵頭，封堵保存取心管，完成樣品采集。鉆進工藝流程如圖11所示。

圖11 雙壁式鉆具鉆進工藝流程Fig.11 Working process of the dual wall drilling tool

5.3.3 測試結(jié)果

測試試驗全部采用振動鉆進方式，共鉆進取樣23 回次，鉆進深度34.5 m，累計取樣長度34.5 m，通過現(xiàn)場記錄整理出測試參數(shù)變化情況（見表3）。從表3 中可以看出，不同深度取心率最高達到98%、最大起拔力和最大給進力50 kN、最大輸出扭矩1460 N·m、最大鉆進頻率達到150 Hz、最高轉(zhuǎn)速80 r/min、平均能耗約為10 L/h，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

表3 中等及堅硬地層驗證測試記錄Table 3 Verification test record for medium and hard formations

6 技術(shù)創(chuàng)新

ZHDN-SDR 150A 型高頻聲波鉆機及其配套鉆具能夠適用于不同地層土壤采樣，設(shè)計時具有以下3 點技術(shù)創(chuàng)新。

（1）高頻聲波動力頭采用雙振子結(jié)構(gòu)顯著提高了振動頻率（150 Hz）；采用一種柱狀橡膠材料繼而提高了振動穩(wěn)定性；采用一套軸承冷卻潤滑系統(tǒng)在軸承運轉(zhuǎn)過程中實現(xiàn)對軸承循環(huán)噴油潤滑和冷卻。

（2）鉆機主體采用智能操作控制系統(tǒng)的設(shè)計，一方面將界面豐富的觸摸屏同各種傳感器組合在一起，方便司鉆手操控；另一方面通過控制液壓智能分配，實現(xiàn)主機輔機工作一體化。

（3）采用慣性邊界和高頻聲波鉆柱動力學設(shè)計原理，研制了適用于松軟（散）地層、中-堅硬地層的配套鉆具，解決了鉆具在高頻振動下易疲勞、壽命短以及不同地層采樣取心率低的問題，同時也提高了使用壽命。

7 結(jié)論

驗證測試結(jié)果表明，ZHDN-SDR 150A 型高頻聲波鉆機振動頻率高、鉆進速度快，各項技術(shù)參數(shù)達到了最初設(shè)計要求，適用于不同地層原位弱擾動采樣；配套鉆具使用壽命長、取心率高。為了檢驗鉆機實際鉆探工況，擬進一步選取不同區(qū)域（京津冀、長三角、珠三角、西北、西南等）地質(zhì)類型、不同行業(yè)（焦化、石油化工、農(nóng)藥、制藥、涂料等）污染場地進行施工作業(yè)，以優(yōu)化改進鉆機，更好地進行市場推廣應用。測試情況也發(fā)現(xiàn)，鉆機在堅硬巖石地層作業(yè)時，鉆頭與巖石摩擦產(chǎn)生高溫會影響鉆頭剛度和強度，導致鉆具鉆進效率降低；鉆機部分功能仍需要通過手動操作實現(xiàn)，遠程操控自動化水平有待提高。鉆機后期改進時，一方面可通過耐高溫強硬度新材料研發(fā)，提高鉆具鉆進效率；另一方面可通過計算機技術(shù)、檢測技術(shù)、在線診斷技術(shù)，改進遠程無線操控系統(tǒng)，提升高頻聲波鉆機智能自動化控制水平。